太陽光発電の仕組み

家庭用の太陽光発電の仕組みはどうなっているのでしょうか?

屋根に乗ったソーラーパネルが電気を作り出し、室内のコンセントに電力が供給されるまでの流れを簡単な図にまとめました。

太陽光発電の仕組み

太陽電池(ソーラーパネル)

太陽電池(ソーラーパネル)とは、太陽光の光エネルギーを直接電力に変換するための装置です。
太陽電池に光のエネルギーが当たると、電子によって光エネルギーが吸収され、直接、電気に変換されて出力される仕組みになっており、各メーカーから様々なソーラーパネルが発売されています。電池という単語を聞くと、乾電池を思い浮かべるかもしれませんが、ソーラーパネルには電力を貯める力はありません。
電気を貯める場合には別途、電気を貯めるための蓄電池が必要になります。

接続箱

接続箱とは、太陽電池(ソーラーパネル)から出ている沢山の配線を一本にまとめるための装置です。
通常、屋根には複数枚の太陽電池(ソーラーパネル)を設置しますが、その場合、それぞれ5枚一組ずつなど、決まった単位で電気配線することになるので、沢山のケーブルがを1つにまとめる必要が出てくるのです。そこで、接続箱によって1つにまとめた配線を、パワーコンディショナ(直流電力を交流電力に変換する装置)に接続することになります。

パワーコンディショナ

パワーコンディショナとは、直流電力を交流電力に変換するための装置です。太陽電池(ソーラーパネル)で発電した電気は、乾電池のように常に電圧が一定の直流電力です。直流のままでは一般の電気製品に使用する事ができませんので、これを、一般家庭で使用しているコンセントから得られる電気と同じ交流電力(電圧が一定の周期で変動する電力)に変更するために使用します。

分電盤

分電盤とは、電気を安全に使用するために必要なブレーカーを1つにまとめた箱のことで、ここから家庭内の各コンセントや照明器具などに電気が枝分かれしています。

電力量計

電力量計とは、電力会社に売った電力や、購入した電力を計量するためのメーターです。売電用と買電用の2種類の電力量計が必要となります。

 

太陽光発電によって電気が生まれる仕組み

 今までの発電の仕組みは、発電機を回して発電していましたが、太陽光発電は太陽電池(ソーラーパネル)によって光エネルギーを直接、電気に変換できる事が、太陽光発電の最大の特徴です。

太陽からの自然のエネルギーである光を利用するので、クリーンで地球に優しい発電方法と言われています。太陽電池内部に入った光のエネルギーが、電子によって直接吸収され、電力が発生する仕組み(光起電力効果)を利用して発電しています。

ここで、太陽光発電への理解をより深めるために、それ以外の代表的な発電方法について仕組みを簡単にご紹介します。

今までの発電の仕組み

現在、発電方法には様々な方法があります。火力発電、水力発電、風力発電、地熱発電、原子力発電などがよく知られていますが、どのような仕組で発電しているかというと、全て、運動エネルギーを電力に変えることで、発電しているのです。簡単にいうと、タービンといって、流体(蒸気や水、風など流れる物体)をとらえて回転運動に変換し、モーターのような構造の発電機を回し、発電しているのです。基本的にモーターと発電機は同じ仕組みです。

自転車についているライト(タイヤの回転によって発電するタイプ)を思い浮かべると想像しやすいかも知れません。回転運動から電力を生み出すことができるのです。

今までの発電の仕組みとして代表的なのが、下記の方法です。全て、発電機を回すことで発電しています。

火力発電

石油を使って火を起こし、水を沸かすことで生じた水蒸気の力で発電機のタービンを回して発電します。

地熱発電

こちらも火力発電と一緒で、地下から湧き出る温泉の水蒸気を利用して発電機のタービンを回し発電します。日本は地震大国であると同時に火山大国とも言われていますが、まだまだ北欧のアイスランドなどの火山大国に比べ地熱発電は普及しておらず、今後日本でも将来的に普及が見込まれているクリーンな発電方法でもあります。

水力発電

水の流れる力によって発電機のタービン回して発電します。
燃料を使わずに水の流れを利用しているため、クリーンな発電方法と言われています。

風力発電

風の力によって風車のような形の羽で回転力を生み出し、タービンを回して発電します。こちらも燃料は使わず風の力だけで発電できるためクリーンな発電方法になります。

原子力発電

簡単にいってしまえば仕組み的には火力発電と一緒ですが、火力発電のように石油を使うのではなく、原子力を使って水を沸かし、水蒸気を発生させて発電機のタービンを回しています。原子力発電所では、ウランを核分裂させることによって得られる莫大な熱エネルギーを利用して水を沸かしているのです。

原子力は、少量の燃料(ウラン)で莫大な熱エネルギーが取り出せるため非常に効率のよい発電方法と考えられて来ましたが、デメリットとして放射線の厳しい管理や、毒性のある放射性廃棄物の発生、そして万が一にも事故が起こってしまうと、取り返しのつかない程の影響が発生することから賛否両論があり、今後どうなっていくかは不透明な状況と言えます。

 

ソーラーパネルの種類

単結晶シリコン太陽電池

太陽電池開発の初期から利用されている仕組みで、高純度な珪素(シリコン)の薄い板(ウェハー)を利用した太陽電池です。

メリットとして、太陽の光エネルギーを電力に変換する効率(発電効率)は高いのですが、デメリットとしては生産コストが高いという難点があります。

多結晶シリコン太陽電池

結晶の粒が数ミリ程度のものを多結晶シリコンと呼び、これを利用した太陽電池を多結晶シリコン太陽電池といいます。

メリットとしては生産コストが安いため導入コストを安く済ませ、費用回収の期間(元をとる期間)を短くすることができますが、
デメリットとして発電効率は単結晶シリコンよりも低いことがあげられます。

アモルファスシリコン太陽電池

アモルファスシリコンという素材を利用した太陽電池で、他の素材のソーラーパネルと比べて高温時の出力低下が少ない事がメリットです。
(高温になる夏場の発電に対して有利になります。)
デメリットとしては、太陽の紫外線によりダメージを受け、劣化し、発電効率が落ちやすい場合があるので、メガソーラーなどの大規模な太陽光発電システムには向きません。

異なる素材どうしのメリットを生かすために、アモルファスシリコン太陽電池と結晶シリコン太陽電池を組み合わせたハイブリッド型(HIT太陽電池)が、パナソニックから販売されています。

CIS薄膜太陽電池

CIS薄膜太陽電池とは主な成分である銅(Copper)・インジウム(Indium)・セレン(Selenium)の頭文字をとった薄膜系の太陽電池です。

通常の太陽電池に使われる原料のシリコンは、99.9999%以上の高純度な原料が必要とされるため、今後の世界的な太陽光発電の需要だけでなく電子部品の材料としても利用されているため、供給不足による価格の高騰が心配されていますが、CIS薄膜太陽電池はシリコンを一切使用しないため、原料の供給不足に影響をうけることなく、安定して製品を供給することができます。

CIS薄膜太陽電池の特徴

優れたデザイン

結晶シリコン系とは異なり、素子が黒色のため太陽光の吸収率が高く落ち着いたブラックフェイスで様々な屋根にフィットするなど、デザイン性も高く評価されています。

より多くの光を吸収できる

優れた分光感度特性により、従来型よりも幅広い光の成分を吸収することができます。

部分的な影に強い

太陽光発電パネルの一部に影が出来た場合、従来の結晶シリコン系ではモジュール全体の出力が絶たれてしまい発電量が大幅に低下してしまいましたが、CISは発電部分の構造の見直しにより安定した発電を行えるのが特徴です。

周りの建物や樹木などによって、日中の屋根に部分的に影ができる場合は影に強いCIS薄膜太陽電池の設置がおすすめです。