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1 南山大学 人間と環境 2018 年 4 月 23 日 人間と環境 5 - 光技術 5 光エネルギーとその利用 - 豊田工業大学神谷格 kamiya@toyota-ti.ac.jp 1

2 エネルギー変換とは? 粒子 - 物質の相互作用 吸収 ( 電子遷移 ), 蛍光, 散乱, 透過, etc. 物質 ( の電子状態 ), 大きさ 形状, 光の波長, etc に依存 2

3 エネルギー保存則 運動エネルギー : E K (kinetic energy) 位置エネルギー : E P (potential energy) E K + E P = const ( 一定 ) 3

4 エネルギー保存則 EE KK = mmmm22 EE PP = mmmmmm EE KK + EE PP = mmmm22 + mmmmmm = cccccccccc mmvv HH 22 + mmmmhh HH = mmvv PP 22 + mmmmhh 22 PP 4

5 水力発電 下掛け水車方式の小水力発電システム概要図 出典 : 学校における新エネルギー活用に関するガイドブック ( 文部科学省 ) 5

6 電磁誘導 6

7 電磁誘導 Youtube より 7

8 発電機 モーターの原理 8

9 発電機 モーターの原理 Youtube より 9

10 水力発電 10

11 熱力学第一法則 : エネルギー保存則 内部エネルギー : U 熱量 : Q 仕事 : W ΔU = Q W = Q pδv 入ったエネルギーから外に対してした仕事を引くと 内部エネルギーの増加分となる 11

12 蒸気機関

13 蒸気機関の動作 Youtube より 13

14 火力発電 14

15 原子力発電 15

16 原子力発電 EE = mmmm 22 Einstein の相対性理論から導出 質量のエネルギーへの変換 : 質量とエネルギーの等価性 c: 光速度 m/s 1kg 消滅したならば (ref. 広島原爆で 0.7g) EE = mmmm 22 = 11 kkkk ( ) 2 [m 2 /s 2 ] = [J] = [kwh] 日本の 1 年のエネルギー消費量 [kwh] 福島第一原発 : 46 万 kw 1 時間で [kwh] 1 年 : [kwh] 24[h/day] 365[day/yr] ~ [kwh] 約 250 台必要 一般家庭 : 1 年 4,936 [kwh] ( 日本エネルギー経済研究所 2016) 平均 563W の電気を使い続けている事に 16

17 原子力発電 17

18 原子力発電 加圧水型 (Pressurized Water Reactor : PWR) 加圧水で熱変換された蒸気でタービンを回す西日本 ( 三菱重工 WH( 東芝 )) 沸騰水型 (Boiling Water Reactor : BWR) 蒸気で直接タービンを回す東日本 ( 東芝 日立 GE) 18

19 発電の供給割合 ( 日本 ) ( 出所 ) 経済産業省エネルギー庁 エネルギー白書

20 世界のエネルギー消費量 20

21 国民一人あたりの電力消費量 世界の 1 年のエネルギー消費量 [kwh] 従って 原理的には約 86kg の変換で賄われる 21

22 Matka (India) & Zeer Pot (Nigeria)

23 Zeer Pot 23

24 太陽光 太陽光発電協会 24

25 光の色と波長 25

26 人の色覚 28

27 人の色覚 29

28 人の錐体と感度 30

29 分光と白色光

30 単色光 白色光 32

31 白熱灯 vs. LED 33

32 LED の原理 Youtube より 34

33 LED の発光の原理 35

34 LED の原料 ( 半導体 ) 36

35 白色 LED の原理 37

36 光源の明るさの定義 39

37 オームの法則と消費電力 V = I R 電圧電流抵抗 水の流れに例えると水圧水流流路挟 W = V I = I 2 R 電力電圧電流 40

38 オームの法則と消費電力 V[V]: 電圧 - 電子のポテンシャルの落差 I[A]: 電流 単位時間に流れる電子の量 [C/s] C: Coulomb 電子 1 個の持つ電荷量は [C] 1[C] とは 個の電子に相当 1[A] とは [ 個 /s] の電子の流れ抵抗 [Ω]: 流路の狭さ ( 流れ難さ ) W = V I = I 2 R 電力電圧電流 41

39 オームの法則と消費電力 W = V I = I 2 R = V 2 /R 電力電圧電流 100V で 消費電力が 600W の電子レンジの電流は? 家庭用の白熱灯や蛍光灯の消費電力はどの位? LED の消費電力はどの位? 家電製品で消費電力が大きいのは? またどの位? 一般家庭の契約電流量は? どの位の家電が使える? 42

40 白色 LED の明るさ 43

41 LED 電力消費値の謎 44

42 光を光のまま活用 Before After 45

43 光を光のまま活用 46

44 光を光のまま活用 採光ブラインド 47

45 南山大学 生命と環境 2018 年 4 月 23 日 人間と環境 5 - 光技術 6 太陽電池 - 豊田工業大学神谷格 kamiya@toyota-ti.ac.jp 48

46 太陽光エネルギーの使われ方 太陽光発電協会 49

47 家庭用太陽光発電 50

48 太陽電池とは何か? 51

49 大規模太陽発電 53

50 恒星の明るさと温度 54

51 恒星の明るさと温度 55

52 黒体輻射 (Planck の放射式 ) 56

53 恒星の明るさと温度 57

54 太陽光スペクトル 58

55 光の波長とエネルギー EE[eeee] = λλ [nnnn] 光 1 粒 ( 光子 ) のエネルギー 59

56 太陽光発電 ( 太陽電池 ) の原理

57 太陽光発電 ( 太陽電池 ) の原理 research1/research1.html 61

58 発電機 モーターの原理 E E V Barrier Well n=3 E 2 2 π = 2 2 ml ev E 2 E 1 Conduction Band Minimum n=2 E 2 2 π = 2 2 ml 2 4 AlGaAs 1.5 ev 0.06 ev H 1 GaAs AlGaAs Valence Band Maximum 0 n=1 0 L E 1 = 2 2 π 2 2mL x E y x 2 nπ ψ ( x) = sin x L L E n 2 2 π = n 2 2mL 2 62

59 半導体光デバイスの原理 E E g E g Photoconductance Photoluminescence 63

60 半導体光デバイスの原理 E E g E g Conduction Electroluminescence 64

61 太陽電池の原理 Youtube より 65

62 太陽電池の種類 66

63 太陽電池の種類 電子デバイス産業新聞 67

64 Si 太陽電池の種類 68

65 半導体の格子定数とバンドギャップ 69

66 太陽電池の種類とシェア 70

67 タンデム太陽電池 変換効率 ~40% 71

68 太陽電池効率向上の歴史 72

69 太陽電池市場とシェア Strategic Energy Technologies Information System, European Commission 73

70 太陽電池市場とシェア 電子デバイス産業新聞 74

71 太陽電池市場とシェア 2008 年太陽電池シェア 75

72 太陽電池市場とシェア 76

73 人類のエネルギー消費量の推移 77

74 主要国エネルギー消費量推移 78

75 太陽光発電の一日の推移 79

76 太陽光の総合的利用 80

77 太陽光の総合的利用 81

78 光エネルギー変換 基本的に電子過程光 - 電子 電子 - 光は勿論光 - 光も物質の電子状態が関わっている 有用な物質 : 半導体 伝導帯と価電子帯 その間にバンドギャップ この値は半導体により決まっている 適切な半導体の選択で 機能 ( 例えば色 ) や効率決定 光エネルギーの利用は太陽電池には限定されない 波長により適切な応用 エネルギーの無駄を考慮 82

79 講義ノート レポート課題 Lectures 南山大学 (Undergraduate) 人間と環境 5 (2018 年 4 月 ) 83

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