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更新日:2017年12月15日

太陽光発電の仕組み

 

「太陽電池に光があたることで発電します」

 

しかし、電池と言っても蓄電の機能はありません。単なる発電機です。

 

 

太陽光発電システムは大きく5つに分類される

 

①太陽光パネル

START地点。小さなセル(※1)を組み合わせたもの。

②接続箱

太陽光で発電した電力の電圧調整をするところ。

③パワコン

発電した直流電気を家庭で使える交流電気に変換する装置。(正式名称:パワーコンディショナー

④分電盤

部屋の照明や調理器具へ電気を分配する装置。ブレーカー付。

⑤メーター(電力量計)

売電メーター(このメーターを通じて電力会社に送電します)と、買電メーター(このメーターを通じて電力会社から電力が供給されます)が接続されます。

太陽光発電,仕組み

(※1)セル…太陽電池の基本部分

  • 太陽光を受け取り、直流の電気に変換する。
  • シリコンなどレアメタルと呼ばれる化合物で構成される。
  • もっと発電効率の良い新たな素材での進化が期待されている。

 

発電には半導体が必要不可欠

太陽光発電,仕組み

  1. 半導体というのが発電には欠かせない
  2. 日本の半導体産業は世界に誇る分野だった

太陽電池においても生産量・導入量ともに世界第1位だったのですが、その後生産量は中国、導入量は電力の買取制度が整備されたためドイツ・スペインに抜かれました。

 

ただ、日本の太陽光電池導入量は増加し続け、世界的にも普及拡大の一途を遂げています。

 

半導体の特徴

 

「熱に弱い」

 

  • 夏の屋根は時に70℃位にまで温度が上がる。
  • 太陽電池の公称最大出力を出すときは25℃でテストしています。
  • 25℃から1℃上がるごとに発電効率が0.5%落ちる。

 

半導体 真夏の発電効率

(例) 屋根が70℃の場合の発電効率

 

70℃-25℃=45℃
45℃×0.5%=22.5%

 

なので、70℃の時は22.5%も効率がダウンするということです。これは誰もがカン違いしがちなことで、太陽がカンカンに照らす真夏はたくさん発電する訳じゃない!ってことです。

 

春秋冬みたいに温度が低い方が発電効率はいいんです。ただし、夏場は日が長いので、そのぶん発電量は増えます。

 

太陽光発電 普及のきっかけ

 

「3・11 東日本大震災」

 

この歴史に残る大災害での原発事故をきっかけに、太陽光発電が次代を担う安全なエネルギーとして爆発的に注目を集めました。現状、「太陽光発電」という言葉はかなり浸透されてきましたが、導入している家庭はまだまだ少ないのが実態です。

 

ただ、価格も大幅に下落してきていますので、今後も生産量・導入量ともにどんどん増え続けていく…と予想されています。

 

太陽電池の種類

単結晶と多結晶の発電量の違い 

 

47秒で違いがひと目でわかります

 

 

単結晶シリコン

 

  • 多結晶に比べて発電効率が高い=狭い場所でたくさん発電したい場合に向いている!(しかし最近、多結晶の発電効率がUPしてきているので単結晶の特性が薄れてきています)
  •  

  • 多結晶に比べて製造工程が複雑なためコストが高い。
  •  

  • 太陽電池の中で、一番研究・開発の歴史があり、技術的にも一番成熟していて発電特性も安定している。長期間の使用実績もあり安心できる。

 

太陽光発電の仕組み

 

【取扱いメーカー:シャープ東芝三菱…など】

 

 

多結晶シリコン

 

  • 単結晶に比べて製造工程が簡単なためコストが安い。
  •  

  • 発電効率では単結晶にかなわないが、モジュールに隙間なくセルを並べることでカバーしてる。
  •  

  • とにかく一番安いため、最近の住宅用太陽光発電の主流となっている。

 

太陽光発電の仕組み

 

【取扱いメーカー:シャープ京セラパナソニック…など】

 

 

アモルファスシリコン

 

  • 薄膜化が可能。
  •  

  • 結晶系とは違い、全く結晶を作らない。
  •  

  • 発電効率は結晶系に劣る=結晶系より1.5倍ほど広い面積が必要。
  •  

  • 加工がしやすいので量産が可能。
  •  

  • 紫外線に当たると発電効率が経年劣化する。

 

太陽光発電の仕組み

 

【取扱いメーカー:カネカなど】

 

 

HIT太陽電池

 

  • 単結晶シリコンとアモルファスシリコンを積層形成した新タイプの太陽電池。
  •  

  • 1997年、三洋電気(現パナソニック)により実用化された。
  •  

  • 発電効率が高く、シリコンに比べ高温に強い。単結晶シリコンと比較すると実際の発電量が「1日で8.8%多い」という実験結果もある。
  •  

  • 両面発電が可能

 

canasora

 

【取扱いメーカー:パナソニック(元サンヨー)など】

 

 

CIS 化合物系

 

  • シリコンの代わりに、銅・インジウム・ガリウム・セレン等の化合物を使った太陽電池。
  •  

  • 薄膜化が可能。
  •  

  • 電卓や時計などに使われている。
  •  

  • シリコン結晶系に比べて資源の量が少ない。
  •  

  • 一部、カドミウムなどの有害物質を含むという難点がある。

 

太陽光発電の仕組み

 

【取扱いメーカー:ソーラーフロンティア…など】

 

 

その他

 

  • 微結晶シリコン
  • 薄膜シリコン
  • 球状シリコン
  • 多接合型
  • 電界効果型
  • InGaAs太陽電池
  • GaAs系太陽電池
  • CIS系(カルコパイライト系)太陽電池
  • Cu2ZnSnS4(CZTS)太陽電池
  • CdTe-CdS系太陽電池
  • その他の中でもさらにその他(InP系太陽電池、SiGe系太陽電池、Ge太陽電池、ZnO/CuAlO2太陽電池(透明太陽電池))
  • 色素増感太陽電池
  • 有機薄膜太陽電池
  • 量子ドット型
…と、世界中で色んな角度から様々な研究がおこなわれています。

太陽電池は何からできてる?

結晶系太陽電池パネルの原料

 

原材料の珪石(けいせき)

太陽光発電の仕組み

精製して、溶かして、固めて、大きくすると…

インゴット

太陽光発電の仕組み

薄~くスライスすると…(0.3~0.4ミリ)

ウエハー

太陽光発電の仕組み

N型層・反射防止膜・電極をプラスすると…

セル

太陽光発電の仕組み

直列につなぐと…

パネル(モジュール)

太陽光発電の仕組み

 

上の図を見たらわかるように、太陽光パネルの性能=セルの性能ということになります。あとは、パワーコンディショナー(直流電流を交流電流に変換する所)の変換効率によっても大きく左右されます。

パワーコンディショナーについて

 

パワコンの画像

「パワコンは別々には頼めません!」

 

一般的にパワーコンディショナーはソーラーパネルのメーカーと同じものを選ぶのが主流です。「パネルはこっちで、パワーコンディショナーはこっち!」という訳にはいきません。

 

メーカーごとにどんな違いがあるのかを知っておいた方が得(損はしない)ってことになります。

 

「じゃあメーカーの違いを調べてみよう!」…と思っていざ調べてみてもよくわからないと思います。当然ある程度用語の意味を理解しておかかないと分からないと思いますので、下に簡単にわかりやすく説明します。

 

最大定格出力=出力可能な電力の最大値のこと

 

基本「パネルの最大出力<パワコンの最大出力」

 

ただしこれはあくまで基本的な考えであって、メーカーによってはパワコンの最大出力の1.2~1.3倍のパネルを接続できることがあります。

  • パネルが最大出力を継続的に発電することがほとんどない。
  • ほとんどの家庭で実際の発電量がパネルの最大出力の8割位になる

なので絶対にパワコンの最大出力の方がパネルの次第出力よりも大きくないといけないわけではありません。

 

男性のイラスト

実際に、業者によってはパネルの最大出力が4.5kWなのに、パワコンに4kWを勧めてくることがあるようです。

 

4kWの1.2倍は4.8kWなので問題なさそうですが、実際のところ「最大出力をオーバーした電力がパワコンに流れるとパワコンの寿命が短くなるんじゃないか?」…という噂もささやかれています。

 

なので、その業者が万が一の時にしっかり保証してくれるかどうかを確認しておいた方が無難です。設置後のトラブル回避に繋がります。

 

 

パワコンの価格

一般的に最大定格出力が大きいほど金額は上がります

 

=最大定格出力が小さいパワコンは安価ということです。

 電力変換効率

 

=直流→交流に変換するときの割合のこと

 

  • 100%がMAX
  • 現状ほとんどが94%前後
  • 今のところ三菱の[PV-PN40G/PV-PN55G]が97%前後でNO.1

 

太陽光発電の仕組み

 

パワコンの変換効率での違いを比較

(例)4.0kW発電した時…
変換効率が94%…3.76kW利用できる
変換効率が98%…3.92kW利用できる

 

この3.92-3.76=0.16kWの差…本当微々たるものですが、10年…20年と経つとかなりの違いになります。

 

※余談ですがこの変換ロスは熱となって出ていくそうです。よってパワコンは熱を帯びるので設置場所を考えておく必要があります。

 回路数

 

ざっくり言うと、パワコンから何本電線が出ているかです。

 

太陽光発電の仕組み

 

  • 南面以外にもパネルを付ける場合気にした方がいい部分です。
  • 電圧の関係などが絡んできます。
  • パワコンに昇圧回路と接続箱機能を搭載しているかが鍵です。
 自立運転機能

 

太陽光発電の仕組み

停電時に電気が使える機能のこと。

 

  • かなり重要なポイント(大抵のパワコンについています)
  • 「コンセント」がついてないと使えない
  • 屋内用にはほとんど本体に付いてます
  • 屋外用は業者によっては何も言わずに工事を省くときがある様なので要注意です!

 

パワコン選ぶときには業者に「非常用コンセント」を付けてもらうよう伝えましょう。

 その他

 

【音】

  • 耳が普通の人よりも鋭い人が家族にいる場合、つける場所を考えた方がいいです。
  • 基本的には大きめの物でも図書室程度。
  • 夜間は発電しないのでパワコンも止まっていて無音。
  • 気になる人は気になる様でクレームとして上がってきている例もあります。

耳をふさいでいるイラスト

 

【設置場所】

  • 配線の関係上ブレーカーのそばに付けることが多いです。
  • たいていブレーカーは、脱衣所・台所・玄関等についてることが多いので、付け場所に困ることが多々あるようです。
  • 大きさはだいたい小型のエアコンぐらいです。
モニターがあれば一目でわかる!

 

「モニターによってその日の状況がパッとわかる」

 

  • 変化を目視

発電と消費の変化がグラフで表示されます。夜帰ってきてからでも、きょう一日の電気の動きが確認できます。また、1ヶ月や1年ごとでも表示できるので、長期にわたる変化も観測できます。

 

  • 節電効果を実感

消費した電力量、売買した電力量を電気料金に換算して確認できます。やはり料金で表示される方が、どのくらい節電できたか?今月は使い過ぎてるな…というのが分かり易く、省エネ目標も立てやすくなります。

 

  • 目標を立てて実践

「今月の目標は…これ!」という感じで、家族みんなで話し合い、省エネにチャレンジしてみるのも案外楽しい企画です。目標達成への経過を日を追ってグラフで確認できるので、小さい子供がいても、一緒になって省エネできます。

 

 

太陽のエネルギー

太陽光発電,仕組み

太陽エネルギーはとてつもなく膨大で、地球上に到達する太陽光を100%エネルギーに変換できるとしたら…「たった1時間」で世界の年間消費エネルギーをまかなえる!…と言われています。

 

ちなみになんですが、『太陽の寿命は50億年』と考えられているので、太陽エネルギーはほぼ無限ということです。