エネルギー
夜間太陽光 – 熱放射ダイオードが近い将来バッテリーの必要性をなくす可能性
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私たちが持つ最も豊富で自然なエネルギー源のひとつは太陽光です。毎日、太陽が昇り光を私たちに注ぎ、熱と電気を提供してくれます。
遠隔地や孤立した農村地域でも、このエネルギー源を活用できます。地球上のほとんどの地域が何らかの形で日光を受けているからです。この尽きることのないエネルギーのごく10％未満で、世界のエネルギー需要を満たすのに十分です。
再生可能エネルギー源として、太陽光は有害な温室効果ガスを排出せず、電力網やバッテリーにも適しています。
太陽光の利用は全く新しいものではありません。紀元前7世紀には、人々が光を反射させた光沢のある物体で火を灯すなど、太陽光を利用していました。
しかし、技術の進歩により、太陽光を捕捉して電気を生成し、後で使用するために蓄えることが非常に効率的になりました。
太陽光技術は電磁放射、すなわち太陽が放つ光を捕らえて有用なエネルギー形態に変換します。主な太陽エネルギー技術は、太陽光パネルに利用される光起電力（PV）と、集光型太陽熱発電（CSP）の2つです。
現在、太陽光パネルは太陽エネルギーから電気を生み出す最も一般的な手段です。PVパネルの有用寿命は20〜25年で、設置後は定期的な清掃を除けばほとんどメンテナンスが不要です。
通常、シリコンなどの半導体材料で作られ、光子が当たると電子が放出され電荷が生成されます。この電荷が電流となり、太陽光パネルで捕らえられ、インバータで交流（AC）に変換されてデバイスに供給されます。
光起電効果は実は1839年にフランスの物理学者エドモン・ベックレルが金属電極と導電液のセルを光に当てたとき、電流が増加することを発見したのが始まりです。
その後、1954年にシリコンPVセルが開発され、太陽エネルギーを吸収して日常の電気機器を駆動できるようになりました。
今日、太陽エネルギーシステムは住宅や事業所だけでなく、重要な再生可能エネルギーミックスの一部として電力供給に組み込まれています。
太陽エネルギーは、電力消費の大幅な削減、蓄電と組み合わせたバックアップ電源の提供、レジリエントな電力網への貢献、小規模から大規模まで同等の効率で運用できること、そして雇用創出と経済成長の促進という大きな可能性を持っています。
コスト面では、ハードウェア費用に加えて許認可、資金調達、設置といったソフトコストや、企業の運営費用が太陽エネルギーの価格に影響します。
太陽エネルギーには多大な利点がありますが、間欠性が課題です。利用可能な日光量は時間、場所、季節によって変動します。
例えば、光起電力は主に日中、太陽が最も明るい時間帯にエネルギーを生成します。より効率的で信頼性の高い蓄電システムにより、日中だけでなく夜間や曇天時にもこのエネルギーを利用できるようになりましたが、研究者はさらに優れた代替手段を模索しています。
Back in 2022, researchers from The University of New South Wales (UNSW), made a major breakthrough in this sphere, which allowed them to produce electricity from solar power even during the night-time. This tech is now being taken to space.
夜間の太陽光発電
つまり、2年前の5月に、UNSWのチームは夜間に太陽光から電力を生成するという大きなブレークスルーを達成しました。
光起電力・再生エネルギー工学学部（SPREE）の研究者チームは、地球が放射する赤外線（IL）熱から電力を生成しました。これは、夜間に宇宙へ放射して冷却される現象と同様です。
このために、チームは熱放射ダイオードと呼ばれる半導体デバイスを作製しました。ダイオードは電流を一方向にだけ流す半導体装置で、交流（AC）をパルス状の直流（DC）に変換します。
熱放射ダイオード（TRD）は赤外線（IL）を放射することで電力を生成します。温かい表面から電力を取り出すことができ、夜間に太陽光を供給できる可能性があります。チームが使用した熱放射ダイオードは、ナイトビジョン（NV）ゴーグルに使われる素材で作られ、放射される赤外線光から電力を得ました。
出力は非常に小さく、太陽光パネルが供給する電力の100,000分の1程度でしたが、研究者は将来的に改善できると考えています。チームリーダーのネド・エキンス＝ドークス准教授によると:
「熱放射ダイオードから電力を得たことを明確に実証しました。」
熱画像カメラで夜間の放射量を測定できると説明しました。ただし、これは可視光ではなく、760nm〜100,000nmの赤外線領域（可視光は380〜780nm）に限られます。したがって、チームは「赤外線熱放射から電力を生成できる」デバイスを作製したのです。
最終的に、このプロセスは依然として太陽エネルギーを利用しているとエキンス＝ドークス教授は述べました。昼間、太陽光が地球に当たり温められ、夜間には同じエネルギーが赤外線光として冷たい宇宙へ放射されます。放射ダイオードの概念はこのプロセスを利用し、電力を生成できることが実証されました。
「エネルギーの流れがある限り、形態を変換できます。」
– チームリーダー エキンス＝ドークス准教授
光起電力が太陽光を直接電気に変換する人工プロセスを開発したように、熱放射プロセスでは、温かい地球から赤外線が流れ出すエネルギーを冷たい宇宙へ向けて転換しています。
また、太陽電池が光を吸収して電気を生むのと同様に、熱放射ダイオードは赤外線光をより冷たい環境へ放射することで電気を生成します。
「両者とも温度差が電力生成の鍵です。」
– 論文共同執筆者 Dr. Phoebe Pearce
以前は理論的だったプロセスが実証され、将来的にははるかに効率的で大規模にエネルギーを捕捉できるデバイスが作られる可能性が示されました。
エキンス＝ドークス准教授は、この新しい研究をベル研究所のエンジニアが最初の実用シリコン太陽電池（効率約2％）を示した時に例えました。現在では太陽光の約23％を電気に変換できるようになっています。
According to co-author Dr. Michael Nielsen:
「これらの技術の商業化はまだ先のことですが、進化中のアイデアの最初の段階にいることは研究者として非常にエキサイティングです。」
研究者によれば、この新技術は将来的に人工心臓などバッテリー交換が頻繁に必要なバイオニックデバイスの電源として活用でき、特定のデバイスでバッテリー不要、あるいは充電支援が可能になると期待されています。
しかし現在のところ、放射ダイオードは「非常に低い出力」しか得られず、検出も困難です。産業化までには約10年の大学研究が必要ですが、理論的には「太陽電池の約1/10の出力」を最終的に実現できる可能性があります。
「明確な電力実証」の後、チームは製造が容易でスケールしやすい新素材の研究に取り組み始めました。
同時に、チームはこの技術を衛星などの宇宙機に応用することも検討しています。太陽光衛星は新しい概念ではなく、実際には1958年に初めて実証されています。
太陽電池で動くこれらの宇宙機は、食影（イクリプス）時にバッテリーに依存します。したがって、UNSWの研究者は暗闇の軌道上で衛星に電力を供給する技術の適用を進めています。
宇宙で最初に使用されたこの技術は、現在では家庭向けに大量の電力を生成するためにも利用されており、エキンス＝ドークス准教授は「今後2年以内に放射ダイオードを宇宙で実証する」ことを目指しています。
太陽エネルギーの利用拡大が太陽時代の始まりである理由を知りたい方はここをクリックしてください。
クリーンで豊富な太陽光への転換
太陽光パネルは光が必要なため夜間は稼働できず、この問題を解決するために多くの研究開発が行われています。
その一つがバッテリー蓄電です。余剰エネルギーを蓄えておき、夜間や曇天時に使用できます。Tesla (TSLA ) PowerwallやGenerac PWRcell などが代表例で、停電時のオフグリッド電源としても機能します。
もう一つはネットメータリングです。太陽光の余剰電力を昼間に電力網へ送り、クレジットとして蓄えることで、夜間の電力消費を電力料金から差し引くことができます。
研究者は夜空から電力を収集するパネルも開発しています。例えば、アンチソーラーセルは昼間の太陽電池と逆の働きをし、摩擦発電パネルは動きをエネルギーに変換し、温かい表面からの放射エネルギーを利用します。
スタンフォード大学の科学者は、従来の太陽電池に熱電発電機を統合した新型パネルを設計し、夜間の連続発電と昼間の効率向上を実現しました。
カリフォルニア拠点のスタートアップReflect Orbitalは、夜間に太陽光を販売する計画を発表しました。高度370マイル上空を周回する衛星コンステレーションにマイラーミラーを装備し、地上の太陽光パネルに光を反射させます。
「太陽光は新しい石油であり、宇宙はエネルギーインフラを支える準備ができています。」
– Reflect Orbital共同創業者 Ben Nowack（旧Twitter）
数字を見ると、クリーンエネルギーの中で太陽光は圧倒的にリードしています。2023年は世界で447GWの新規太陽容量が導入され、全新規再生エネルギー容量の78％を占めました。前年比87％の増加で、2010年以来見られない成長率です。
この成長の大半は中国が牽引しており、世界最大の太陽市場として253GWの新規PV容量を追加し、前年比167％の伸びで、昨年の全球設置容量の57％を占めました。
この「予想外の成長」は、Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028によれば、モジュール価格が約50％急落したことが主因です。これは世界的なPV製造能力の大幅増加による過剰供給が原因です。
2023年に過去の受注がようやく設置されたことに加え、個人・企業・政府が高騰するエネルギー価格への信頼性とコスト効果の高い解決策として太陽光を選択しています。
製品の供給拡大、コスト改善、そして技術がもたらす多くの利点に支えられ、報告書は「今後数年で太陽光PV電力の需要が大幅に伸びる」と予測しています。
太陽エネルギー分野を牽引する企業
それでは、エネルギー生成の代替ルートを取っている注目企業をいくつか見てみましょう。
Clearway Energy (CWEN ) (CWEN ) は、風力発電所と太陽光発電所を運営し、クリーンで再生可能なエネルギーを提供する企業です。一方、Ormat Technologies (ORA ) は地熱発電に注力しています。Heliogen はAIと高度なミラー技術を使用して太陽光を集中させ電力を生成する企業です。Enphase Energy (ENPH ) とPiedmont Lithium (ELVR ) はそれぞれエネルギー貯蔵分野をリードしています。
#1. Bloom Energy
同社は固体酸化物燃料電池技術を用いて信頼性と効率性の高い電力を生成しています。エネルギーサーバーを現場で使用することで、従来の発電に比べてクリーンな代替手段を提供し、電力網への依存を低減します。
BE 価格チャート
執筆時点で、BE株は10.80ドルで年初来26.82％下落し、時価総額は24.65億ドルです。Bloom Energy (BE ) の EPS（TTM）は -1.30、P/E（TTM）は -8.31 です。2024年第2四半期の売上高は3.358億ドルで、前年同期比11.5％増加しました。粗利益率は20.4％、営業損失は2310万ドルでした。また、同期間に3％の転換型グリーンノートを発行し、バランスシートを強化しました。
さらに、同社はAIリーダーのCoreWeave (CRWV ) と提携し、Chirisa Technology Parks 所有のハイパフォーマンスデータセンターに電力を供給しています。Bloom の燃料電池はシリコンバレー・パワーの20MW規模のAWSデータセンターにも電力を供給します。Bloom の CEO KR Sridhar のコメント:
「電力需要が電網の供給を大幅に上回ることが広く認識され、Bloom にとって大きな機会となっています。製品とソリューションへの商業的関心が高まっており、技術の進化とチームの拡充を続け、将来の成長に備えています。」
#2. NextEra Energy
太陽光、風力、バッテリー蓄電に注力するNextEraは、再生可能エネルギーの最大手の一つです。同社の株価は現在83.85ドルで、年初来38.05％上昇し、時価総額は1722.7億ドルです。EPS（TTM）は3.67、P/E（TTM）は22.85です。
NEE 価格チャート
2024年第2四半期のGAAP純利益は16.22億ドルで、3,000MW以上の新規再生可能エネルギーと蓄電プロジェクトを受注しました。数か月前、子会社のNextEra Energy (NEE ) ResourcesはEntergyと共同開発協定を結び、最大4.5GWの新規太陽光発電とエネルギー貯蔵プロジェクトの創出を加速させることを発表しました。
結論
太陽は枯渇しないエネルギー資源であり、効率的かつ先進的な技術と組み合わせることで、急速に高まる世界的エネルギー需要に応え、気候変動問題に対処する大きな可能性を持ちます。
現在進行中の世界的なクリーンエネルギー転換のリーダーとして、太陽産業は昨年、他のすべての発電技術を合わせた以上の投資を受け、急速に発展しています。この投資は、太陽追跡型セル、印刷可能な太陽電池、光起電力ウィンドウ、そしてもちろん夜間太陽エネルギー生成といった数多くの技術ブレークスルーをもたらし、将来世代にとって長期的なエネルギーソリューションへと太陽エネルギーを押し進める助けとなります。
