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太陽光発電の仕組みをおさらい!発電システムや産業用設備の仕組みもわかりやすく解説!

2019.4.27

再生可能エネルギーの中でも急激に普及してきている太陽光発電。導入を検討している方は、太陽光発電の仕組みについて簡単に理解しておくと良いでしょう。

この記事では、太陽光発電の仕組みやシステムの構成要素、家庭用太陽光発電と産業用太陽光発電の違いについてご紹介します。
太陽光発電に関する基礎知識としてお読みください。

太陽光発電の仕組み:太陽電池を利用

太陽光発電は、「太陽電池」を利用した発電方式です。
太陽電池は太陽の光エネルギーを、電気エネルギーへと変換します。シリコンをはじめとする半導体が有する「光電効果」という作用を利用した方式です。

太陽電池は燃焼などをともなわず「直接」電気エネルギーを生み出すため、地球への害はありません。光エネルギーが熱に変わってしまう前に、電気として利用します。

なお、「電池」という名前がついていますが、一般的な乾電池のように電気を蓄えておく機能はありません。

【詳しく解説】太陽電池の仕組み

太陽電池がどうやって発電するのか、さらにくわしい仕組みをご紹介します。

太陽電池の半導体として最も代表的なものはシリコン系です。このタイプの太陽電池は活発な電子(伝導電子)が多い「N型」のシリコンと、活発な電子が少ない「P型」のシリコンを重ね合わせて構成されています。

N型シリコン(半導体)とP型シリコン(半導体)の接合部に光が照射されると電子(-)と正孔(+)が発生し、それぞれN型側、P型側へと引き寄せられます。これは、「電子を外部に押し出す力(起電力)」が生じている状態です。

この状態でN型シリコンとP型シリコンの両端に電球など負荷を接続すると電流が流れ始めます。

太陽電池の仕組み
太陽電池の仕組み

太陽電池の集合体がソーラーパネル

太陽光発電システムの中心と言えるのがソーラーパネルです。ソーラーパネルは複数の太陽電池によって構成されています。
ソーラーパネルの構成単位として「セル」「モジュール」「アレイ」があります。

セル

ソーラーパネルの最小単位がセルです。太陽電池素子そのものを指します。

モジュール

モジュールはセルを複数枚配置し、樹脂や強化ガラスで保護したパネル状の構成要素です。「太陽電池パネル」という名称も用いられています。

アレイ

モジュールを複数枚組み合わせ、ひとまとめにしたものがアレイです。

太陽光発電システムの仕組みは?

つづいて、太陽光発電システムの仕組みをご紹介します。
太陽光発電システムは「システム」という言葉が示すとおり、複数の機器の集合体です。それぞれの機器は違った役割を担っています。

一般的な太陽光システムを構成しているのは以下のような要素です。

太陽光発電システムの構成要素
太陽光発電システムの構成要素
  • 太陽電池
    太陽の光を受け取り、電気エネルギーに変換する。
  • 接続箱
    太陽電池から出る配線を集約し、パワーコンディショナーに接続する。
  • パワーコンディショナー(パワコン)
    直流電流を交流電流に返還する装置。太陽電池によって発電された電気を家庭で使える形に変換する役割を担う。
  • 分電盤
    交流電流を家庭の配線へと分配する装置。
  • 電力量計
    売電する電力量をメーターで可視化するための装置。

太陽光発電の発電量は?

太陽光発電の発電量は、システムの全体の規模と日射量に比例します。
また、光エネルギーが電気エネルギーに100%変換されるわけではないため、エネルギーのロスについても考慮する必要があります。

下記は発電量の簡単な計算式です。

発電量=システムの容量(kW)×日射量(太陽光の強さ)×損失係数(ロス)

システム容量は、単純に設置する太陽光パネルの容量と枚数によって決まります。
日射量は太陽光の強さのほか、天候、角度、季節、気温、地域などによって変動する要素です。
損失係数は太陽光パネルやパワーコンディショナーの変換効率によって決まります。
変換効率については「太陽光発電の発電効率とは?ソーラーパネルが影響しているって本当?」でくわしく解説しています。

変動要素が多いため確実な数字ではありませんが、太陽光発電システム設置容量1kWあたり年間1,000kWhほど発電する見込みです。
住宅用の太陽光発電システムは4kW程度の容量が一般的になっています。一般世帯が年間に消費する電力は約4,800kWhのため、4kWの太陽光発電システムがあれば8割程度の消費電力をまかなえる計算になります。

産業用太陽光発電設備の仕組みは?

ここまでは、家庭用太陽光発電システムの仕組みを中心にご紹介しました。
一方で、太陽光発電システムは産業用途でも普及しています。産業用の太陽光発電システムの仕組みは基本的に家庭用太陽光発電システムの仕組みと同じです。

細かな違いについて説明します。

産業用と家庭用の違い

マンション、オフィスビル、工場、倉庫、学校、病院、福祉施設、商業施設など、一般住宅以外に設置される太陽光発電システムはすべて「産業用」として区別されます。

上述したような太陽光発電の仕組み自体は産業用の場合も同じです。
企業の投資額によって規模の大きい設備が導入されたり、性能の良い機材が組み込まれたりすることがあります。

大きな違いは売却の仕組みです。

太陽光発電で発電された電気は固定価格買取制度(FIT)対象となり、電力会社に売却できます。住宅用太陽光発電では家庭で消費しきれなかった電気を売却する「余剰買取」が自動的に適用されます。

対して、産業用の太陽光発電では「余剰買取」と、発電した電力をすべて売却する「全量買取」を任意に選択可能です。
このことから、投資目的で太陽光発電を導入する企業も増えてきています。

全量買取制度を選択すれば発電した電気はすべて無駄なく売却可能です。
また、投資目的の場合、家庭用太陽光発電システムに加え、売電した電気の収支を記録するシステムや専用の計測用パソコン、遠隔監視サービスなどがあると便利です。


太陽光発電及び、太陽光発電システムの仕組みについてご説明しました。

シンプルな作用を利用した発電方式であることがおわかりいただけたのではないでしょうか。
導入コストが低下してきたことから、企業、一般家庭を問わず太陽光発電の導入件数が増えてきています。

導入の際にはシステムの仕組みや、それぞれの機器がどのように機能しているのか知っておくことが大切です。今回ご紹介した知識を機材の選定などにお役立てください。

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