草原での太陽光発電による太陽電池の生産

草原での太陽光発電による太陽 電池の生産

桐蔭横浜大学 臨床工学科

早川吉則

2005年3月19日以来の訪問者

石油はあと45年で無くなるといわれている。石油がもっと見つかっても炭酸ガスによる温室効果のため使用することが出来なくなる。このため太陽光発電・バイオマス・原子力(高速増殖炉)・核融合などの代替エネルギーが必要だが、その見通しははっきりしない。もしこのままいって、エネルギが非常に不足するような事態が生じた場合工業化社会は成立しなくなる。トラクター・化学肥料・農薬・灌漑など工業の支援を受けた農業は収穫が激減する。トウモロコシ・大麦・大豆など農産物の飼料の支援を受けた畜産業も肉・牛乳・卵などの生産が激減する。漁船や冷凍庫が動かないので遠洋漁業は成り立たなくなる。運搬手段が不足するので商業も衰退し、分業社会より効率の悪い自給自足経済に近づく。エネルギー危機はこのように食糧危機を引き起こし、大量の餓死者が発生する。世界人口は19世紀〜20世紀中頃の10億人〜20億人に激減する。勿論いきなりこんなひどい状態にはならないとは思われるが、いずれにせよかなり想像を超えた困難が予想される。病気でもない人達がどんどん餓死していくことになれば、臓器移植・陽子線治療・遺伝子治療など高度先進医療で手間とエネルギーを費やして難病の人を助けるなどということは夢物語になる。すでに多くの人によって指摘されているように、これらの困難な状況を緩和するためには代替エネルギーの開発が是非とも必要である。(実際に工エネルギー危機が食料危機を引き起こした例は昨今の北朝鮮「朝鮮民主主義人民共和国」である。冷戦の終結によりソ連からの石油などの支援や中国からの支援が薄れたため工業が危機に陥った(停電が非常に多いことが人工衛星により確認されている)。このため農業が危機に陥り、多数の餓死者を出している(洪水の被害・社会体制の問題もあるが、基本的にはエネルギー危機が食料危機を引き起こしたと思われる。インターネットでの調査によれば北朝鮮と同じ理由でエネルギー危機に見舞われたキューバは太陽電池の導入やサトウキビのバイオマスによる代替エネルギー、有機農業への改革によって石油が50%減ったことをかなり克服できているようだ。)。韓国「大韓民国」は、人道援助として、食料・トラクター代わりの農耕用の牛・化学肥料等を支援している。また原子力発電所の建設支援が本格化しつつある{戦略物資の石油は支援できない}。近い将来世界が直面する可能性がある危機は昨今の北朝鮮よりもさらに深刻であると予想される。このままいったらひどいことになる。このようなことは道を歩いていても、電車のホームを歩いていてもよく起こることである。それほど容易ではないかもしれないが皆で智恵を出し、力を出して代替えエネルギーを見つけよう。

Production of Solar Batteries by Sun Light Power Generation

in Grasslands (version 25)

--A Proposal to Ease Energy Crisis and to Prevent Flood--

September 12, 2001

Yoshinori Hayakawa,

Department of Biomedical Engineering,

Toin University of Yokohama,

Yokohama, Japan

 

Please mail to hayakawa@cc.toin.ac.jp

 

草原での太陽光発電による太陽電池の生産(第25版)

-エネルギ危機緩和と洪水防止のための試案-

2001年9月12日

桐蔭横浜大学臨床工学科

早川吉則

お手紙は右記までどうぞ hayakawa@cc.toin.ac.jp

 

 1. 序論

石油はあと45年で無くなるといわれており、天然ガスも約65年で無くなると言われている。その後のエネルギ供給の見通しははっきり立っていない。石油・天然ガスがさらに発見されても炭酸ガスを排出するので地球の温暖化を招き石炭とともに使用できなくなる可能性が高い(文献1)。仮にエネルギが非常に不足するような事態が生じた場合、現在の石油・石炭・天然ガスに支えられた高度工業化社会は成立しなくなる。こうなれば現在の石油・石炭・天然ガスを用いた工業によって支えられている農業・漁業・商業もなりたたなくなる(農業:化学肥料・農薬・トラクター・電力等、漁業:漁船の建造・船舶用ディーゼル発動機・魚群探知機・無線通信機材・気象予報等、商業:運輸・食品用冷蔵庫・紙幣の印刷・電力・銀行の電子計算機による運営等)。この結果、世界の人口が石油・石炭・天然ガスがあまり使われていなかっ<た頃の約10〜20億人(1800年の世界人口は10億人、1900年は16億5千万人、1950年は25億人(文献1))に減るとすれば、世界全体では40〜50億人もが餓死したり、栄養不良から病死する(文献2)ことになる(良く知られているように、歴史的に見て、ある生産技術水準と人口の間には密接な関係がある。大ざっぱに言って生産技術水準が進むほど支えることのできる人口は増加する(文献3)。農耕の開始までの世界人口は500万人。これが農耕によって5億人になり、産業革命によって60億人になった(文献3)(図1))。科学も進歩しているのでこんなにひどい状態にはならない可能性もある。しかし一方で石油・石炭・天然ガスの奪い合いなどを原因として大規模な戦争が発生すれば核兵器・生物兵器・化学兵器など軍事科学も格段に進歩していることから死者の数は第二次世界大戦とは比較にならない程多くなる可能性が高い(第一次世界大戦の死者は約700万人、第二次世界大戦の死者は約5000万人)。いずれにせよかなり想像を超えた困難が予想される。すでに多くの人によって指摘されているように、これらの困難な状況を緩和するためには石油・石炭に替わる代替えエネルギーの開発が是非とも必要である。 

 

図1 産業の発展と世界人口の増加(生命と地球の歴史:丸山茂徳・磯崎行雄:

岩波新書543 271頁より:岩波書店より許可を得て転載)

 

2. 本論

  代替えエネルギーとしては太陽光発電・原子力(高速増殖炉)・核融合・バイオマス・地熱発電などが考えられているが、いずれも十分な見通しは立っていない。太陽光発電は太陽の中での核融合反応により発生する太陽光を太陽電池で受けて発電する方式であり、亜硫酸ガス、炭酸ガス等を発生しないクリーン・エネルギーである。この普及はエネルギー問題の解決に大いに役立つことが期待されている(文献4)。問題は太陽電池の価格である。現在の価格が半分〜3分の1になれば火力発電と対等になるとされている。ところで太陽電池の価格は労賃、設備償却費及、エネルギー資源を含む原料費と利潤で決められる。このうち労賃とエネルギー資源の費用を大幅に減らす具体的な方法を着想したので報告する。まず第一に労賃を減らす方法であるがこれは先進国の企業が既に行っているように開発途上国(例えば中国、インドネシア、インドなど)へ工場を移転することによって実現できる(著者は最近デジタルの腕時計を100円で買ったがこれは中国製であった。日本製の腕時計はいくら安くても1000円はする)。次にエネルギー資源の節約である。聞くところによると労賃の節約のために中国広東省の深せん(シェンチェン)で太陽電池を製造し始めているとのことである。しかしこの場合石炭をエネルギー源として太陽電池を製造しているので炭酸ガス、亜硫酸ガス発生を発生している。これは地球環境保護の観点からも石炭資源温存の上からも好ましくない。この問題を解決するには太陽電池で発生したクリーン・エネルギーを使って太陽電池を作ればよい(文献4)。太陽電池による大規模発電については従来砂漠を利用し、超高圧送電や超電導送電により世界中に送電する方法が提案されている(文献4)。しかし砂漠では砂嵐により太陽電池が砂塵で被覆されたり、すぐ損傷されてしまう(文献5)。また超高圧送電や超電導送電で世界中に送電できると言う見通しは立っていない。これら2つの問題を解決する具体的策は現在のところ無い様である。提案する方法は草原や荒地を利用する方法である(通常地面に草の占める面積が50%以上を草原、それ以下を砂漠という)。ここなら砂嵐もなく、雨量もそれほど多くないのでほぼ一年中発電ができる。 太陽電池を作るためにはこの他工業用水が必要である。例えば内蒙古の草原で発電し、黄河の水を工業用水として太陽電池を製造することが考えられる。生産した太陽電池を外国に搬出するための鉄道や水路も必要になる。これらの条件に一番合致していると思われるのは黄河の上・中流の甘粛・寧夏・内蒙古・山西・陝西省付近であろうと思われる。不毛に近い土地で太陽光発電を行って太陽電池を生産し、中国国内で使用したり、外国に輸出すればエネルギー問題の解決も含めて非常に有効であろうと思われる。太陽電池の生産以外にも、太陽光発電によって生産した電力によるアルミニウムの生産等大量の電気を必要とする工業を発展させることが考えられる。これらの工業により世界最大の開発途上国である中国は高度な工業化社会を守っているということで世界中から感謝され、また現在(石油輸出国機構)の諸国がただ同然で得ている多くの富を得ることも出きる。また先進国は開発途上国での太陽光発電による太陽電池生産を技術的・資金的に援助し、その見返りとして太陽電池を受け取る。こうして世界は仲良くなりエネルギー危機も緩和される。より長期的には、先進国は製品・技術・プラント輸出や特許などの知的情報権等の輸出により太陽電池を輸入し、太陽電池を生産する開発途上国と共存する。その他の開発途上国は資源・遺伝子資源・労働力・農作物・観光資源等を提供する。また富の分布に応じて人口の移動も起こり、共存共栄で世界の平和が保たれる。

 

図2 草原での太陽電池設置予想図:風が吹き抜けるように太陽電池は隙

間をあけて配置する。こうすると風の勢いがそがれないのでほこりが太陽

電池に付きにくくなり、風の抵抗も減らせる。また日光が草に一定の時間

照射するので草が枯れず、草原が保たれる。

 

 

3. 議論

ゴビ砂漠ではかなり草の生えているところがあり、遊牧も行われているので砂嵐

がどの程度の規模か等について調べる必要がある(文献6:98頁,文献7,文献

8)。但し多くの砂漠ではゴビ砂漠より乾燥度が高く草は少ない(文献6:78

頁)。 内モンゴルの他に草原ないし荒地が広がり、送電できる範囲内に工業用

水があるところは太陽電池製造に向いているといえる。

雨が少なく草原の広がるステップ気候は中国の他に蒙古高原、カザフスタン、南

米の乾燥パタゴニア、メキシコ、パキスタン・インド(タール砂漠)、アフリカ

(南アフリカ、アンゴラ)、オーストラリア(マーレー・ダーリング盆地)、ニ

ュジーランド等各大陸にかなりの面積を占めている(文献5)。うまくすればこ

れらの多くの地域で太陽光発電により太陽電池を安価に製造できる可能性があ

る。アメリカ等の先進国では人工衛星を利用して太陽電池で発電し、マイクロ波

で地球に送電する方法が検討されている。しかしこの実現性についてはまだ解決

しなければならない要素が多く、うまく行かない可能性もある。また世界中で使

うだけの十分な量の電力が得られるかどうかも問題である。大量の電力をマイク

ロ波で送電しようとすると空気が放電してエネルギーが輸送できないことも起

こりうる。エネルギー生産のような基本的に重要な要因の供給についての研究を

単一の方法に限って検討するというのは危険である。同時に多数の方法を検討す

る必要がある。またエネルギーを単一の方法だけで供給するというのも危険であ

る。研究された多くのエネルギー供給の方法は、たとえ若干経済効率が低くいも

のであってもできたら同時に稼働させ、一方がだめな場合には他方で補うなどで

エネルギー確保のための安全をはかるべきである。

 4. 検討すべき問題

1)草原に住む鳥、ネズミ、昆虫などの小動物、植物(陰を作る・野火が発生する)

などの生物の発電システムに対する影響とその対策(馬、牛、羊、山羊、らくだ

等の大型家畜は発電システムに接近できなくする。ネズミは電線などをかじる可

能性が大きい(文献7)。野火に対して周囲の草を刈るなどで充分な対策を立て

る(文献9)。この刈った草は干し草にして冬期の家畜の飼料として役立てる。

2)太陽電池パネルに対する風の影響。草原では風が強い。風によって衝突する砂

粒によって太陽電池の寿命が短くなる。太陽電池パネルにスリットを入れる事に

より風の抵抗を減らしたり、圧搾空気によるゴミの吹き飛ばしを容易にすること

ができると思われる。風に対する対策が十分に出来れば、より砂嵐の厳しい砂漠

での太陽光発電にも応用できる可能性が大きい。

3) 内モンゴル、モンゴル、カザフスタンの草原等では冬季の雪に対する考慮が

必要である。太陽電池を地上約1メートルに設置すれば積雪に埋もれることは

なく、太陽電池自体に対する積雪は太陽電池の傾斜が約50度なので滑り落ち

てしまうと思われる。しかし氷が付着することが考えられ、調査が必要である。

対策を立てる必要があるかもしれない。

4)砂漠を緑化して草原にし太陽光システムを設置するための方法の開発。

5)太陽電池の汚れをあまり水を使わないで落とす方法の開発(例えば圧搾空気で

吹き飛ばす・特殊な布で拭う等)。 また汚れの付きにくい太陽電池パネル表面

の材料・設置角度・形状の研究をする必要もある。

6)太陽電池製造による環境汚染をできるだけ少なくする方法の開発(文献34)。

また太陽光発電でシリコンのインゴットや太陽電池を作る最適な方法も開発す

る必要がある。

7)世界のどのような地域が太陽電池製造に向いているか。またその有効面積を算

定する(例えば世界の大きな草原や荒地の面積を調べる)。

8)あまり工業用水を使わないで太陽電池を製造する方法の開発(水が少なくて済

めば太陽光発電システムを設置した草原から太陽電池を製造する工場までの距

離を短くでき送電のロスを少なくしたり、発電システムを設置できる地域を広

げることができる:例えば水の少ないモンゴル国、カザフスタンやオーストラ

リア西岸また海水淡水化プラントと組み合わせてオーストラリア南岸のナラー

バー平原等で太陽電池が作れるようになる)。工業用水は利用効率を上げるた

め浄化して再使用することが好ましい(黄河では特に水不足が深刻である:文献

35)。

9)送電方式は地上型か地下型か?地上型は壊れやすいが壊れた場所の発見や修

理は地下式に比べて簡便。発電パネルの近くは地下式にし遠距離は地上式で送電

する等(どの程度高ければ野火の熱が届かないか?)。

10)黄砂などのほこりに対する対策(多分集積回路の部分はプラスチックで封じ

込めるなどの方法が有効であろうと思われる。スイッチ・コネクターなどの金属

の接触により電気を伝える部品には金属の接触の間に砂が入って接触不良にな

る。

そこで配線は直接半田付けないし圧着端子で直接接続し、太陽電池の接続、切り

離しのため高性能の半導体スイッチング回路の開発が必要になると思われる。

また無人遠隔操作のために携帯電話・衛星通信・GPSなどのハイテクIT技術

が役立つと思われる。

11)発電システムの他の産業(遊牧等)に対する影響とその対策(遊牧民には草

原を馬や駱駝で移動して太陽光発電システムの屋外部分や送電線等の監視・点

検・保守をしてもらう等。これは遊牧民を太陽光発電所の味方につける上でも重

要であろう)。遊牧民に小型の太陽電池を支給して生活に役立てることは点検・

保守の教育上も好ましい(文献10)。遊牧民の教育・訓練を効率的に行う必要

がある(文献11・文献12)。

12)黄河の濁った水を効率的に澄んだ工業用水に変える方法の研究・開発。黄河

 上流の比較的澄んだ水を使うか、次の揚水発電ダムの上澄みの水を使うとよい。

13)太陽光発電の電力は太陽の運行による時間的変化があり(文献13)、黄河

の水を用いた揚水発電などにより電力を平均化する。全く発電ができない夜間

は揚水発電により昼間の電力を平滑化して夜も工場を稼働するか、太陽電池や

アルミニウムの生産装置の熱容量を小さくして通電開始後短時間で装置を起

動できる様にし、夜間は稼働しないようにするかを決定する必要がある。ダム

の蒸発・ 浸透による水の損失を減らす工夫。工業用水・ 農業用水・水運用河

川水の奪い合いを解決する必要がある。季節によって黄河の水が渤海に達しな

い断流が起こっているが、流域の山に植林して水源を確保する必要がある。土

の量が多い壺口瀑布・龍門・三門峡付近及び渭河流域に揚水ダムを建設するこ

とにより 土の量を大幅 に減らす事ができ、洪水を防ぐだけでなく断流も減ら

すことができると思われる(文献18)。

 

 

図3 太陽光発電電力の時間変化と揚水発電による電力の平坦化

 

14)揚子江の三峡ダムでは大量の電力が発電できる模様であるが、送電手段を解

決する必要があると聞いている。電力を直接送るかわりに発電した電力で太陽

電池を生産し、草原での太陽光発電に用いたり、各地に輸送して太陽光発電を

し間接的に電力を送る方法があると思われる。

15)太陽電池の草原での大量使用は太陽光の吸収率が上がり、発熱する。この気

候への影響を調べる必要がある。場合によっては太陽電池の大量設置を制限す 

る必要がある。また太陽電池の大量設置は日陰を作り、草原から草が少なくな

る可能性があり、この場合も太陽電池の設置を制限する必要がある。逆に遊牧

民に太陽電池の保守をしてもらって給料を支給し、過放牧を禁止すれば砂漠化

を食い止める役に立つ(文献9)。

 

図4 電力平坦化用揚水発電ダム 黄河の水が澄み、下流で土が川底に堆

積しないため数千年にわたって人々を苦しめてきた洪水が防げる。揚水

発電用のダムを工場の近くに作れば水がたまって土が沈殿し工業用水を

作りやすくなる。ダムの底の土を多く含む重い水は汲み上げて土の堤防

を築くのに使う。この場合水と土を十分に分離しないと水が失われるた

め下流でが枯渇する断流が激しくなる。黄土の比重を1.6(文献19)と

すれば1億トンの黄土は約6.3千万立方メートルで、汲み上げる泥水が体

積率で50%の水を含んでいるとすればこれを100メートル持ち上げ

るには9.8*100*1.63*1 E11 =1.6 E14 (J)のエネルギーが必要であり、

0.44億 kWhに相当する。これは1 平方キロメートルの地面が6日間に

受け取る太陽エネルギーに相当する(地上での太陽光のエネルギーは太

陽光に垂直な面積1平方メートルあたり1.0 kW)。 

 

図5 黄河の洪水発生機構:黄河の土が河床に堆積し天井川になり洪水が

引き起こされる。また天井川になるので河水が地下に逃げ断流も増える。

 

図6 黄河:河曲付近までの上流の河水は比較的澄んでいる。黄河が南

して中流になると黄土高原に入り激しい降雨によって黄土が侵食されて水

が濁る。黄河の水に対する土の重量百分率は18%(窟野河:輸沙量{流

れる土の量}1.3億トン/年)、12%(無定河:輸沙量1.8億トン/年)、

5%(渭河:輸沙量5.3億トン/年)である(文献14、17頁、表3)。

 

16) 開発途上国も段々と豊かになるので労働賃金が上昇する。そのままの技術レ

ベルでは太陽電池の生産コストが上昇する。太陽電池のコストを抑えるため太

陽電池製造工場の自動化・無人化を推進する必要がある。

 

5. 参考文献

(1)地球の破産、小西誠一、講談社Blue Backs B1048(17頁図2.1,179頁)

1994年。

(2)飢饉-飢えと食の日本史、菊池勇夫、集英社新書0042D2000年、第2章二。

(3)生命と地球の歴史、丸山茂徳・磯崎行雄、岩波新書543271頁、1998年。

(4)新・太陽電池を使いこなす、桑野幸徳、講談社、B1246、1999年。

(5)沙漠工学、遠藤薫・安部征雄・小島紀穂、森北出版、東京、1章6頁1998年。

(6)高等地図帳(1999-2000)、二宮書店、78,94,98頁、1999年。

(7)モンゴル100の素顔、東京農業大学出版会、9頁、107頁、1998年。

(8)理解しやすい地理B、中村泰三、文英堂、158頁、1994年。

(9)草原・砂漠の生態、小泉・大黒・鞠子、共立出版、57頁、171頁、2000年。

10)放牧民に太陽光発電を普及させる、朝日新聞、2000224日、

   朝刊国際面。

11)早川吉則、算盤数字の開発:科学技術発展と社会発展のための教育改革

   (1)日中学術シンポジウム「21世紀の科学と技術」講演論文集

   91-102頁(1999年)

12)早川吉則、世界共通文字の開発:科学技術発展と社会発展のための教育改

   革(2)、日中学術シンポジウム「21世紀の科学と技術」講演論文集

   103-114頁(1999年)

13)新井栄一、一般家庭の屋根に設置された太陽光発電設備の実績、エネルギ

ー・資源、22巻2号、56-59頁、2001年。

14)川と生活シリーズ-黄河、K.J.グレゴリー(松尾・相沢)帝国書院、1987年。

15)大黄河_悠久の旅、NHK出版、1987年。

16)早川吉則、草原での太陽光発電による太陽電池の生産(第17版)

  「留日学人与二十一世紀中国発展國際研討会」、2000年9月30日、

  東京工業大学百年記念館

17)早川吉則、黄河の草原での太陽光発電による太陽電池の生産(第20版)

   -エネルギー危機緩和と洪水防止のための試案- 、2000年12月1日

   インターネット発表http://www.jcic.co.jp/OBCS/sjis/conference/conference03_program.htm#5.材料及び工程技術部門

(18)しにか、2001年1月号、特集黄河(中華のシンボル・その歴史と現在)、

  大修館書店、14〜23頁、黄河-その風土と地理的環境-、秋山元秀。

(19)黄土高原降雨侵食産沙与黄河輸沙、王万忠・焦菊英、科学出版社、1996年

(20) 黄土高原区域環境地質問題及治理。張宗枯 等、科学出版社、1996年。黄河断面地図 111頁図32.

(21) 黄河流域環境演変与水沙運行規律研究、叶青超、山東科学技術出版社、1994。

(22) 黄土高原地区農業気候資源図集、中国科学院黄土高原総合考察隊、

  気象出版社、1990年。

(23) 陝西黄土工程地質性質研究、陝西省地礦産局第2水文地質隊 陳雲、

  地質出版社、27頁 表14,1985年。

(24)中国沙区草地、張強・趙雪・趙哈林編著、中国生態系統研究网絡叢書、気象

  出版社、北京、1998年。

(25)モンゴルに暮らす、一ノ瀬恵、岩波新書194、東京、1991年。

(26) モンゴルの春、小長谷有紀、河出書房新社、1991年。

(27) 日本の電気料金はなぜ高い-揚水発電がいらない理由-、田中優、北斗出版、

   2000年。

(28) 地球の資源ウソ・ホント、井田徹治、講談社BLUE BACKS B1316、東京、。

(29)新太陽エネルギー利用ハンドブック、新太陽エネルギー利用ハンドブック編  

  集委員会、日本太陽エネルギー学会、東京、2001年。

(30) 太陽光発電、濱川圭弘編、シー・エム・シー、東京、2000年。

(31) 薄膜太陽電池の基礎と応用、小長井誠編著、オーム社、東京、2001年。

(32) 西部生態、奚国金・張、中共中央党校出版社、北京、2000年。

(33) 早川吉則、黄河の草原での太陽光発電による太陽電池の生産(第21版)

   -エネルギー危機緩和と洪水防止のための試案- 、桐蔭論叢、第8号、 

   2001年6月、 139−146頁。

(34) IT汚染、吉田文和、岩波新書741、岩波書店、2001年。

(35) 地球環境報告2、石 弘之、岩波新書592、岩波書店、2001年。

   

              [Summary] 

Petroleum seems to be lost within 45 years. The energy source that is to replace petroleum is not developed yet. Even if coal lasts longer, the green house effect prevents further usage of fossil fuel. If energy shortage happens, the present highly technology dependent society loses its basis, i.e., energy source. As present agriculture, fishery, and commerce is highly dependent on energy source, the world population seem to decrease to 1 or 2 billion (on 1800,the world population was about 1.0 billion, on 1900,1.6 billion and on 1950, 2.5 billion). Therefore approximately 4 to 5 billion people seem to perish due to hunger or due to diseases related to malnutrition. It may be probable that the casualty may be smaller as the sciences are developed compared to those ages. In any way, a kind of catastrophe is to be expected, if we do not find suitable substituting energy source to fossil fuel. Sun light power generation in the desert has been already been reported. But due to severe climate in the desert such as sandstorms, the system seems to be destroyed. The author proposes sun light power generation in grassland using the Yellow River as industrial water source. To flatten the electric power output of solar batteries pumping-up power plants are required. The lake for the plants precipitates soils of Yellow River, which is to be removed electrically, and prevent, further precipitation in the down stream. That will prevent flood in Yellow River. The solar batteries are to be used in China or are to be exported to the world.

 

 

 

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