太陽光発電の仕組みが図解でわかる!発電の原理から制度まで徹底解剖

いまでこそ、ありふれた存在になった太陽光発電ですが、その詳しい仕組みがどのようなものかご存じでしょうか?


太陽光発電所がどうやって発電しているのか、どういった制度のもと売電を行っているのかは、意外にも知られていません。


そこで、本記事では太陽光発電所が発電する原理、および売電の制度をご説明します。

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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。

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最初に押さえておきたいポイントです。

(1)半導体を利用して光エネルギーを電気に変換している

通常、太陽光を浴びると、その対象は熱を持ちます。これは、光エネルギーが熱エネルギーに変換されている状態です。

太陽電池では、この熱エネルギーへ変換されるはずの光エネルギーを、電気エネルギーへ変換しています。

図

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ている「半導体」に、変換する仕組みの秘密があります。

2つの半導体がプラスとマイナスにわかれて電池になる

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(電気を通す性質)が変わる物質の総称です。

太陽光パネルはプラスの電気を帯びやすい「P型半導体」と、マイナスの電気を帯びやすい「N型半導体」という、性質の異なる2つの半導体を重ねて構成されています。

これを「PN接合」といいます。

図

PN接合に太陽光を照射すると、2つの半導体に正孔(+)と電子(-)が発生し、正孔(+)はP型半導体へ、電子(-)はN型半導体へ移動します。

こうして、乾電池のようにプラスとマイナスの両極ができあがり、ここへ電線をつなげれば電流が流れるのです。

(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。

材料

主な特徴

単結晶

高コストであるものの変換効率が高く、狭い面積で発電する住宅用太陽光発電に利用される。

多結晶

変換効率は低いものの安価であるため、広い面積で発電する産業用太陽光発電に利用される。

アモルファス

結晶系より低コストで製造可能。柔軟に加工しやすい一方で、多結晶より変換効率は低い傾向。

多接合型

結晶系シリコンとアモルファスを重ねた異素材混合の材料。

 

各素材が異なる波長帯域の光を吸収するため、より多くの電気エネルギーを生み出す素材として研究が進められている。

図

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済み、軽量で柔軟に使える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。

材料

主な特徴

CIS

化合物系の中で最も一般的な太陽電池。コストは安価で変換効率は低いものの、温度変化に強く実発電量は多い。

CIGS

CISにガリウム(Ga)を加えた改良版で、似た特性を持ちながらCISよりも変換効率は高い。

CdTe

カドミウム(Cd)とテルル(Te)を混合しており、毒性があるため国内では利用禁止。欧米を中心に展開される。

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タイプの材料。

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・薄膜で着色もできます。

(3)太陽光パネルを構成するパーツも3種類

太陽光パネルは、セル・モジュール・アレイの3つから作られています。

図

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。

※1インチ=2.54cm

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。太陽光発電所として私たちが見るのは、アレイになったものです。

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.発電した電気を活用する仕組み

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。

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。

図

それぞれ、以下の役割を担っています。

機器名称

役割

太陽光パネル

太陽光から電気を生み出す。

接続箱

発電した電気を集める。

パワーコンディショナ

集めた電気を直流から交流に変換する。

モニター

太陽光発電所の様子、発電量を見られる。

売電メーター

電力会社へ売却した電力を計測する。

このうち、特に重要な役割を有しているのは、太陽光パネル・接続箱・パワーコンディショナの3つです。これら3つの機器があるからこそ、太陽光から電気を生み出して「売電できる状態」に変換し、電力系統を通じて電気を売却できるのです。

「全量買取」を選択している産業用太陽光発電の場合は、電気を自家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、売電メーターを通り電力系統へ送電されます。

一方で住宅用太陽光発電の場合は、住宅で自家消費したうえで余った電力を売電します。

そのため、パワーコンディショナと売電メーターの間に、分電盤と呼ばれる「発電した電気を分配する装置」を設置した、下記のような状態となります。

図

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。

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(FIT制度)

固定価格買取制度(通称:FIT制度)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・一定の価格で売却できるようになりました。

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、太陽光発電に投資をするメリットが生まれ、日本国内の太陽光発電導入量は飛躍的に増えました。

図

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の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を目指し、固定価格買取制度を打ち出したのです。

なお、この電力を買い取る資金は「再生可能エネルギー発電促進賦課金」という形で、電気の消費者である私たち国民が負担をしています。

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。

図

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)固定価格買取制度における余剰買取と全量買取の違い

固定価格買取制度を利用した売電の形式は、余剰買取と全量買取の2つにわけられます。

  • 余剰買取:自家消費を行い、余った電気のみ売却できる
  • 全量買取:発電したすべての電気を売却できる

余剰買取は、自家消費をして余った電気を売電する形です。

住宅用太陽光発電、および2020年以降に固定価格買取制度の認定を受けた産業用太陽光発電所は、余剰買取のみ選択可能です。

一方、発電した電気をすべて売却できる全量買取は、2019年以前に認定を受けた10kW以上50kW未満の産業用太陽光発電所、および50kW以上の産業用太陽光発電所に適用できます。

年を追って買取価格は減少傾向にあり、2020年度の売電単価は住宅用太陽光発電が21円/kWh、産業用太陽光発電は50kWを境に13円/kWh、もしくは12円/kWhが適用される見込みです。

年度

10kW未満の売電単価

10kW以上の売電単価

2009年

48円

2010年

48円

2011年

42円

2012年

42円

40円+税

2013年

38円

36円+税

2014年

37円

32円+税

2015年

33円(35円)

29円+税

2016年

31円(33円)

24円+税

2017年

28円(30円)

21円+税

2018年

26円(28円)

18円+税

2019年

24円(26円)

14円+税

2020年(案)

21円

13円+税

12円+税(50kW以上)

①固定価格買取制度はいずれ廃止される可能性大

2020年は、これまでと同様に固定価格買取制度が継続されます。

しかし、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」で解説しているように、今後は固定価格買取制度そのものが廃止されて、新たな制度「FIP制度」に置き換わる可能性が出てきました。

なお、固定価格買取制度の廃止前に認定を受けた太陽光発電所は、制度が変更されても当初定められた期間までは同条件で売電を継続できます。

4.太陽光発電で収益が得られる仕組み

売電収入の獲得を目的とした太陽光発電の運用を「太陽光発電投資」と呼びます。

この章では、特に投資目的で運用される産業用太陽光発電にフォーカスし、太陽光発電により収益を得られる仕組みについてご説明します。

(1)買取期間全体の売電収入で設置費用以上の収益が得られる

前述した固定価格買取制度により、太陽光発電は安定した売電収入を得られます。

産業用太陽光発電の場合、固定価格買取制度は20年に設定されており、この期間中に売電を行うことで投資額を回収することが可能です。

このほか、太陽光発電を投資目的で運用するメリットは、大きく5つあります。

  • 表面利回りは10%前後、実質利回りは6~8%程度と高い
  • ローンを使って自己資金ゼロの状態からスタートできる
  • メンテナンス作業を委託すれば手間がかからない
  • 運用にあたり難しい知識や分析が必要ない
  • 節税対策や相続税対策として活用できる

利益率が安定しているだけでなく、自己資金や運用にかかる手間、難しい知識を必要としない点も魅力なのです。

さらに、産業用太陽光発電であれば表面利回りは10%、実質利回りは6~8%程度であるため、設備の設置費用を15年程度で回収できます。

固定価格買取制度が20年であるため、制度の期間を終えるまでに十分なリターンを得ることが可能です。

(2)売電収入の目安は?

スマエネに掲載している物件のうち、産業用の太陽光発電所を1つ例にして「売電収入の目安」をご説明します。

今回例にする「熊本県菊池郡案件」の場合、販売価格や想定発電量、売電収入は以下のようになります。

熊本県菊池郡案件の基本情報

販売価格(税込)

1,750万円

売電単価(税込)

15.4円/kWh

初年度想定発電量

117,497kW

初年度想定売電収入(税込)

180万9,454円

20年間の売電収入(税込)

3,452万586円

ランニングコスト

メンテナンス費

226万8,000円

損害保険料

80万円

固定資産税

153万3,317円

地代・賃料

100万円

ローンの利息

330万3,640円

20年間のランニングコスト合計

890万4,957円

ランニングコストを差し引いた利益額

2,561万5,629円

表面利回り

10.3%

実質利回り

7.32%

販売価格は1,750万円、表面利回りは10.3%と平均的な条件の産業用太陽光発電所です。

しかし、ランニングコストを加味しても、20年後に2,500万円超の利益が手元に残り、固定価格買取制度の期間内に投資額以上の売電収入を得られることがわかります。

なお、このように20年間の運用を想定したシミュレーションは、スマエネが掲載する物件の各ページから参照可能です。

5.仕組みを知れば太陽光発電投資の成功はグッと近づく

近年、投資商品として注目を集めている太陽光発電は、今回ご説明した仕組みによって成り立っています。

太陽光発電の構造、売電にまつわる制度の仕組みを理解しておけば、太陽光発電投資をスタートする前の準備としては十分。

本記事の内容をすべて把握すれば、販売業者や管理委託先の業者との会話に困ることもなく、問題なく太陽光発電所を購入・運用できるはずです。

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今野 彰久

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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