太陽光発電 (PV) からの電力は、世界中で最も急速に成長している新しい電力源です。この成長は、過去数年間の PV の劇的なコスト削減と、クリーンで再生可能なエネルギーに対する需要の急増によるものです。
しかし、化石燃料から完全にクリーンな再生可能エネルギー経済への移行には、太陽光発電やその他の再生可能エネルギー源を、これまでに導入されたものを超えて大幅に拡大する必要があります。このような拡大の利点は、化石燃料とバイオ燃料の大気汚染に起因する世界中で年間 400 万から 700 万人の死亡をなくし、壊滅的な地球温暖化を回避し、化石燃料の漸進的な枯渇に起因する社会的および政治的不安定を回避することです。
多くの直射日光にさらされている熱帯および亜熱帯の国々での太陽光発電の拡大は、ほとんどの人にとって理にかなっています。しかし、カナダ、北欧、グリーンランド、アイスランド、ロシア北部、アラスカなどの高緯度地域での拡大には、懐疑的な見方が強まっています。その理由は、高緯度では低緯度よりも年間を通して直射日光が少なくなるためです。ただし、PV パネルを傾けるか、時間の経過とともに太陽を追跡するように設計することにより、ソーラー PV パネルは、地面に平らに置いた場合よりもはるかに多くの太陽光を受け取ることができます。
今年初めに雑誌 Solar Energy に掲載されたこの研究の主な目的は、 、水平パネルと比較して、傾斜した追跡パネルを使用した太陽光発電出力の増加を世界中で定量化することでした。屋根に設置されたほとんどすべての太陽光発電パネルは、今後も固定された傾斜角を持ち続けるため、回転しません。大規模な太陽光発電所のパネルは、傾斜角度が固定されているか、回転しています。この研究のもう 1 つの目的は、世界各国の固定傾斜パネルの理想的または最適な傾斜角度を計算することでした。
最適な傾斜角は、各国の国立再生可能エネルギー研究所の PVWatts 太陽光追跡プログラムから導き出されました。大国の場合、国のさまざまな地域で最適な傾斜角が計算されました。
次に、最適な傾斜角度を全球 3 次元気候コンピューター モデル GATOR-GCMOM (ガス、エアロゾル、輸送、放射、大循環、メソスケール、および海洋モデル) への入力として使用して、最適に傾斜したパネルに当たる入射太陽光を推定しました。 1 軸垂直トラック パネル (東西方向に固定されているが、水平軸を中心に南から北に回転)、1 軸水平トラック パネル (最適な傾斜角度で南北方向に固定されているが東に回転)垂直軸を中心に西へ)、および 2 軸追跡パネル (すべての方向で太陽を正確に追跡します)。
次に、それぞれの場合の入射放射線を、地表の平らな水平パネルと比較しました。 2050 年の世界平均と年間平均の比率は、それぞれ ~1.19、~1.22、~1.35、~1.39 でした。言い換えれば、例えば、最適に傾けられたパネルは、水平なパネルよりも平均で 19% 多い太陽光を受け取りました。太陽を完全に追跡したパネル (2 軸) は、水平パネルよりも 39% 多い太陽光を受け取りました。ただし、高緯度では比率がはるかに高かった。たとえば、北緯 50 度 (ブリュッセル、プラハ、キエフ、ウィニペグ付近) では、すべて 1.3 ～ 1.5 の範囲でした。北緯 60 度 (ヘルシンキ、オスロ、アンカレッジ付近) では、1.4 ～ 1.6 でした。北緯 70 度 (ヌオルガム、アルタ、ハンメルフェストの近く) では、1.5 ～ 1.8 でした。北緯 80 度 (エウレカとノルドの近く) では、それらは 2.1-2.4 でした。
この研究では、ほとんどすべての緯度で、1 軸水平トラック パネルが 2 軸トラック パネルよりも 1 ～ 3% 少ない太陽光しか受けないこともわかりました。そのため、より複雑な 2 軸トラッキングを使用する必要はほとんどありません。
さらに、1 軸の水平追跡は、1 軸の垂直追跡よりも北緯 65 度および南緯 65 度以下ではるかに大きな出力を提供しましたが、出力は他の場所でも同様でした。どのような種類の追跡も、北緯 75 度、南緯 60 度を超える最適な傾斜に比べてほとんどメリットがありませんでした。参考までに、南の国境が世界で最も北にあるアイスランドの中心点は北緯 65 度です。
一般に、傾斜と追跡の両方の利点は、緯度が高くなるにつれて大きくなります。実際、驚くべきことに、年間平均で、南緯 80 度から 90 度 (南極上) では、他のどの緯度よりも多くの日光が傾斜パネルまたは追跡パネルに到達します。
もう 1 つの発見は、傾斜と追跡は、その緯度でエアロゾルと雲量が多い都市よりも、エアロゾルと雲量が少ない特定の緯度の都市でより多くの利益をもたらすということでした.
要するに、最適なユーティリティ PV 出力を得るには、最適な傾斜で十分な最高緯度を除いて、1 軸の水平トラッキングが推奨されます。ただし、パネル構成に関する決定には、この調査では評価されていない追跡機器と土地のコストを知る必要もあります。設置者は、精度を高めるために、設置場所の最適な傾斜角度も計算する必要があります。屋上 PV およびユーティリティ PV 追跡の最適傾斜を無視するモデルは、国または世界の PV ポテンシャルを大幅に過小評価する可能性があります。
この研究の主な結果は、ほとんどの人が太陽がほとんど輝いていないと考えている高緯度でも、太陽光発電の出力には莫大な可能性があるということです。太陽が低く、地平線に近いときに太陽光を直接取り込むことで、太陽光発電の出力を大幅に高めることができ、太陽光発電は世界中で最も実用的なものになります。これは、地球上の未来の生命にとって朗報です。
これらの調査結果は、ジャーナル Solar Energy に最近掲載された、水平パネルに対する傾斜および追跡された PV パネルへの太陽光入射の PV 最適傾斜角と比率の世界推定値というタイトルの記事で説明されています。 この研究は、スタンフォード大学の Mark Z. Jacobson と Vijaysinh Jadhav によって実施されました。
