街中どこでも発電、充電
自然エネルギーを利用した効率のいい街づくりを目指して

化学科
冨田恒之 准教授

 集中型エネルギーシステムの弱さがあらわになった東日本大震災を契機に注目される地域分散型エネルギー。よりクリーンでコストがかからず便利な生活を実現するため、技術の進化とともに地域に根ざした新たなエネルギーシステムを目指そうという動きが出ている。理学部化学科の冨田恒之准教授に「『人と街と太陽が調和する』創・送エネルギーシステム」について話を聞いた。【聞き手・兵頭和行】

 ――取り組んでいる「『人と街と太陽が調和する』創・送エネルギーシステム」について教えてください。

 一言で言うと「効率のよい太陽電池と熱音響機関による発電・送電を取り入れた街づくり」です。いかに効率よく太陽電池を作っていくか、というエネルギーの研究と熱音響機関という新しいシステムを融合した研究です。それら太陽電池と熱音響発電システムの二つでエネルギーをつくり、できたエネルギーを無線で車などの電力が必要なものに送ること、トータルでエネルギーを考えるという研究です。

 ――熱音響機関はどういうものですか。

 気体は、温度が温かいと膨張します。気温が冷たいと収縮します。この現象を応用して熱を電気に変換する装置です。熱い部分と冷たい部分を共存させることで熱い部分で空気が膨張し、冷たい部分で空気が収縮するので、膨張と収縮を繰り返していくことで振動が発生します。振動は、人間にとって音として聞こえるものですが、熱からも音は発生します。これが熱音響機関です。音、つまり空気の振動を、リニア発電機を使って電気に変えることで発電ができます。

 ――熱はどこから。

 一つは自然の熱として太陽光を集光する。もう一つは工場や自動車などの廃熱利用です。車の場合、冬場は排熱を暖房で使いますが、暖房で使用する熱以外は、使用されないまま、垂れ流しで外気を温めているだけです。その熱を電力として回収します。

 ――発電効率はいいのですか。

 原理上はおよそ30%と非常に高効率です。太陽光は、およそ半分が目で見える可視光です。残り半分が目に見えない赤外線から成り立っています。太陽電池としては可視光と一部の赤外線しか発電に利用できないので、残りの赤外線はまったく使われません。その使用されていない赤外線を集めて熱にして、熱音響機関を介した発電に利用した方が発電効率は上がるのではないか考えています。

 ――太陽電池では赤外線は利用されない。

 太陽電池で利用されない赤外線を利用できるように拡大していくことが太陽電池の研究としては大事です。しかし、使える光量が増えれば、得られる電圧が下がり、結果的に得られるエネルギー量はあまり上がらないのが現状です。この打開策の一つとして、可視光の波長800ナノメートルまでを太陽電池で使い、それ以上の長波長側は全て熱として回収することが挙げられます。熱音響機関の発電には熱が必要なので、可視光、紫外光、赤外光という波長は関係ありません。そのため、可視光の使いやすいところだけを太陽電池で使い、使いにくいところは熱として熱音響機関を使うということが今回の研究のひとつです。

 ――電気を無線で送るという技術はどういうものですか。

 スマートフォンを置くだけで充電するQi(チー)という規格があります。約1センチ以下の近い距離であれば充電できますが、距離が離れると電気を送ることができません。例えば、駐車場の下にコイルが置いてあって、電気自動車を充電しようと試みると、約30センチ離れているため充電はできません。今後、この方式を適宜変えていく必要があります。例えば、現在の充電までの距離を1センチから10センチまで伸ばす、さらに1メートルまで伸ばすことができれば、充電にかかわる用途の幅が広がっていきます。

 ――イメージしている街作りとは。

 無線電力伝送では、駐車場あるいは道路に送電コイルが設置できれば、電気自動車を駐車するだけで充電したり、移動しながら充電できます。この無線電力伝送がインフラの一つとして公共交通機関で利用できれば、有線ではない分、使用用途はもっと広がります。
また、「有機ペロブスカイト太陽電池」という種類の太陽電池があります。通常の太陽電池の製造と比較して低コストかつ低エネルギーで製造できるため、短時間でコストとエネルギーを回収できるメリットがあります。また面白いところでは、「色素増感型」といった色素を用いた太陽電池もあります。これはいろいろな色で製造できるので、景観を損なわないように公園に緑色の太陽電池を設置するということもできます。

 ――有機ペロブスカイト太陽電池とはどういうものですか。

 「有機ペロブスカイト」太陽電池は、現在普及している太陽電池と同程度の発電効率が可能で、より低コストで製造できます。通常、太陽電池はシリコンが使用されています。そのシリコンを製造するために99.9999%以上の超高純度にする必要があります。そのため、製造には結構なエネルギーが必要です。その電気を回収するまでにかかる年数がどうしても長くなります。有機ペロブスカイト型は、シリコン型のような完璧なものを作らなくても効率が高いものができる。簡単にいえば、塗って出来るようなそういう太陽電池です。

 軽いというメリットもあるので、例えば、シリコン型では結構な重量を伴うため既存の屋根につけると、補強による大規模な工事が必要になったりします。有機ペロブスカイト型ですと、既存の屋根に載せても問題ない軽さで作れます。つまり、追加工事なしでそのまま上に置けばいいということです。

 ――課題はないのですか。

 「有機ペロブスカイト型」の一番の課題は、劣化することです。太陽電池はかなり長期間使用するものなので、それほどまでの信頼性がないのが現状です。劣化の原因もまだ把握できていませんが、おそらく光や水など様々な要因から劣化が始まり複合的に絡み合っていることが原因だと考えていますが、究明することは困難です。まずは、「有機ペロブスカイト型」の劣化をどう抑えるのかというメカニズムの検証から始めていきたいと考えています。

 色素増感型は、効率があまり高くないというのが問題です。また、化学的な電池で液体を使うので、フィルム状には加工できますが、通年で使用した場合、液体が漏れる可能性もあります。その結果、固体化しようと様々な試みが行われました。「有機ペロブスカイト型」が発明できたのは、固体化しようと試みた結果だったこともあります。もともと同じ扱いだったのが、現在、別の太陽電池と言われるようになっています。

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