昼間にモハーベ砂漠に黒いフライパンを置くことを想像してみてください。フライパンは徐々に熱くなり、90℃（195℉）を超えます。°°フライパンに卵を入れると、数分で完全に調理されます。気づかないかもしれませんが、この簡単な実験は太陽エネルギーの収集を例示したものです。
太陽エネルギーの採取は、住宅の屋根に設置されている ソーラーパネル と最もよく関連付けられます。しかし、太陽エネルギーの収集は商業的に導入され、さまざまな用途に広がり、世界に驚異的な量のエネルギーを供給しています。5つの革新的な太陽エネルギー収集技術を見てみましょう。
1) 太陽光発電パネル
太陽光発電（PV）パネル は太陽の力を利用して電気の流れを作り出します。これは今日最も広く採用されている太陽エネルギーの収集方法です。これらのパネルは、数平方センチメートルから数平方メートルの大きさで、複雑なマトリックス状に配置された多数のPVセルで構成されています。直感的に言えば、太陽光がPVセルに浸透できる表面積が大きいほど、より多くの太陽エネルギーが収集されます。
各PV太陽電池は、通常、単結晶または多結晶構造の化合物半導体ウェーハ構造で構成されています。この構造の2つの薄い半導体ウェハ (1つはPタイプ、もう1つはNタイプ) は、それぞれ別々に成長します。2枚のウェハーを重ねると、2種類の半導体の間で起こる自然反応によって空乏層が形成され、電気が生成されることなく平衡点に達します。PVセルにより、光子が半導体ウェーハを通過して結合すると、その相互作用によって十分なエネルギーが放出され、空乏領域で平衡の破壊が生じます。その動作により、短時間の電気の流れが発生します。しかし、光が常に存在するため、この相互作用は継続的に発生し、大量の電気エネルギーを生成することができます。
単一光子の相互作用によって生成される電力は、PVセルの表面全体に複製されます。これは 太陽電池 のパネル全体に複合され、その後、巨大なPVパネルアレイに統合されます。枯渇領域におけるこの小さな相互作用は繰り返され、増幅され、大量の電気を生み出します。ただし、PVソーラー アレイはDC電力を生成します。家庭内のコンセントなどの現代の電力伝送技術と統合するには、 このDCエネルギーをインバーターを使用してAC電力に変換する必要があります。この基本技術には、分子レベルでの各PVセルの効率、パネルの組み立て、およびパネルをより大きなソーラー アレイに統合する能力を最適化することを目指す、さまざまな独自の反復があります。
2) 熱エネルギーの採取：電磁放射のエネルギー
太陽は、赤外線を含むさまざまな波長の広範囲の放射線を放射します。このスペクトルは、熱エネルギーを吸収できる物体に熱エネルギーを効率的に伝達します。この熱電磁エネルギーを効果的に吸収できる要素は「黒体」と呼ばれます。黒色は人間の目に見えるすべての波長の放射線を吸収するためです。理想的な黒体は、電磁放射スペクトルのすべての波長を正確に吸収し、放射することができます。
電磁放射は、卵の調理例、ローマの浴場、古代エジプトの住宅などの多くの受動的な暖房システム、および太陽熱パネルや サーモサイフォンなどの現代的なソリューションでの暖房に長い間使用されてきました。これらの太陽熱エネルギー収集戦略は、黒体放射物理学と、電磁放射を吸収して伝達する能力に大きく依存しています。住宅レベルでは、熱エネルギーは給湯システムで使用するために最も頻繁に収集されます。しかし、これらのソリューションは産業規模でのエネルギー生成にはあまり適していません。
3) 太陽熱温水器
世界中の晴天の多い気候で一般的に導入されている太陽熱エネルギー収集アプリケーションの優れた例は、太陽熱温水器です。最もシンプルな太陽熱温水器システムでは、ポンプを使用して冷水を黒体パネルに循環させます。これは視覚的にPVソーラーパネルに似ており、黒い表面が熱エネルギーを効率的に吸収し、それが循環する水によって冷却され、それによって水が加熱されます。水はこのループを通じて継続的に循環し、太陽活動の間中温水を作り出します。一部のシステムでは、加熱された水によって生じる浮力を利用することで、ポンプ システムを省略できます。この暖かい水は「浮き」、冷たい水は沈むため、システム内の流れが少なくなり、サーモサイフォンが形成されます。これらのシステムでは、ここに示すように、貯蔵タンクを太陽光吸収源の上に設置する必要があります。
4) 真空管式太陽熱温水器
より先進的で効率的な太陽熱温水システムは、真空管と自己完結型 熱エネルギーを伝達するヒートパイプ 二次タンクへ。真空管は放射エネルギーがシステムに入ることを保証しますが、熱エネルギーに変換されるすべてのエネルギーは管内に閉じ込められます。ヒートパイプはこのエネルギーを吸収し、その後大きな水タンクに伝達します。これらのシステムは、真空管から逃げる熱エネルギーが最小限に抑えられ、ほぼすべての放射エネルギーが熱エネルギーに変換されるため、寒い時期に水を加熱する効率が大幅に向上します。
5) 溶融塩太陽光発電
溶融塩システムにおける比較的最近の進歩により、太陽エネルギーを使用した発電の限界が押し広げられています。しかし、前述の太陽熱温水システムと同様に、溶融塩発電所は電磁放射を利用して塩を溶かします。この溶融塩は熱交換器に移され、そこで水が加熱されて蒸気となり、蒸気タービンを通って発電します。イヴァンパ太陽光発電所などの溶融塩発電所は、ヘリオスタットミラーの広範なネットワークを利用して、太陽光を単一のポイント（パワータワーまたはセントラルタワーと呼ばれることが多い）にリダイレクトします。この塔は周囲のヘリオスタットからエネルギーを集め、そのエネルギーは1500℃近くで塩を溶かすのに十分な電力です。° F. この溶融塩は断熱タンクに貯蔵され、太陽が照らなくなったときでもエネルギーを使用できるようになります。
太陽エネルギーの収穫の未来
太陽エネルギー収集技術は、化石燃料によって発電される電力の代替としてますます利用されています。太陽エネルギーを収集する方法はさまざまですが、基本的にはすべて、太陽を利用して、特定の目的に沿った作業を実行します。これは、従来私たちが電気に頼って行ってきた作業です。効率性とプロセスの最適化の向上により、生産性は引き続き向上します。 将来に向けた太陽光利用の取り組み 化石燃料の使用の必要性を完全に排除する可能性があります。