再生可能エネルギーの中でも代表的と言える太陽光発電。その仕組みや活用方法などについてご紹介します。
太陽光パネルの仕組み
太陽光発電とは「光エネルギーから直接電気を作る、太陽電池を利用した発電方式」のことを指します。
その光エネルギーを集める太陽光パネルについて詳しく見ていきましょう。
画像の「セル」が太陽電池の基本となる最小単位になります。
このセルを複数枚組み合わせ、強化ガラス・樹脂・フィルムなどで覆い、アルミ枠で強化・固定したパネル状のものを「モジュール」と呼びます。
このモジュールが、いわゆる「太陽光パネル」や「ソーラーパネル」です。
そして、このモジュールが架台に設置されてひとまとまりになったものを「アレイ」と言います。
アレイ
では、このセルの中で一体どのようにして光エネルギーを吸収しているのでしょうか？
発電の仕組み
太陽電池は、－(マイナス)を帯びやすい「ｎ型シリコン」と+(プラス)を帯びやすい「ｐ型シリコン」という2種類の半導体を張り合わせて作られています。
この2つのシリコンは「導線」という電気を通すための金属線で結ばれており、乾電池と同じような状態になっています。
九州電力HP「太陽光発電のしくみ」太陽光パネル断面拡大図より抜粋・一部加筆
ソーラーパネルに太陽光が当たると、ｎ型シリコンの方に「電子(－)」が、ｐ型シリコンの方に「正孔(＋)」が集まります。そして、2つのシリコンをつなぐ導線を伝わって、電子(－)が正孔(＋)の方に移動すると電流が電子と逆の向きで流れます。
この仕組みを利用して電気を取り出しているのが太陽光発電です。
光エネルギーがあり続ける限り電気が発生し続ける、という原理です。
パネル周辺機器
パネルで発電した電気を利用するためには、太陽光パネル以外にも色々な機器が必要になります。
①集電ユニット(集電箱, 接続箱)
パネルで発電された直流電力を集めてパワーコンディショナーに送り込むための装置です。
②パワーコンディショナー
電流を直流から交流に変換する仕組みを内蔵した装置です。
太陽光パネルで発電された電気は直流電力ですが、日本における使用電力は基本的に交流電力です。
そのため、パワーコンディショナーで電流を変換させ、使用できる電力にする必要があります。
③分電盤
いわゆるブレーカーと呼ばれるものです。
漏電や事故の防止が最大の役割となります。必要に応じて電気の流れを止めたり、調整をしてくれる装置です。
上記以外にも売電用の電力メーターや、それに接続するための電気配線などの資材も必要となります。
また、発電量や設備異常を検知するモニタリングを行う場合は、電流計測用の変流器(CT)や日射量計、監視カメラ等も必要になってきます。
太陽光発電のメリット・デメリット
太陽光発電の仕組みについて理解したところで、太陽光発電のメリット・デメリットについても見ていきましょう。
【メリット】
①地球環境にやさしい発電ができ、エネルギー源が枯渇しない
石炭・石油など化石燃料の燃焼が一切必要なく、地球温暖化の原因となる温室効果ガスを排出しません。
②電気料金を削減できる
自然のエネルギー源で無償のため、燃料費がかかりません。また、発電した電気を自身の生活で消費できるため、電力会社から買う電気の量を抑えることが出来ます。
③停電時に電気が使える
自然災害や停電の際も電力を生成できるため避難所や医療施設に電力を供給でき、事業やコミュニティの安全性を高めることができます。
実は太陽光発電設備には停電時でも電気が使用できるように「自立運転モード」が備わっています。そのため、条件がそろえば停電時でも家電製品を使用することができます。
④売電収入が得られる
太陽光発電で作った電気は電力会社へ売電が出来ます。余剰売電という、自家消費で余った電気を電力会社に売ることが出来る売電方法であれば、収益を得ながら電気代を節約できるため、余ったエネルギーを持てあますことなく有効活用できます。
⑤断熱効果がある
夏の暑い時期には屋根から入ってくる熱を太陽光パネルが遮り、冬は室内の熱が放射冷却によって、外部へ逃げるのを防いでくれます。
【デメリット】
①設置できない可能性がある
太陽光パネルは屋根の形状や土地の条件によっては設置できない可能性があります。例えば、複雑な屋根構造や設置面積が小さい場合、土地の日射量が芳しくないなどの理由があります。
②天候や気温に発電量が左右される
最初に記述した通り、太陽の光を利用して発電する方法のため、曇りや雨、雪などの悪天候の場合は発電効率が大きく下がってしまいます。
③定期的なメンテナンスが必要
太陽光パネルや関連機器は外部要因や経年劣化によって故障することがあるため、定期的な点検・清掃および修理が必要です。これに伴うコストも少なからずかかってしまいますが、適切なメンテナンスを行うことで太陽光発電システムの寿命を延ばし、長い目で見たときに運用コストを抑えることが出来ます。
④反射光によるトラブル
具体的には、鏡面の建物や水面、雪の反射などが原因で誤った電力量の測定や加熱、損傷などの問題が生じる可能性があります。
太陽光発電の区分
太陽光発電は「住宅用」と「産業用」の2つに区分されます。
出力が10kW未満であれば住宅用太陽光発電、10kW以上あれば産業用太陽光発電というようにFIT制度で決められています。(FIT制度については次回以降のコラムで詳しく説明予定)
一般住宅でも、10kW以上の太陽光発電を設置すれば、その発電システムは産業用と区分されます。
住宅用
産業用
出力容量とは、太陽光発電の設備がどれだけ発電できるかを表す数値で、パネルかパワーコンディショナーどちらか低い方の値で決定されます。
例えばパネル容量が3kW、パワーコンディショナー容量が4kWの発電設備があった場合、この発電設備の出力容量は3kWとなります。
３つの利用形態
発電した電気の用途は「自家消費発電」「余剰売電」「全量買電」の3つに分けられます。
【自家消費発電】
発電した電気を企業や個人が自分で利用することで、電気料金の削減や、料金の高騰にも備えることが出来ます。
【余剰売電】
太陽光発電システムで、得た電気を使用し、余った電力を電力会社へ売る方法です。
この制度は2009年からおよそ3年間実施された「余剰電力買取制度」において、太陽光発電からの余剰電力を一定価格で買い取ることを電気事業者に義務付けることから始まったものです。
【全量売電】
発電したすべての電気を電力会社に売電する方法です。
固定価格買取制度(FIT)の認定を取得すれば、20年間は固定の価格で電力会社に電気を買い取ってもらえるため収益性が高く、当時太陽光が普及するきっかけになった方法です。
住宅用での太陽光発電において、電気は「自家消費」か「余剰売電」のどちらかで利用されます。「余剰売電」の場合、売電期間は10年間になります。
それに対し産業用の太陽光発電は「自家消費」、「余剰売電」、「全量売電」のすべての選択肢があります。「余剰売電」、「全量売電」の場合、売電期間は20年になります。
まとめ
太陽光発電について仕組みから利用形態まで紹介してきました。
投資のイメージが強かった太陽光発電は、電気代削減や環境保全を目的としたものに変わってきています。
より豊かで地球にやさしい社会の実現を目指して、太陽光発電の仕組みは日々進化しています。
