太陽光発電システムを活かした教育実践報告
愛知県立佐織工業高等学校
電子工学科 永坂 勝弘
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はじめに
本校では、平成２２年度に太陽光発電設備の設置する工事が行われた。そこで、太陽光発電における入射エネルギーとしての太陽光の出力特性や出力測定方法などについて調査研究を行った。さらには、太陽光発電について授業にも取り入れ、仕組みを理解するために、製造工程が簡単で、初期費用がかからない色素増感太陽電池を製作した。
生徒に、ものづくり体験の機会を増やし、楽しさや面白さを体感させ、さらに、人前で話をしたり発表したりすることが苦手な生徒が、自身の活動をまとめ、発表や意見交換できることを目的として行った教育実践について報告する。
２ 太陽光発電設備について
本校武道場の北側に太陽光発電設備（ソーラーパネル出力１０ｋＷが）が設置された。（写真１）装置の大きさは、縦４ｍ、横１５ｍでソーラーパネルが５６枚取り付けられている。また、本校正面玄関には、発電電力量を表示するパネル（写真２）が取り付けられ、発電電力量がすぐにわかるようになっている。

写真１ 太陽光発電設備
写真２ 発電電力量を表示するパネル
３ 太陽電池の仕組み（図１）光
太陽電池は、表面近くに作ったｐ－ｎ接合部に太陽光が入ると、電子、ホールが発生する。ｐ－ｎ接合では、ｐ型は電子を引き寄せ、ｎ型は正孔を引き寄せる。つまり接合部では電子と正孔が対になった領域が生まれる。ここに、光が照射されると電子が自由になり、ｎ型半導体に集まる。正電流
孔はｐ型半導体に集まる。すると電位が発生して、図１ 太陽電池の構造負荷を接続すると電流が流れる。
４ 気象観測について
日射量は季節や天候の影響を受けやすいので気象観測は無視できない存在となる。そこで、日射量と気象要素との相関解析を行うために本研究では、気象観測を行った。
観測項目は、雲形・雲高・雲厚・雲量・視程・天候そして日射の有無である。
(1) 雲の分類
普通用いられる雲形は１０の類による基本形で１０種雲形（雲級）と呼ばれる。
雲形は、ア どのくらいの高さにあるか。
イ 形、広がり、明るさはどうか。
ウ 水滴かそれとも氷晶からできているか。などの３つの観点から分類される。
１０種類雲形のうち、層という字のついた雲は、巻層雲、高層雲、乱層雲、層積雲、層雲の５種類である。厚さや浮かんでいる高さは違うが、乱層雲以外は薄板状あるいはヴェール状の形をしており、主として斜面をはい上がる上昇気流に伴って発生する。温暖前線には、この種の雲が現れる。（写真４、写真５）-1-

積という字のついた雲は、巻積雲、高積雲、層積雲、積雲、積乱雲の５種類である。このう
ち積雲や積乱雲は非常に厚い雲で鉛直な上昇気流の起こるところでは、強い対流や寒冷前線の付近に現れる。これらはいずれも団塊状になって現れるのが特徴である。（写真３）
巻という字のついた雲は、巻雲、巻積雲、巻層雲の３種である。いずれも非常に高い低温な所で発生するために薄く微小な氷の結晶でできているのが特徴である。（写真６）
乱という字についた雲は、乱層雲と積乱雲の２種である。これは、雲の底が積雲のようにはっきりしていないので乱れていること。また、雲厚が厚く雨などをよく降らせることが特徴である。

写真３高積雲（h22.10.16） 写真４層雲（h23.05.11） 写真５乱層雲（h23.05.09） 写真６巻雲（h22.10.18）(2) 雲 厚雲厚とは、大気中に発生した雲の厚さを言う。大気中に発生する雲の形は雲の量には関係ない。しかし、雲の厚さによって全天散乱日射量は大きく変わってしまう。つまり、太陽からの日射は雲によって散乱されてしまうからである。このために、全天散乱日射量は雲の厚さによっても影響されることを考慮して、本研究では雲厚を３段階（薄・中・厚）に分けたので個々の見方による誤差はまぬがれない。
(3) 雲 量空を占める雲の面積の全天に対する割合を雲量という。雲形あるいは層別の雲量を部分雲量、これに対して、すべての雲量を全雲量という。雲の重なりを考えるため部分雲量の和が常に全雲量になるとは限らない。
雲量を数量的に表すには、空に全然雲のない場合を０、隙間なく雲でおおわれている場合を１０、その間を１～９までの階級に分ける１０分法が用いられる。全雲量が１以下のときを快晴、２～８のときを晴れ、９以上を曇りという。
しかし、実際の観測では、０～１０の１０分法を１０％おきに０～１００％で表す。これは、全天を２等分か４等分してそれぞれの中の雲量を合計すればよい。例えば、２割と見たら雲量を２０％とする。このように雲量は、目分量で表すので、人によって±１０％程度の誤差はまぬがれない。
(4) 視 程視程は、距離を正確に表すのが最も良いが、通常は適当な目標物が得られないことが多い。
したがって観測が困難な場合が多いので表１のように、視程階級表によって視程の目標を定め、視程階級によって視程を測定した。（Mapion 地図データ参照）
表１に本校で定めた視程階級表に対する指標物およびその推定距離を示す。
表１ 視程階級

図２ 本校～一宮ツインタワー（17.3km）(5) 天 候
天候は前述のように雲量と関連づけられる。種類と説明は、表２に示す。

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表２

天候の種類

(6) 気象観測項目について（表３、表４）
本研究においての観測項目としては、８時、１０時、１２時、１４時、１６時に視程、雲量、雲厚、天候、雲の種類と太陽光発電設備の発電電力量の測定を行った。
（気象観測開始日は、平成２２年４月１９日（月））表３ 気象観測記録用紙（№１）
表４ 気象観測記録用紙（№２）

５気象条件や時刻との関係
太陽光強度は晴天、曇天、雨天などにより著しく変化するので、発電能力もそれに従って変化することがわかった。少々の雨や曇り空でも拡散光によってかなり電力は得られた。
また、時刻によって光の入射方向が変化するとセル出力も変化する。入射方向がセル平面に垂直のときが最大で、同一面方向の時が最低になる。このことから本研究の結果、正午前後が最大出力になることがわかる。以上のことを図にして示す。

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６

電力量と雲量との関係
平成２２年４月から平成２２年１２月までの１年間で、快晴、晴れ、くもり、雨の日の天候をそれぞれ抜き出して１日の時間（８時、１０時、１２時、１４時、１６時）の経過に対する電力量［kw］の変化を示したものである。
太陽電池は、快晴、晴れ、くもり、雨などにより大きく変化するため、発電能力もそれに従って変化することがわかる。

７

太陽の角度と発電量との関係
太陽光パネルは、受光面に受ける日射量に応じて発電量が変化するので、太陽光パネル面に対して、直角に太陽光が当たる水平面より、２０度に設置され、南方向に設置されている。
そこで、本研究では季節ごとの太陽の日周運動が異なる夏至・冬至に注目をし、太陽の角度と太陽光パネルの発電量について考えることにした。

太陽光水平面

夏至（６月２１日）は、一年で太陽の南中高度がもっとも高く、昼がもっとも長い日である。
本校での南中高度は７８．３°である。また、冬至（１２月２２日）は、一年で太陽の南中高度がもっとも低く、昼がもっとも短い日である。本校での南中高度は３１．４°である。
季節によって太陽光発電量が違うのは、太陽の日照時間と太陽の高度の関係であることが理解-4-できる。太陽光パネルの面積に当たる日光の高度が高いときと低いときを比較すると太陽の高度が高いほうが日光が多く当たる。観測結果から太陽の高度の違いにより、発電量に大きく影響すると考えられる。
８ 太陽光パネルの温度が変化したときの発電能力
今回の研究では、平成２３年６月からパネルの表面温度の測定を行うことにした。なぜなら平成２２年度の１年間のデータを分析してみると、夏の暑い日に、太陽に照らされた太陽光発電量が一番高いと認識していたが、発電量が低くなっていたことから太陽光パネルの表面温度が関係しているのではないかと思い、観測項目を増やして実施した。観測結果は以下の図にして示す。

観測結果から夏の暑い時期には、太陽に照らされた太陽光パネルの表面温度は約５０℃付近で電力量が最大になるピークがあるように推察された。
９ 太陽光パネルに関するデータについて
今回の研究では、前述したが発電量が、気温、太陽高度、照度などで変化することがわかった。
今回の計測では、生徒と一緒に、太陽光発電の発電量の観測を行ったが、まだまだ観測データが不足しており、確かな結論が出せるに至っておらず、今後もデータ収集して考察していく必要があると考えている。
また、生徒と一緒に、太陽光発電についてデータ収集を行ってきたが、その過程で生徒が太陽光パネルの仕組みについて理解が足りないと感じたため、その理解を高める目的で、次のような安価で簡単に作ることができる色素増感太陽電池の製作を行うことにした。
10 色素増感太陽電池の製作
現在、日本は地球温暖化が進んでいく中、化石燃料の使用を減らして、再生可能エネルギーの導入が進んでいる。学校でもさまざまな場面で「環境」や「エネルギー」について学習するようになってきた。そこで、安価で簡単に作ることができる色素増感太陽電池に注目をした。この色
素増感太陽電池は、花や果物などの色素を利用して発電する仕組みとなっているため有害な排出物もなく、現在世界中の企業などが実用化に向けて研究・開発している太陽電池でもある。以下にその製作過程を示す。
(1) 酸化チタンペーストの調整
導電性ガラスを用意して、写真８のように酸化チタンを塗るが、酸化チタン粉末をぺースト-5-状にする。（写真７）ここでは３グラムの酸化チタンを使用するが、少量の酢酸を入れることによって酸化チタンが良く分散されて良いペーストができる。また、粘度が下がり塗布しやすくなった。

写真７ 酸化チタンを混合
写真８ 酢酸を混合しない状態(2) ガラスへ酸化チタンを塗布する（写真９、写真１０）
色素増感太陽電池の製作で最も重要な工程になる。
ア 導電面を上にしてテープを用いてマスキングする。
イ 塗布面がきれいになるように、心掛け手前の方からガラス棒で向こう側へ押し出す。

写真９ マスキング(3) 焼 成（写真１１）
焼き始めると、すぐに全体の色が茶色に変わっていく。さらに焼くと茶色から濃い茶色へ変わり、煙が発生するが、そのまま温度を上げていく。５～１０分が経過し、温度上昇に伴い酸化チタン電極の色は元の白色にもどったところで焼成は終了する。

写真１０

ガラス棒で塗布

写真１１

焼き付け

(4) 酸化チタンの染め方
今回の実験では、写真１２のようなハイビスカスティーを使用することにした。酸化チタン膜が上向きになるように入れる。（写真１３）

写真１２

ハイビスカスティー

写真１３-6-

色素吸着

(5) ＋電極（陽極）の製作（写真１４）＋（陽極）の準備をする。負極と同じ大きさの導電性ガラスを用いる。このガラスの導電面に２Ｂ～４Ｂの黒鉛（鉛筆）で黒く塗り黒鉛をつける。
(6) オープンセルの作成（写真１５）－（負）極（酸化チタンを塗布し色素で色をつけた電極）と＋（陽）極（鉛筆で黒鉛を塗った電極）が揃ったら、電極同士をクリップで止めて測定を行った。

写真１４ 炭素膜の製作
写真１５ クリップで固定(7) 測定結果（写真１６）＋－電極にテスターで測定したところ、直流電圧０．２５Ｖ～０．３Ｖの値が測定することができ、直流電流は０．４ｍＡ～０．５ｍＡの値を測定することができた。
11 太陽光発電の研究成果発表(1) ものづくり体験学習（写真１７）
北名古屋市の主催で小中学生対象ものづくり体験学習を行った。
講義の内容は、太陽光発電の仕組み、色素増
写真１６ 動作確認
感太陽電池の製作過程について説明して、太陽陽光から電気が発生する原理を解説した。
また、ものづくりにおいては、簡易モータの製作を行った。回転した瞬間、子供たちが大変喜んでくれた。このことで本校の生徒たちは、ものづくりの大切さ、まとめたことを自分なりに工夫して表現し、自分の意見も含めて発信することの難しさが分かった。
(2) ＡＩＴサイエンス大賞（写真１８）
愛知工業大学主催で開催され、このサイエンス
写真１７ ものづくり体験学習
大賞は、理数科教育の危機が叫ばれている折から、青少年の科学への興味・関心を喚起するとともに、科学技術立国を支える人材を育成することをねらいとしている。日頃の理科クラブ・科学クラブ・課題研究等の成果を発表する場である。
自然科学部門１４校１９テーマ、ものづくり部門１５校１８テーマの発表があり、本校はものづくり部門に参加した。
午前中は、製作過程や苦労したことなどをまと
写真１８ ＡＩＴサイエンス大賞
めステージ発表を行った。午後からはブースにおいてパネル展示発表を行った。大学の先生や学生、他校の高校生、その他一般の人から、主に炭素膜の濃さ、色素濃度、素材などに関する質問を受けた。生徒たちの一生懸命取り組んでいる様子は、普段学校では目にすることがない姿であり、その頑張りで努力賞を受賞した。

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おわりに太陽光パネルが設置されたことで、太陽電池に対して興味・関心を持って研究することができた。このデータの収集によって、発電量が日射量に比例して、日射量の多い季節に発電することが理解できた。しかし、真夏、太陽の高度が高く太陽光パネルの温度が上昇すると、発電量は減少した。また、パネルの温度上昇の関係や設置角度によって、最適な発電効率が発揮できる季節が異なることもわかった。これからも変動する原因を考え、発電量の予測ができるようにするために、諸条件と発電量の関係のデータの観測がより一層重要になってくると考えている。
また、太陽光パネルの発電効率のこと、自然エネルギーの研究を理解させるために、色素増感太陽電池を製作して、発電原理について理解させることができた。
今回は、原理の理解のために色素増感太陽電池を製作したが、今後は、この太陽電池を用いて条件設定を行い、太陽光パネルと同様の実験計測に繋げていければと考えている。
最後に、これらの研究結果を北名古屋市の小中学生対象ものづくり体験学習講座（写真１７）や愛知工業大学主催のＡＩＴサイエンス大賞（写真１８）において、太陽光発電や色素増感太陽電池の製作に関する研究発表を行い、地域貢献活動にも参加して理解を深めることもできた。これからも、ものづくりを通して、生徒に達成感やその製作過程で起きた問題を解決していく楽しさ･面白さを体験させるとともに、プレゼンテーション能力が高められるよう、より充実した教育活動を推進していきたい。
そのような機会を与えて頂いた愛知県立佐織工業高等学校関係職員および生徒諸君にこの場を借り感謝申し上げます。
【参考文献】
太陽電池〔改訂版〕
谷辰夫 編
パワー社
色素増感太陽電池を作ろう
若狭 信次 著
パワー社
広がる広がれ 太陽光発電
ＣＥＬＣ
西田書店-8-