2016年11月1日

太陽光発電の仕組み

必要な装置、メリットなどをわかりやすく解説

環境に優しい再生可能エネルギーは、太陽光や風力、地熱、バイオマス、海流、波力など多数ありますが、自然エネルギーの中でも特に利用しやすいエネルギーの代表格が太陽光発電です。光熱費削減や売電収入が見込めるとして一般住宅にも導入が進められていますので、屋根に太陽光発電の設備を付けているご家庭も多いのではないでしょうか?
では、そもそも太陽光でどのように電気を発電しているかご存じですか?今回は太陽光発電の仕組みやメリット、導入するにあたって必要な装置の名称・役割などをわかりやすく解説します。

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太陽光発電が注目されている理由とは?

世界では主なエネルギー源として、石油や石炭などの化石燃料が利用されています。しかし、このままのペースで使い続けると、将来、化石燃料は枯渇すると予測されています。また、電気を発電するときに出る二酸化炭素は、深刻な環境破壊を引き起こしており、これらの問題の解決策の1つとして、再生可能エネルギーの導入が進められています。

太陽光エネルギーとは?

太陽光エネルギーは、再生可能エネルギーの中でも利用しやすいとされる自然エネルギーです。現在の主力エネルギーである石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料が、数十年から数百年で枯渇すると予測されているのに対し、太陽光エネルギーは太陽が光り輝いている限り永遠に枯渇する心配がありません。エネルギー資源のほとんどを諸外国からの輸入に頼っている日本にとって、国内で生産できる数少ないエネルギーです。

また、地球温暖化や異常気象、大気汚染などの深刻な環境破壊や汚染問題の原因として、化石燃料が排出する二酸化炭素の影響が指摘されています。
一方、太陽光は炭素ガスなどを排出しない、エコでクリーンな地球に優しいエネルギー源です。

太陽光発電を導入するメリット

太陽光エネルギーを利用して発電する太陽光発電は、自宅で発電した電気を利用することで購入する電力を減らせるため、電気代を削減することができます。また、発電して余った分の電気は余剰電力として、電力会社が買い取ってくれるシステムもあります。

一般的に自然エネルギーを利用した発電方法では、発電するシステムの規模が大きくなればなるほど効率が良くなるため、広い敷地での利用に向いています。

一方、太陽光発電の発電効率は、規模の大小にかかわらずほぼ同じです。発電システムも構造が簡素なためメンテナンスが容易で、20年以上の寿命がある製品がほとんどです。発電時に騒音も排出物も出ないため、太陽光発電は小規模な一般家庭での発電に最適な自然エネルギー発電です。

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電力を発電する「太陽電池」とは?

太陽光発電は、太陽光が持っている光エネルギーを電気エネルギーに変換する働きを持つ「太陽電池」を使って発電しています。エネルギーを変換する仕組みについて見ていきましょう。

太陽電池の仕組み

太陽電池は、「電池」という名前がついていますが、そのものに電気をためる蓄電池(バッテリー)の機能はありません。
太陽電池は、多くがシリコンなどの半導体が使われています。マイナスの電荷を持った「n型」半導体と、プラスの電荷を持った「p型」半導体の2つを重ね合わせて作られており、太陽光が当たるとプラスの正孔(ホール)とマイナスの電子が発生し、それぞれの半導体へ引き寄せられます。その引き寄せられたプラスとマイナスに電球などの負荷を生じさせるものを接続すると、電子が一定方向へ流れて電流となります。

太陽電池の種類

太陽電池は使用する半導体の違いから、大きくシリコン系と化合物系に分けられ、その中でも結晶系と薄膜系があります。それぞれの種類や特徴をお伝えします。

シリコン系太陽電池

シリコン系太陽電池とは、ケイ素(シリコン)を使った半導体を使用する太陽電池で、太陽光発電装置に最も多く使われています。

・結晶シリコン太陽電池

結晶シリコン太陽電池には、1つの結晶でできている単結晶と、複数の結晶が入っている多結晶があります。単結晶のシリコン太陽電池は、現在最も性能が高い太陽電池と言われていて多くのメーカーが採用していますが、その分価格が高くなっています。
一方、多結晶のシリコン太陽電池は量産が可能なため価格が安く、発電効率とコストのバランスが良い太陽電池です。

・薄膜シリコン太陽電池(アモルファスシリコン太陽電池)

薄膜シリコン太陽電池は、シリコンの使用量をできるだけ少なくしています。温度変化に強く、薄くて加工しやすいのがメリットですが、結晶系よりも変換効率が低くなっています。

化合物系太陽電池

化合物系太陽電池とは、ケイ素が含まれない半導体を使用した太陽電池で、世界的なシリコン不足の影響を受けません。現在、実用化されている太陽電池で最も変換効率が高いのは結晶シリコン太陽電池ですが、実験段階では化合物系太陽電池のほうが高い結果を出しています。

・結晶系太陽電池(III-V族太陽電池またはGaAs系太陽電池)

非常に高コストですが、変換効率が高いという特徴があり、宇宙で使われる太陽電池に用いられています。

・薄膜系太陽電池(CdTe系太陽電池、CIS系太陽電池など)

使用する材料や生産方法によっては、変換効率が高いままコストを下げることが可能なため、次世代の太陽電池として今後の普及が期待されています。

太陽電池の構成単位

太陽電池は、構成単位ごとに「セル」「モジュール」「アレイ」の名称が付けられています。

・セル

セルは太陽電池の最小単位で、約10~15cmの薄いガラスのような形状をしています。発電はできますが割れやすいため、通常はこのままで使用することはありません。

・モジュール

そのままでは使用できないセルを複数枚つないだものが、モジュールです。発電できる電圧を高め、屋外でも利用できるように樹脂や強化ガラスなどで保護しています。この単位になったものを「太陽光パネル」とも呼びます。

・アレイ

アレイは、モジュールをさらに複数枚並べて接続したものです。この単位にしてから、屋根の上などに設置します。

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太陽光発電の仕組みとは?

太陽電池で発電した電気は直流電力という種類で、そのままでは家庭で使用できません。これを交流電力に変換すると、家電製品などに使用できるようになります。発電量が余った場合は、余剰電力として電力会社に売電し、日照不足などで電力が足りないときは従来通り電力会社から供給された電気を使用します。
太陽光発電を家庭で利用し売電する仕組みについて、太陽光発電に必要な装置の役割と一緒に解説していきます。

太陽電池モジュールまたはアレイ

太陽光エネルギーから発電し、直流電力をつくります。

接続箱

複数のモジュールやアレイで発電された電力を1つにまとめる働きをしています。また、雷から家庭内の家電製品を守る役割もあります。

パワーコンディショナー

接続箱から送られた直流電力を、電力会社から供給される電気と同じ交流電力に変換する装置です。電力のほかに、電圧や周波数なども家庭用の電気と同じように変換しています。

分電盤(ブレーカー)

パワーコンディショナーで交流電力に変換された電気を家庭内の配線に分配する装置です。電気を使い過ぎたときに、ブレーカーを自動で落とすことで電流を遮断する役割もあります。ほとんどの家庭に分電盤は設置されていますが、太陽光発電に対応した分電盤でなければ使用できません。

電力計量メーター

太陽光発電には、「買電用メーター」と「売電用メーター」の2つが必要です。電力会社からの電気を使った量と、太陽光発電で余剰電力を売電した量を確認できます。

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地球環境の保護に貢献する太陽光発電

太陽光での発電から電力の変換、余剰電力から供給電力への切り替えなど、普段の生活で使われる電気のやり取りは自動的に行われるため、特別な操作は必要ありません。注目されるクリーンエネルギーの1つである太陽光発電の仕組みを知り、さらに実際に太陽光発電を利用することで地球環境保護への意識をより高めてみませんか?

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