【新エネルギーの応用】太陽光高速道路建設の総合的解説

二、太陽光エネルギー高速道路の意味 1、意味 所謂太陽光エネルギー高速道路とは、高速道路の路面や沿道の施設、そして周辺の環境を活用して太陽光発電を行い、道路施設自体や沿道の住民に電力を供給するものである。 2、理論的構想　太陽光発電高速道路の理論的構想とは、太陽電池アレイを高速道路の路面に埋め込み、高速道路の路面を敷設するための新しい光学材料を探すことである。この新しい種類の路面材料（透明なセラミックや集光レンズなど）は、高速道路での走行要件を満たすと同時に、太陽光の透過および集光機能も果たし、その下に敷設された太陽光発電パネルが太陽光の放射を受け取れるようにするものです。つまり、中間層と最上層の両者の相乗効果によって高速道路の設計基準を満たし、高速道路での走行安全を確保する必要があるのです。 三、我が国の太陽エネルギー資源についての簡単な説明　ご存知の通り、太陽エネルギーは使い続けても尽きることのない、クリーンなエネルギー資源です。計算によると、1秒間に太陽放射が地球表面に到達するエネルギーは8.0×1013kWにも上り、これは550万トンの標準石炭を燃焼させた際に生じるエネルギーに相当する。我が国の陸上表面が毎年受け取る太陽エネルギーは、1700億トンの標準石炭に相当する。 我が国の太陽エネルギー資源は非常に豊富で、全国の3分の2以上の地域で、年間の日射時間が2000時間以上です。しかし、太陽光は非常に分散しているためエネルギー流束密度が低く、地表に到達する太陽光の強度は1平方メートルあたり約1000W程度です。

四、海外の動向 1、アメリカ アメリカは太陽光高速道路の研究を最も早く行った**である。 2006年、アメリカのアイダホ州に住む科学者夫妻であるスコット・ブラッショーとジュリーが、従来のアスファルトの代わりに太陽光パネルを使用していわゆる「太陽光道路」を建設するという構想を初めて提唱し、アメリカ連邦高速道路局から研究開発資金の支援を受けました。 2009年、彼らは太陽光パネルを用いた道路プロトタイプの製造に充てる最初の**補助金を受け取った。2013年の春、ブルーソ夫妻は試験的なプロジェクトを開始し、アイダホ州サンドポイント市に太陽光パネルを使った屋外駐車場を建設しました。スコットは、駐車場がLED光源や発電システムの試験に最適な場所だと考えている。方向矢印や駐車線を再設定することで駐車の混雑に対応でき、また生成された電力は周辺の企業に供給することができる。そのため、地元は彼らに75万ドルの報酬を与えました。 現在、このような太陽光道路を普及させる上で最大の障害は、工事にかかる投資が大きく、コストが高すぎることです。 アメリカのエネルギー省は、研究開発を担当する太陽光発電道路の企業に資金を提供しており、生産コストを大幅に削減し、太陽光発電高速道路を現実のものとして早期に運用できるようにしようとしている。 2、イタリア　世界で最初に高速道路を建設したイタリアは、また新たな先駆的な取り組みを行うことになる。カターニア－シラクーザA18高速道路（シチリア島の600キロメートルに及ぶ高速道路網に新たに加わる30キロメートルの道路）は、完全に太陽エネルギーを動力源とする高速道路となり、世界初の太陽エネルギー駆動の高速道路となるでしょう。 3、オランダ オランダは一般道路に太陽光パネルを設置しようとしている。 オランダ応用科学アカデミーは「ソーラーロード」プロジェクトチームを設立し、新しいタイプの太陽電池システムを開発した。このシステムでは、集光装置を用いて道路表面で吸収された太陽光を、小型で高効率な太陽電池に集中させる。彼らの太陽光発電装置は、アームストロング近郊の小さな町で試験的な道路舗装が行われる予定だ。 研究者たちの推定によると、彼らが敷設した太陽光発電道路は、1平方メートルあたり年間約50キロワット時の電力を生み出すことができ、オランダの各家庭の年間電力消費量は3500キロワット時である。 4、イギリス　世界初の全国的な高速道路用電気自動車充電ステーションネットワークで、2011年9月にイギリスで運用が開始された。この**の太陽光発電式充電ステーションは既に12か所の高速道路サービスエリアに設置されており、さらに18か所のサービスエリアで無料の充電ステーションが稼働する予定です。 この措置により、電気自動車が初めてイギリスのどこへでも走行できるようになる。充電ステーションのネットワークは、Ecotricity環境エネルギー社が建設を担当しており、同社の創業者は次のように述べている。「統計データによると、電気自動車は都市部で走行する際に途中で充電する必要はなく、実際に充電が必要なのは都市間を結ぶ高速道路です。」” 5、ドイツ：2010年11月16日の報道によると、ドイツのアッシャーフェンブルク高速道路に太陽光発電パネルが設置され、余っているスペースが有効活用されている。これはドイツで最も重要な太陽光発電プロジェクトである。 ドイツの高速道路のトンネルに16,000枚の太陽光パネルが設置され、2.8メガワットの電力を供給する。この計画には1100万ユーロの投資が必要で、投資回収までに16年かかる。 6、スイス　1989年、スイスは最初の太陽光発電式音響遮断システムを構築しました。これにより騒音低減効果を確保しつつ、太陽光エネルギーも活用できるようになりました。現在、ドイツ、イギリス、フランス、イタリアなど**は、太陽光エネルギーを利用した音響障壁の試用を始めています。 7、ベルギー　ヨーロッパのEnfinity社は、ベルギーの第4高速道路（HSL4）沿いにある鉄道トンネルに、長さ2.1マイル（約3.6キロメートル）もの太陽光発電システムを設置しました。このシステムは16,000枚の太陽光パネルを使用しており、総面積は50,000平方メートル（サッカー場約8つ分）で、総建設費用は2,100万ドルです。太陽光発電で得られた電力は、照明や暖房などの鉄道インフラに利用されており、さらにアントワープ中央駅周辺の電力需要の半分も賄っている。1年間の発電量は3300メガワット時で、約1000世帯が使用でき、1年間で2400トンの二酸化炭素排出を削減できる。 8、オーストラリア　オーストラリアの持続可能エネルギー企業GoingSolarは、太陽光パネルを高速道路の防音壁に組み込んでいる。GoingSolarの最初の高速道路プロジェクトは、タラマリン・カルダー高速道路で実施され、この太陽光パネル製の遮音壁の長さは500メートルに及びます。 9、日本　2013年、日本の佐賀県は、太陽光パネルを活用して発電事業を行う事業者に対し、同県が管理する高規格道路の路盤斜面を無料で利用できる許可を与える方針だった。発電施設が設置される場所は、有明海沿岸道路の久保田インターチェンジ付近から福所江大橋までの約2キロに及ぶ南側の斜面です。

五、国内の概要 我が国の一部地域の高速道路では、監視システムの一部の屋外機器に太陽光発電を利用して電力を供給している。電力供給が開始されたのは、全監視システム内のカメラやマイクロ波検出器など、消費電力が少ない機器のみでした。昨年から、京港澳高速道路の改築拡張工事における石安区間の新設区間である邯鄲東南環路（38キロメートル）では、すべての屋外用機械電気設備に太陽光エネルギーを利用して電力を供給しており、これにより幹線道路の「ケーブルなし化」を実現し、運輸省や地方政府が掲げる「国内でトップクラス、世界レベルの」先進的な技術モデル道路という目標を真に達成している。現在、この工事は建設中で、5月には完成する見込みです。 全体的に見ると、国内ではまだどの部門や機関も太陽光高速道路の実現に向けた構想や計画を提案しておらず、ましてや研究や探求、パイロット事業を行うことなど到底あり得ない。それでもなお、すでにいくつかの地域の高速道路では、サービスエリア、料金所、トンネル、音響壁などの沿道施設を活用して太陽光発電システムを導入し、施設内の電力供給や照明、暖房に利用しており、顕著な経済的効果や省エネ・環境保護の効果を上げている。 以下の例は、その一部に過ぎません。 1、河南省：2011年9月、京港澳高速道路の安陽サービスエリアにて、60キロワット（Wp）の太陽光発電所が建設され、送電が開始されました。この発電所は、国内で初めての太陽光発電所であり、年間85,850キロワット時の電力を生産し、標準石炭780トン分の節約が可能です。25年間安定して運転される見込みです。 2、陝西省　2014年1月、「十天高速」陝西区間の西郷県茶条嶺にある110キロワットの太陽光発電所プロジェクトが、送電網への接続および完工検査を終えました。このプロジェクトはユーザー側での並列発電方式を採用しており、年間の発電量は15.04万キロワット時と見込まれています。発電された電力は主に茶条嶺トンネル内の照明や動力供給に使用され、トンネルの電力供給において重要な役割を果たし、毎年15万元の費用削減が可能になります。発電所を25年間運営することで、標準石炭1466トンを節約でき、二酸化炭素排出量は3749トン削減され、二酸化硫黄の排出量は113トン削減される。 3、福建省では、永武高速道路の第1期区間において、金雞嶺トンネルの太陽光発電システムと閩粵メインラインステーションの太陽光発電システムを建設しました。 4、四川省　2012年5月の報道によると、四川省で初めて太陽光発電システムを導入した高速道路サービスエリアのガソリンスタンドが、盐边に開設されました。これは四川省内で初めてのことです。 このプロジェクトは、攀西高速の新九段付近にある攀枝花サービスエリア内に位置し、164枚の太陽光発電パネルを用いて30キロワットの太陽光発電システムを構成しています。このプロジェクトは、主に20キロワットのマイクログリッド固定型システムと10キロワットのマイクログリッド追従型システムで構成されており、総投資額は135万元、総設備容量は30キロワットです。1日あたりの消費電力は15キロワットから20キロワット程度になる見込みで、すべて高速道路の攀枝花サービスエリア内のガソリンスタンドの運営や照明に供給されます。 5、その他　2011年以降、国内でもいくつかの企業が太陽光発電式音響遮断壁や太陽光発電式駐車シェードの研究開発、製造、普及活動を始めている。 太陽エネルギーの最大の利点の一つは、規模に関係なくほぼどこでも利用できることです。道路の両側にある遮音板が十分に活用されておらず、さらに道路用の音響障壁には日当たりの良いスペースが多く存在するため、高速道路の音響障壁に太陽光発電パネルを取り付けることは間違いなく最良の選択肢である。

六、コストと効果について 1、コストの見積もり 海外で既に建設された太陽光高速道路は非常に少なく、多くがまだ模索や試験段階にあるため、正確なコストの見積もりは困難である。筆者は参考として、海外の断片的なデータをいくつか収集したに過ぎない。 「太陽光道路」という構想を提唱したブルッソ夫妻は、太陽光道路のコストは通常の道路建設費の約3倍になると考えている。 概して、海外の実験的な太陽光発電高速道路の舗装コストは1平方メートルあたり約500ドルです。この計算によると、車線1本あたりの建設費は175万ドルで、4車線の太陽光発電高速道路の1キロメートルあたりの建設費は700万ドルとなり、現在の為替レートで約4400万人民元に相当します。 劉漢元委員の試算によると、現在の建設水準では、1キロメートルあたりの車線に太陽光発電所を建設するコストは230万元前後に抑えられるという。 2、効果の状況 現在、海外には完全で真の意味での太陽光発電高速道路や太陽光発電道路がまだ建設されていないため、正確な効果データは存在しない。ほとんどが推定や見積もりに過ぎないが、参考としては利用可能である。 社会的な利益については、環境保護、グリーン、省エネ、安全性、広大な土地の節約、さらには市電と連系して住民向けの電力供給が可能になるなど、誰もが認めている点です。経済的効果については、先の説明で一部触れましたが、発電量はどれくらいか、標準石炭や石油を何トン節約できるか、二酸化炭素の排出量は何トン削減できるかです……；現行の補助金や脱硫電力価格に基づいて、年間にどれだけの億円規模の経済効果が生まれるかなどを算出する。 参考までに、いくつかの予測データを挙げます：1）海外の状況 – アメリカでは、長さ1キロメートルの4車線の高速道路が発電する電力は、300世帯が使用できる量です。 -アメリカのカリフォルニア州にある101号線上の7基の太陽光発電用高架橋では、その太陽光発電システムによって15メガワットの電力が生み出されている。 -イタリアのA18は全長30キロメートルで、沿線に設置された太陽光発電装置が、沿線の80万件の施設の電力需要を100％賄うことになる。路面に設置された太陽光発電装置は、年間1200万キロワット時の電力を生み出し、これは年間31万トンの石油節約に相当し、二酸化炭素排出量も10万トン削減することになる。 -オランダで敷設されている太陽光発電道路は、1平方メートルあたり約50キロワット時の電力を生み出す。オランダの各家庭の年間電力消費量は3500キロワット時なので、70平方メートルの太陽光発電道路であれば、1世帯分の電力を供給できる。 ………… 2）国内の状況　劉漢元委員によると、2012年末時点で我が国の高速道路の総延長は9.62万キロメートルに達し、全国の高速道路の車線延長は42.46万キロメートルであった。車線1本あたり3.5メートルとして計算すると、1車線の空間面積は約3500平方メートルです。実際の設置容量を15平方メートル/キロワットとすると、1キロメートルあたりの太陽光発電容量は230キロワットとなる。また、全国の高速道路の車線の総面積だけでも14億8600万平方メートルに達しており、これらを活用して太陽光発電所を建設すれば、総発電容量は約1000億ワットになる；たとえ高速道路の50％しか設置条件を備えていなくても、設置可能な発電容量は500億ワットに達し、これは国内の既存の総発電容量をはるかに上回る。年間の発電量は490億キロワット時に達し、これは国内の年間消費量の約9％に相当する。また、毎年1953万トンの標準石炭を節約でき、二酸化炭素の排出量も5200万トン削減できる。現在の補助金や脱硫電力料金を基準にすると、毎年450億円の経済的効果が直接生まれる。 高速道路に太陽光発電所を建設すると、単一車線あたりで年間約25万円の収益が得られるが、同じ単一車線あたりの1キロメートルの農地では年間の収益は約2000円程度に過ぎない。 劉漢元は、我が国の高速道路沿線やそのサービスエリア、駐車場を十分に活用し、太陽光発電所の建設を推進することで、高速道路沿線の通信施設や映像監視システム、サービスエリアなどの運用に必要な電力を賄うことができると述べた。“太陽光発電所の物理的な構造は、高速道路の日よけや雨よけとしても機能し、強い光が運転手を目まいさせるのを防ぐことができる。また、高速道路の予防的なメンテナンスは、メンテナンスコストを削減し、道路の性能低下によって悪質な交通事故が発生するリスクを低減する上で重要な意味を持つ。”

七、主な問題点 上述の通り、太陽光高速道路を実現するためには、路面構造と建設コストという2つの重要な問題を解決しなければならない。 1、路面材料の探求 これまでに説明したように、太陽光発電高速道路の路面は3層構造であり、その最上層が透明な保護層です。この層には2つの機能があります。1つは内部の太陽光発電パネルを保護すること、もう1つは太陽光を透過させることです；二つ目は、路面にかかるさまざまな荷重が正常に通過できるようにすること、つまり、硬さ、粗さ、摩擦力など、路面として求められるあらゆる条件を満たす必要がある。 これにより、太陽光高速道路の路面は、規定された交通ニーズ（十分な強度、安定性、耐久性、そして平坦性や滑り止め性能など）を満たすと同時に、十分な太陽光の放射量を受け取ること、つまり太陽光発電パネルの変換効率を確保することも求められる。 現在、海外の科学技術者たちが、この特殊な新型の路面用光学材料の研究と探求を行っている。報道によると、上記の要件を満たす可能性が最も高いのは、透明セラミックス、集光レンズ、または強化ガラスなどだとされています。 透明セラミックスは、ガラスのように透明な光学セラミックスです。透明セラミックスは機械的強度と硬度が非常に高く、高い温度にも耐えられ、1000度という高温でも軟化したり変形したり結晶化したりしません。絶縁性能と化学的安定性はどちらも非常に高い。 報道によると、ブルッソ夫妻は何度もの試行を経て、高硬度で凸凹構造を持つガラスを用いた太陽光発電パネル用の路面を開発することに成功した。この特殊なガラスは、従来のガラスとは大きく異なります。 現在、海外の一部の機関では、太陽光高速道路で使用される透明なセラミックスや集光レンズを開発するための研究が行われている。 2、コストが高い 太陽光高速道路の高い建設コストは、その発展や普及を妨げる主要な要因の一つである。報道によると、海外の実験的な太陽光発電高速道路の舗装コストは、1平方メートルあたり約500ドルだという。この計算によると、車線1本あたりの建設費は175万ドルで、4車線の太陽光発電高速道路の1キロメートルあたりの建設費は700万ドルとなり、現在の為替レートで約4400万人民元に相当します。 アメリカの関連機関はかつて、もしアメリカのすべての道路を太陽光発電道路にできれば、アメリカのエネルギーは石油依存から脱却できる見通しだが、控えめな見積もりでも敷設コストは数兆ドルに上るだろうと試算したことがあるしたがって、**太陽光発電パネルのコストを下げることによってのみ、上記の計画は真に実現可能となる。 劉漢元委員によると、現在の建設水準では、1キロメートルあたりの車線型太陽光発電所の建設コストは230万元前後に抑えられるという。 3、路面のメンテナンスが複雑 補助電力高速道路の路面メンテナンスでは、主に2つの問題が考慮される。すなわち、路面の損傷修復と、透光面（透明セラミックまたは集光レンズ）の定期的な清掃である。太陽光高速道路の路面は独立したユニットとして構成されているため、メンテナンス作業は比較的簡単で、破損したユニットを交換するだけです。透光面の日常的な清掃作業は、太陽光発電パネルの変換効率を確保するために重要であり、具体的な方法は状況に応じて適宜決定される。 4、安全上の問題 安全上の問題には、破壊（人為的な破壊と自然的な破壊）や盗難など、大きく2つのカテゴリーがあります。一般的に、高速道路の外部施設にはこの問題が存在し、これは共通の問題です。我が国の社会主義精神文明建設が着実に進み、人々の資質が向上し、さらに効果的な監視措置もあるため、このような問題は絶えず解決されていくものと信じられる。 2014年、**エネルギー局は「分散型太陽光発電に関する政策のさらなる実施についての通知」（国能新能406号）を発表し、さまざまな形態の分散型太陽光発電の導入を奨励した。通知では、「駅（高速鉄道駅を含む）、高速道路のサービスエリア、空港のターミナルビル、大規模な複合交通ハブ施設、大規模なスポーツ施設、駐車場などの公共施設において太陽光発電の導入を推進すること」、「地域の状況に応じて、廃棄地や荒れ地、農業用ビニールハウス、干潟、養魚池、湖などを活用して、その場で電力を消費できる分散型太陽光発電所を建設すること」が提案されている。 これにより、**分散型太陽光発電は大いに奨励・支援されており、近年多くの関連する政策や規制が制定されていることがわかる。 技術水準の継続的な向上や研究開発への投資が増えるにつれて、重要な技術的課題や材料も徐々に解決されていくでしょう。その結果、太陽光エネルギーを利用した高速道路の建設コストも次第に低下していくはずです。間もなく、我が国の地に初めての太陽光エネルギーを利用した高速道路が誕生することでしょう。筆者は、関係する主管部門や機関に対し、この問題を重視し、関係者を集めて研究や検討を行い、実現の可能性を論証し、既存の条件に基づいて必要な試験的導入を行い、段階的に普及させるよう提言する。 参考資料：1、劉漢元が国内の高速道路を活用して太陽光発電所を建設、新浪財経2013.3.3　2、欧英雷が高速道路を活用した太陽光発電の構想、広東科学技術2012.8:218～219