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図解で見る!太陽光発電の仕組みをシステムから制度まで徹底解剖

「太陽光発電の仕組み」といわれると、何をイメージするでしょうか?


多くの方は、発電する仕組みが真っ先に頭に浮かんだのではないでしょうか。もちろん、太陽光パネルがどのように発電するかという仕組みも理解すべき重要な要素です。


しかし、それだけでは太陽光発電の理解すべきポイントを網羅しているとはいえません。そこで本記事では、太陽光発電が発電する仕組みだけではなく、システムから制度の仕組みまで図解を交えながら、解説したいと思います。

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1.太陽光パネルが発電する仕組みと種類

パネル

まずは、太陽光発電を語るうえで外すことのできない、太陽光パネルについて見ていきましょう。基本中の基本ですが、太陽光パネルが発電する仕組みとその種類は、システムや制度を正確に理解するうえでも最初に押さえておきたいポイントです。

(1)発電する仕組みは半導体の特性

太陽光発電では、太陽から照射された光エネルギーを電気エネルギーに変換することで電気を生み出しています。太陽の光にそんなエネルギーがあるのか?と疑問に思う方は、真夏のアスファルトを思い浮かべてみてください。

真夏のアスファルトはうえに立っているだけで熱気を感じますし、遠くを見ると陽炎が出ていることもありますよね。一方で、日陰になっていれば太陽光が照射されていないため涼しくなっています。

このように、通常は太陽の光を浴びるとその物体は熱を持ちます。つまり、光エネルギーが熱エネルギーに変換されているのです。

太陽電池では、この熱エネルギーへ変換されている太陽の光エネルギーを、電気エネルギーへ変換しています。

エネルギー

ではなぜ、太陽光パネルは光エネルギーを熱エネルギーではなく、電気エネルギーへ変換できるのでしょうか。

それは、太陽光パネルに使われる材料に、変換する仕組みの秘密があります。その材料が半導体です。

半導体は熱や光、磁場や電圧など周囲環境や負荷状況によって、導電性が大きく変わるという特徴を持った物質の総称です。導電性の良い物質のことを導体というため、そこから半導体という名称がついています。

太陽光パネルは、P型半導体とN型半導体という性質の異なる半導体が使われています。この2つを重ね合わせた構造にすることで、導電性が良くなるのです。これを、PN接合といいます。

半導体

PN接合によって、N型半導体の伝導電子がP型半導体の正孔へ移動を始めます。電子の移動は接合面から始まりますので、接合面から離れた反対面付近はN型半導体は負へ、P型半導体は正へ帯電します。

半導体

この状態で、太陽の光エネルギーが照射されると、N型半導体の電子とP型半導体の正孔が外部エネルギーを受けて高エネルギーな状態(励起)になり電流が流れるという仕組みです。

このような現象のことを、光起電力効果と呼びます。

半導体

このとき、太陽光のエネルギー量に対して変換される電気エネルギー量の比率で、太陽光パネルの変換効率は決まります。変換効率は、太陽光パネルの種類やパネル内の構造によって数%程度の違いが出ます。

(2)太陽光パネルの種類は3種類

太陽光パネルは、用いられる材料によって種類が異なります。大きく分けて、次の3種類です。

  • シリコン系
  • 化合物系
  • 有機系

材料によって変換効率などそれぞれ特徴が異なりますので、1つずつ詳しく見ていきましょう。

①シリコン系

太陽光パネルに使われる材料のうち、最も一般的なものがシリコン系です。

シリコンは、砂や石に含まれるケイ素をもとにしており、太陽電池の素材として実績が50年以上あります。シリコン系の中でも、単結晶、多結晶、アモルファス、多接合型の4種類があります。

それぞれの特徴を、簡単に解説していきます。

単結晶は、シリコン純度が高いため変換効率が高いです。しかし、製造方法の関係で量産が難しく1枚あたりのコストは高くなるため、単結晶の太陽光パネルは狭い面積で効率的に発電したい、住宅用の太陽光発電で主に使われます。

一方で多結晶は、単結晶に比べてシリコン純度が低いため変換効率は劣りますが、大量生産に向いており1枚あたりのコストは単結晶に比べて割安です。そのため、多結晶の太陽光パネルはコストを重視する、産業用の太陽光発電で主に使われています。

アモルファスは、電卓などに使われることの多い素材です。製造が非常に容易なため、コストは結晶系よりも安く抑えられますが、変換効率は低くなります。薄膜でフレキシブルという特徴も持ちます。

多接合型は、タンデム型やハイブリッド型とも呼ばれますが、結晶系シリコンとアモルファスシリコンを層状に重ね合わせた異素材混合の太陽電池です。

変換効率

異なる素材がそれぞれ別の波長帯域の光を吸収してくれるため、太陽電池全体として非常に広い波長帯域の光エネルギーを取り込み、多くの電気エネルギーを生み出します。近年研究が進んでおり、単結晶に劣らない変換効率を叩き出しています。

シリコン系素材の一覧
単結晶 変換効率は高いが高コスト。主に住宅用太陽光発電で利用される
多結晶 変換効率は低いが低コスト。主に産業用太陽光発電で利用される
アモルファス 薄膜で操作性が高い。結晶系より低コストだが変換効率も低い傾向
多接合型 上記技術を応用して高効率を実現した太陽電池

②化合物系

シリコン系についで、太陽光パネルの材料に使われているのが化合物系です。化合物系は、シリコン以外の素材を用いた化合物で太陽電池を形成します。

原材料の量が少なくて済むため、軽量で薄膜化やフレキシブル化をしやすいといった特徴を持ちます。化合物系は、用いられる化合物の違いによって種類が異なり、CISやCIGS、CdTe、GaAsなどがあります。どのような特徴があるか、確認していきましょう。

CISは、化合物系の中で最も一般的な太陽電池で、銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)の3つを原料として組み合わせたもので、低コストかつ変換効率も比較的良く温度変化に強いといった特徴があります。変換効率は多結晶系に劣るものの、上記特徴によって実発電量は意外と多くなります。

CIGSは、CISにガリウム(Ga)を加えた素材で、CISと似た特徴を持っておりCISよりも高効率な点がメリットです。

CdTeは、カドミウム(Cd)とテルル(Te)を混合した素材です。こちらも毒性のあるカドミウムを使用しており、日本国内では利用ができないため欧米を中心に使用されています。

またGaAsは、宇宙用に開発された40%以上という超高効率の太陽電池です。非常にコストが高いので、基本的に太陽光発電で使われることはありません。

化合物系素材の一覧
CIS 原材料が少ないため低コスト。温度変化等に強く実発電量が多い
CIGS 上記の改良版で、似た性能を持ちながらCISよりも高効率
CdTe 毒性があるため日本国内では利用禁止。欧米を中心に展開
GaAs 宇宙特化型で超高効率。非常に高コストで太陽光発電には利用されない

③有機系

有機系は、シリコンや化合物などの無機物ではなく有機物を原材料とした太陽電池です。まだ研究段階ではありますが、将来の実用化を狙って現在盛んに研究開発が進められている素材です。

有機系には色素増感型と有機薄膜型の太陽電池があり、植物の光合成に近い原理で発電をします。製造が非常に簡単で、塗布するだけで発電してくれるので、軽量・薄膜で着色したりもできます。

(3)太陽光パネルの単位も3種類

太陽光パネルは、構成する単位によって便宜上、呼び名を変えています。

最も小さい構成単位は、「セル」です。セルは、太陽光パネルの格子1つ1つのことで、セルが集まって1つの太陽光パネルを形成しています。セルのサイズは、単結晶では5インチ、多結晶では6インチが一般的です。

次に、セルが集まり1枚のパネル状になった単位を「モジュール」と呼びます。モジュールサイズはメーカーによって違いますが、産業用では60セルで畳1枚と同じくらいの1600mm×1000mm程度が多いです。

さらに、モジュールを配置して架台でひとまとめにした単位が「アレイ」です。いわゆる太陽光発電として見るのは、この形ですね。アレイのサイズは、基本的には土地面積に合わせて縦と横方向にモジュールを積み上げていくことで決まります。

重ねる段数によって、前のアレイからの影の長さや架台の強度設計に影響を与えます。

2.太陽光発電システムの仕組み

太陽光パネルが発電する仕組みや種類について理解できましたが、太陽光パネルが何枚あっても発電するだけで、その電気を利用することはできません。発電した電気を利用するためには、太陽光パネル以外の周辺機器とともに太陽光発電をシステムとして設計する必要があります。

そこで本章では、太陽光発電システムの構成と各機器の役割について解説していきます。

(1)太陽光発電システムの構成と電気の流れ

太陽光発電システムは、次に示す概略図のような構成になっています。

システム

産業用太陽光発電の場合は、電気を消費せずにすべて売電します。そのため太陽光パネルで発電した電気は、接続箱やパワーコンディショナといった機器を経由して、売電メーターから電力系統へ送電します。

電力系統側へ電気を送電することを、通常の電気と逆の流れになるため「逆潮流」といい、逆潮流させるためには電力会社や経済産業省への申請が必要です。

一方で住宅用太陽光発電の場合は、住宅で自家消費した上で余った電力を売電します。そのため、電気の流れは産業用太陽光発電でいうと、パワーコンディショナと売電メーターの間に住宅用分電盤がサンドイッチされている状態になります。

システム

(2)太陽光発電システムに必要な機器と役割

太陽光発電システムを構成する周辺機器が、それぞれどのような役割を持っているのか、簡単に解説していきます。

①太陽光パネル

冒頭に述べたように、太陽の光エネルギーを電気エネルギーへ変換する機器です。

太陽光パネル裏には、パネル同士を回路組みするためのコネクタがあります。この回路のことをストリングと呼び、モジュール1枚1枚をケーブルで繋いで、パワーコンディショナへ電流を受け渡しています。

パネル

②接続箱

接続箱は、太陽光パネルで発電した電気を1つの回路にまとめてくれる機器です。アレイに設置する太陽光パネルが多いと、ストリングが複数になります。パワーコンディショナのタイプによっては、そのままではすべて入力ができないことがあるからです。

次に述べるパワーコンディショナには、接続箱の機能が具備されているマルチストリングタイプもあります。

③パワーコンディショナ

太陽光パネルで発電した直流電流が、住宅で利用したり売電できるように交流電流へ変換してくれる機器です。また、売電時には系統側の電圧を見ながら逆潮流する電圧を調整する機能も持ち合わせています。

このようにパワーコンディショナは、自家消費や売電を行ううえで中核をなす機能を有しているため、太陽光発電システムの心臓部ともいわれます。

上記以外にも、出力抑制の命令に合わて売電量を調整する機能や、災害時に非常用電源として使える自立運転機能、発電量を最大化するMPPT制御機能など、さまざまな機能を備えています。

④架台

太陽光パネルをアレイにひとまとめにして、地面や屋根に固定する台のことです。

地面設置の場合はコンクリートや杭などの基礎を使って、屋根設置の際は屋根材ごとに用意されるアタッチメントで固定をします。主にスチールやアルミなど長期間屋外に設置しても、耐えられる金属材料が使われます。

⑤モニター、表示器、HEMS

太陽光発電でどれだけ発電・売電をしているのかを、画面で確認できる機器です。専用のタブレット機器はもちろん、PC画面でも見られます。

メーカーによってモニターや表示器と表記が異なりますが、基本的には同じ機能です。履歴も残るので、発電状況から機器の異常がないかの把握が可能です。モニターの機能アップ版として、HEMS(ホームエネルギーマネジメントシステム)という機器もあります。

インターネット回線につないで外部からリアルタイムで発電状況を確認し、気象情報と照らし合わせて発電異常の疑いを検知してメール等でお知らせしてくれる機能があります。

3.太陽光発電を支える制度の仕組み

太陽光発電がこれだけ一般住宅に普及した背景には、太陽光発電を支えている制度の存在があります。制度を理解せずに、太陽光発電は語れません。

いま現在の制度と、今後その制度がどうなるかを含めて把握していきましょう。

(1)固定価格買取制度で売電が可能に

固定価格買取制度とは、再生可能エネルギーの普及を目的に2012年7月に導入された制度です。これによって、太陽光発電を含めた再生可能エネルギーで発電された電気を、国が定める一定の期間・一定の価格で購入することが電力会社に義務づけられました。

固定価格買取制度はFeed-in Tariffと英訳されますので、頭文字を取って通称「FIT制度」とも呼ばれます。この固定価格買取制度は、もともとドイツやスペインなど再生可能エネルギー先進国で導入されており、それを日本でも取り入れた形です。

制度導入によって、太陽光発電に売電という経済メリットが生まれ、日本国内の太陽光発電導入量は飛躍的に増えました。

グラフ

出所:資源エネルギー庁「再エネのコストを考える」

日本が固定買取制度を導入した背景は、エネルギー施策の課題です。京都議定書の締結等で世界的に二酸化炭素排出量の削減に向かう動きの中、日本はエネルギー自給率が低さや福島第一原発事故による原発停止という課題に直面していました。

そこで、再生可能エネルギーの導入拡大というエネルギー政策として固定価格買取制度を打ち出し、その施策が見事にあたったのです。

実はこの電力を買い取る原資は、再生可能エネルギー発電促進賦課金という形で日本国民で平等に等分して負担をしています。毎月の電気料金の領収書をよく見てみると、以下のように再生可能エネルギー発電促進賦課金の項目があるのがわかります。

表

日本全体で、再生可能エネルギーの普及を支える制度の仕組みになっているのです。

(2)余剰買取と全量買取

固定価格買取制度において、太陽光発電は余剰買取と全量買取の大きく2つに区分されています。余剰買取は、設備規模が10kW未満の住宅用太陽光発電に適用され、自家消費をして余った電気を売電する形です。

一方で、全量買取は設備規模が10kW以上の産業用太陽光発電に適用され、消費をせず発電した電気すべてを売電します。

次の表が、太陽光発電の2019年度の買取価格をまとめたものです。

表

出所:資源エネルギー庁「固定価格買取制度>買取価格・期間等」

2020年度以降の買取単価は、現時点で未決定の状態になっています。

①固定価格買取制度は2019年度で終了か

上記の表で2020年度以降は未決定となっていますが、実は経済産業省の検討委員会で実施可否を含めた検討が進められています。読売新聞オンラインの記事「太陽光発電の買い取り終了へ…「市場取引」導入検討」にもあるように、固定価格買取制度は2020年度以降廃止する意向であることが報道されました。

廃止理由は、再生可能エネルギー賦課金の国民負担増を懸念してといわれています。

固定価格買取制度が終了後も、電力会社によって買取は行われます。

FIT終了の詳細については、スマエネの記事「太陽光発電のFIT制度が終わる!?2020年には関連法が改正される見込み」でも解説しているのでご参照ください。これらの事項はまだ決定されたわけではありませんが、今後の動向を注視していく必要があります。

4.太陽光発電の経済メリットの仕組み

どのくらい発電してどれだけ売電によって収入を得られるのか、太陽光発電の経済メリットの仕組みを解き明かしていこうと思います。

(1)発電量の目安は容量でわかる

太陽光発電の発電量は、設置したエリアの太陽光の日射量と太陽光パネルの変換効率から求められます。ただし、日射量を調べる必要があり、実際にはアレイの角度や方位など変換効率以外にも考慮しなければならないパラメータも多いため、素直に計算しようとすると思った以上に時間がかかります。

実は設備容量がわかれば、ざっくりとした年間発電量を計算できるのです。それが、設備容量×1,000という計算式です。これだけで、その設備が年間にどれだけの発電量になるのかがわかります。

たとえば、太陽光発電の設備容量が50kWであれば、1,000を積算した50,000kWhが年間発電量の目安になります。もちろん、上述したように設置するエリアやアレイ角度など、実際の条件によって詳細な発電量は変わるため、あくまで参考程度として捉えてください。

(2)売電収入の目安は年間24〜120万円

目安の発電量から、年間の売電収入の目安も算出できます。

上記の例で挙げた、設備容量48kWの太陽光発電で考えてみましょう。設置エリアを東京とすると、出力制御機器設置対応義務なしのエリアなので買取単価は24円/kWhになります。つまり、売電収入は50,000kWh×24円/kWhで年間で約120万円です。

全量買取で20年間売電すると、約2,400万円の売電収入を得られます。設備や土地の初期費用やメンテナンスなどのランニング費用を2,400万円以下で準備できれば、その分だけ利益を得られるのです。

仮に全量買取の最低容量10kWで考えると、売電収入で24万円が毎年入ります。つまり、全量買取で50kW未満の低圧であれば、24万円〜120万円が収入の目安になります。

関連記事:副業で太陽光投資ってどうなの?経験者4人にリアルな声を聞いてみた

5.太陽光発電の理解に仕組みの把握は不可欠

太陽光発電を理解するためには、発電とシステム、そして制度の3つの仕組みを把握することが一番の近道です。1つ1つの仕組みの理解と併せて、その関係性も把握することでより深く太陽光発電を理解できます。

また、直近で3つの仕組みにはどれも新たな風が吹き始めています。発電であれば有機系太陽電池の登場、システムであればHEMS、制度であればFIT終了による新制度への移行と、情報が日々アップデートされています。

アンテナを貼って最新情報をウォッチしながら、今後の太陽光発電市場の動向を見守っていきましょう。

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著者 今野 彰久

スマートエネルギー事業部の部長です。
自身でも太陽光投資をしているため、投資する方の目線でのご紹介を得意としています。

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