【太陽光発電】の仕組みとは？電気が発生する原理を徹底解説！
- 2022/05/18
- オール電化・家庭用太陽光発電
- 家庭用太陽光
「太陽光発電」は、パネルに太陽光を当てるだけで電気を作る画期的な発電方法として広く世間一般で活用されるようになった技術です。
化石燃料を使用しないため、化石燃料の枯渇問題に対し解決の糸口になるのではないかと注目されています。
なぜ、太陽光を当てるだけで電気が発生するのでしょうか？
「太陽光発電」の仕組みや、ソーラーパネルの種類についてご紹介します。
また、環境にやさしく大きな可能性を秘めた「太陽光発電」は、世界中でさまざまな用途に利用されています。
「太陽光発電」が持つメリットとデメリット、誰もが知る有名企業が取り組んでいる、太陽光発電を用いた環境に優しい取り組み事例についてもあわせてご紹介します。
目次
太陽光発電とは？仕組みを解説
2018年9月6日に北海道胆振東部にて最大震度7の地震が発生し、それにともない「ブラックアウト」と呼ばれる大規模停電が起こり世間を騒がせました。
ブラックアウトとは、大手電力会社が管轄するすべてのエリアで停電が起こることを指します。
電気の需要と供給のバランスが、大きく崩れたことが原因です。
停電はさまざまな弊害をもたらします。
太陽光発電など自家発電設備のない建物においては、ほとんどの家電やシステムが使用できなくなり、太陽光パネルを設置せずにオール電化にしているご家庭では食事が作れないことやお風呂にも入れないなどの事態になります。
その他にも携帯電話の基地局が停電による影響のため、携帯電話の電波が使用できず、さらにはWi-Fiが使用できないため、インターネットに接続しづらく情報を得にくくなります。
北海道の地震では、停電から2日ほどでほとんどの電気が復旧し普段どおりの生活に戻ることができました。
しかし、またいつ災害が起きて停電するか分かりません。
化石燃料由来の発電電力に依存しない、どこにでも存在するエネルギーとしての太陽光発電や、太陽光発電で作った電気をためておける蓄電池に今あらためて注目が集まっています。
太陽光を電気に変える仕組み
太陽光発電とは、太陽の光を集めて電気を作るシステムのことです。
なぜ、太陽光で電気が作れるのでしょうか？
それは、私たちが外でたまに目にするソーラーパネルに秘密があります。
ソーラーパネルには2種類の半導体が含まれており、半導体に太陽光が当たると、それぞれ乾電池におけるプラスとマイナスの役割を持った部分に変わります。
そのため、太陽光が当たったソーラーパネルは乾電池と同じ状態になり、ソーラーパネルに電線をつなげば電気が流れます。
自宅に設置したソーラーパネルの場合、以下のように電気が送られ、電力として利用できるようになります。
ソーラーパネル → パワーコンディショナー → 自宅の家電
ソーラーパネルで作られた電気は「パワーコンディショナー」と呼ばれる機器により、家庭で使えるよう電圧や周波数が変換されます。
変換された電気は自宅内に送られ、家電などに利用できます。
発電できる電気の量
太陽光発電の発電量を知るうえで、理解すべき単位が2種類あります。
- kW（キロワット）：瞬間的に生み出せる電力の大きさ
- kWh（キロワットアワー）：1時間発電し続けたときの実際の発電量
kWは太陽光発電に用いる機器の性能の高さを示しており、kWhは実際に作られた電力量を示します。
日照時間が短い場合は、例えkWの数値が高くても、kWhの数値は低くなります。
例えば、4.5kWの性能を持つ太陽光発電を導入した家があるとします。
天候の差を考慮しない場合、年間で約4,500kWhの量を発電でき、1日だと約12.3kWhの量を発電できます。
12.3kWhは、家庭で頻繁に利用するさまざまな家電を以下の時間、使用できる量にあたります。
| 家電名 | 12.3kWhの電気量で使用できる時間 |
|---|---|
| 冷蔵庫（消費電力：150W） | 82時間 |
| テレビ（消費電力：20W） | 615時間 |
| エアコン（消費電力：2,000W） | 6時間 |
| 電子レンジ（消費電力：1,300W） | 9時間 |
| 充電器につないだスマートフォン（消費電力：15W） | 820時間 |
| パソコン（消費電力：150W） | 82時間 |
| LED照明器具（消費電力：4W） | 3,075時間 |
以下の計算式より算出
・ 1kW（キロワット） ＝ 1,000W（ワット）
・消費電力量 kWh（キロワットアワー）＝ 消費電力 kW（キロワット）× 時間 h（アワー）
またこれらの時間は、あくまで1日かけて作った電力をその家電製品のみで使用した場合の時間です。
通常なら複数の家電製品を同時に使用するため、実際に利用できる時間は短くなります。
太陽光発電で作った電気をできるだけ効率よく利用するには、以下を心がけるとよいでしょう。
- 消費電力が大きな家電の利用をできるだけ控える
- 蓄電池を導入し、余った電気を貯める
家電により消費電力が大きく異なります。
普段あまり意識することはないかもしれませんが、家電のマニュアルに記載されている消費電力を確認しましょう。
消費電力が多い家電の使用を控えるだけでも、電力会社から電気を買う量を減らすことができます。
太陽光発電の設置に必要な機器
自宅で太陽光発電を行うためには、以下の機器が必要です。
| 必要な機器 | 詳細 |
|---|---|
| ソーラーパネル | 太陽光を集めて電気を作るためのパネルです。太陽光発電の要であり、住宅の屋根にあわせて適切な方法で取り付けます。 |
|
接続箱（接続ユニット） | ソーラーパネルとパワーコンディショナーを接続するためのケーブルです。ソーラーパネルで作られた電気をパワーコンディショナーへ送るため設置は必須です。屋外の設置が多いため、雨風に強い素材でできています。 |
|
パワーコンディショナー | 家庭で使えるように、電圧と周波数を変換する役割があります。太陽光により作られた電気は、電圧や周波数が異なるためそのままでは家電に使用できません。そのためパワーコンディショナーの設置は必須です。 |
|
屋根取付金具 |
|
| ブレーカー（分電盤） | パワーコンディショナーから送られてきた電気を自宅にあるすべての部屋に振り分ける役割を持っています。どの家にもすでにブレーカーはありますが、太陽光発電で作った電気を接続し振り分けるには、新しくブレーカーを交換するか増設する必要があります。 |
| 蓄電池 |
太陽光発電により作られた電気を貯めておける機器です。太陽光発電を自宅に導入するとき、必ずしも設置する必要はありません。しかし災害時や停電時に非常用電源として利用できるうえ、夜間に充電し日中使用すれば電気代が大きく節約できます。蓄電池のコストは年々下がってきているため、太陽光発電と同時に導入することをおすすめします。 |
ソーラーパネルは基本的に屋根に取り付けますが、屋根に穴を開けるのか気になる方もいらっしゃるでしょう。
ガルバニウム鋼板など金属の折半屋根、縦葺き屋根、横葺き屋根などの場合はキャッチ工法という設置方法を採用し、特殊金具を屋根に締め付けるように取付し、屋根本体への加工をせずに太陽光パネルを固定することが可能です。
その他の屋根材の場合は屋根に直接穴を開け、指示を屋根に取付し、ソーラーパネルを固定します。その際に、加工した部分に隙間が空かないようにコーキング剤を注入し、防水処理を施します。
この作業を雑に施工してしまうと、雨漏りなどの原因となってしまうため、注意しながら丁寧に作業を実施する必要があります。
DIYで取り付ける方法がよくネット上で紹介されていますが、適切に行わないとズレたり発電に不具合が起きたりする 可能性があります。
何よりも高所作業のため、転落してケガをする危険性があるため、できるだけ業者や専門家に設置を依頼することをおすすめします。
太陽光発電には欠かせない「ソーラーパネル」の仕組み
太陽光発電と聞くと思い浮かべるソーラーパネルは、太陽光電池が複数集まってできたものです。
ソーラーパネルの仕組みについて、もう少し詳しく見ていきましょう。
「ソーラーパネル」の構造単位
ソーラーパネルには構造単位があり、一番小さな単位は「セル」、セルが複数集まってできたものを「モジュール」といいます。
自宅の屋根に取り付けるのは、このモジュールです。
家庭用と産業用の違い（固定価格買取制度）
ソーラーパネルには、住宅の屋根に取り付ける「家庭用」と、広大な土地に複数のパネルを設置して使用する「産業用」があります。
ふたつの違いは、以下のとおりです。
| 家庭用 | 産業用 | |
|---|---|---|
| 電気の出力量 | 10kW未満 | 10kW以上 |
| 作った電気の使い方 |
・家庭で消費 ・余った電気を売電する | ・作った電気をすべて売電する（※1） |
| 売電価格（2022年） | 17円/1kWh |
10kW以上50kW未満：11円/1kWh 50kW以上250kW未満：10円/1kWh |
| 買取期間 | 10年 | 20年 |
※1
10kW以上50kW未満の事業用太陽光発電には、2020年度から自家消費型の地域活用要件を設定する。ただし、営農型太陽光発電は、3年を超える農地転用許可が認められる案件は、自家消費を行わない案件であっても、災害時の活用が可能であればFIT制度の新規認定対象とする。
引用：経済産業省「〜固定価格買取制度〜」（https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/kaitori/fit_kakaku.html）より
売電価格に記載された料金は、2022年時点のものです。
2012年から2022年までの10年間、以下のように固定価格買取制度による売電価格は年々下がり続けています。
| 家庭用 | 産業用 | |
|---|---|---|
| 2012年 | 42円 | 40円＋税 |
| 2013年 | 38円 | 36円＋税 |
| 2014年 | 37円 | 32円＋税 |
| 2015年 |
出力制御設置義務あり：35円 出力制御設置義務なし：33円 | 29円＋税 |
| 2016年 |
出力制御設置義務あり：33円 出力制御設置義務なし：31円 | 24円＋税 |
| 2017年 |
出力制御設置義務あり：30円 出力制御設置義務なし：28円 | 21円＋税 |
| 2018年 |
出力制御設置義務あり：28円 出力制御設置義務なし：26円 | 18円＋税 |
| 2019年 |
出力制御設置義務あり：26円 出力制御設置義務なし：24円 | 14円＋税 |
| 2020年 |
21円 |
10kW～50kW未満：13円＋税 50kW～250kW未満：12円＋税 |
| 2021年 |
19円+税 |
10kW～50kW未満：12円＋税 50kW～250kW未満：11円＋税 |
| 2022年 |
17円 |
10kW～50kW未満：11円 50kW～250kW未満：10円 |
引用：経済産業省「〜固定価格買取制度〜」（https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/kaitori/fit_kakaku.html）より
家庭用の売電価格に記載されている「出力制御」とは、電力会社が電力の過剰供給を防ぐために電力の出力量を制限できる状態にあることをいいます。
「太陽光発電」のメリットとデメリット
太陽光発電のメリットは、以下が挙げられます。
- 自然のエネルギーを利用するため、化石燃料を使わなくてよい
- 発電時に二酸化炭素などを出さないため、環境にやさしい
- 太陽光で電気を作り、消費するまでのしくみが単純なため、管理しやすい
- 自家発電が可能
太陽光発電は「再生可能エネルギー」とも言われており、太陽光という永続的に利用できるエネルギーを源にしています。
そのため化石燃料のような有限の資源に頼る必要がなくなり、将来起こる化石燃料不足時でも安定して電気を供給できることが期待されています。
また2011年の東日本大震災や、2018年の北海道胆振東部地震などの大きな災害で停電になったとしても、「蓄電池」を家庭に導入していれば非常用電源として利用でき、電気が使えないトラブルを回避することも可能となります。
今後も地震を含む災害が起こる可能性は非常に大きいため、太陽光発電を導入する際には「蓄電池」もあわせて検討されることをおすすめします。
一方で、太陽光発電のデメリットは以下が挙げられます。
- 雨や曇りの日、夜間は発電できないなど、天候条件に左右される
- 導入コストが高い
太陽光発電は太陽光を利用して電気を作るため、雨や曇りの日および夜間は作れる電気の量が減ります。
雨や曇りの日が続く場合や日照時間が少ない冬の時期などは、なかなか電気が作れないため、足りない電気は電力会社から買うことになります。
また、太陽光発電は導入コストがかかります。
ただし太陽光発電や蓄電池における技術は急速に進んでおり、以下のグラフのように導入コストは年々減っています。
引用：資源エネルギー庁「太陽光発電について P70」（https://www.meti.go.jp/shingikai/santeii/pdf/063_01_00.pdf）
将来、よりコストが下がり続ければ、導入コストがデメリットにならなくなるでしょう。
太陽光発電の導入が当たり前になる日も近いかもしれません。
太陽光発電の活用事例
太陽光発電の導入について解説してきました。
ここからは、太陽光発電を活用した事例をいくつかご紹介します。
【Amazon.comが三菱商事から太陽光エネルギーを購入】
2021年9月にアメリカの大手通販企業「Amazon.com」が、三菱商事より太陽光エネルギーを購入する契約を結びました。
首都圏と東北地方に設置している450か所以上の太陽光発電施設から電力を買い取ります。
これは日本の一般家庭約5,600世帯以上の電力に相当し、2030年までにAmazonにおける全世界の事業を再生エネルギーのみで賄うことを目指しています。
【ソフトバンクが2030年までに温室効果ガス排出量を実質ゼロへ】
大手電気通信企業のソフトバンクは、2030年までに温室効果ガスの排出量をゼロにする目標を掲げました。
目標達成に向け、事業における電力を再生エネルギーのみで賄うための取り組みを行なっています。
具体的には、携帯電話基地局の太陽光発電化やメガソーラーパネルの設置などがあります。
【一般家庭におけるガス代、電気代が安くなった】
太陽光発電を導入すれば自家発電できるため、電力会社から買い取る電気の量が減り電気代が安くなります。
またIHやエコキュートなどを導入しオール電化にすれば、ガス代がかかりません。
ガスに頼らない分電気を使用するため電気代がかかりますが、自家発電して電力消費の多い家電の使用を抑えれば、ガスや灯油を用いていた頃に比べて全体の光熱費が安くなります。
スマートグリッド・マイクログリッドの確立
スマートグリッドとは、電力を供給する発電所と電気を消費する家庭をネットワークでつなぎ、電力の需要と供給のバランスを確認することを指します。
太陽光発電を導入した状態でスマートグリッドを利用すれば、電気の発電量や供給量を遠方から調整できます。
つまり、必要な電力をいつでも双方間でやりとりできるということです。
電力需要のピーク時に、各家庭から余った電力を集めれば、大規模な停電を避けられます。
一方でマイクログリッドとは、通常は再生可能エネルギーを利用した発電を行い、停電などの非常時には発電ネットワークを切り替え、定められたエリア内で電力の地産地消を行う仕組みを指します。
マイクログリッドを確立し臨機応変に電力ネットワークを切り替えられれば、再生可能エネルギーを利用して作られた電気を効率よく使用することができます。
このように太陽光発電を利用すれば、家庭や企業で消費しきれなかった余剰電力を必要としているところへ送電線を利用し効率よく供給できます。
「太陽光発電」の今後の課題
太陽光発電は家庭用と産業用ともに普及していますが、国の主力電源化として利用するには、まだ複数の課題が残されています。
気候状況により発電力に差が出やすい
3章で太陽光発電のデメリットについて述べましたが、太陽光発電は太陽光を利用して電気を作るため、太陽光が当たらない日や時間は電気が作れません。
そのため、気候状況に左右されないような太陽光発電の技術開発が必要です。
そこで現在、再生エネルギー同士をつないで発電する「VPP」という技術に期待が集まっています。
VPPは、各地に設置されている太陽光発電や風力発電、水力発電などの再生エネルギーを扱う発電所同士をネットワークでつなぎ、まるで一つの大きな発電所のように利用する技術です。
インターネット技術の発達により、家庭で使っている家電製品から発電所へ情報が送られるようになり、同様に発電所同士もネットワーク技術でつなぎ、電気の需給バランスをとるというものです。
そのため日照時間が長い場合は太陽光発電を、風が強い日は風力発電を、というように状況により発電方法を柔軟に変化させることで、再生エネルギーを効率よく利用できます。
VPPの技術が確立されると、気候の変化により再生エネルギーがうまく利用できないデメリットがなくなります。
再生可能エネルギー発電促進賦課金の問題
「再生可能エネルギー発電促進賦課金」とは、電力会社が再生可能エネルギーを買い取るために必要な費用を電気の使用量として電気を使用しているすべての方から徴収する費用のことです。
※2022年現在では、一般家庭の平均月額は897円ほどです。（各電力会社の金額を参照）
「再生可能エネルギー発電促進賦課金」は、電気を利用しているすべての家庭の毎月の電気料金内に含まれており、電力会社へ支払われています。電気料金の明細書には「省エネ賦課金」として記載されています。
しかし余剰電力が多ければ多いほど電力会社が買い取る電気量が増えるため、「再生可能エネルギー発電促進賦課金」の負担が増えてしまうのも課題の一つです。
太陽光で作った電気を貯められない
太陽光で作られた電気は、「蓄電池」がなければ貯めておけません。
というのも、流れる電気をそのまま貯める技術がないためです。
しかし蓄電池があれば、太陽光で作った電気を貯めておき、必要時にその貯めた電気を使用することができます。
太陽光発電の導入時に蓄電池の設置は必須ではありませんが、災害などによる停電時に、太陽光発電ができない夜間などに電気が使用できないというウィークポイントを回避することができます。
あらゆる災害時に電気に困らないご自宅を検討されている方は、太陽光発電を導入する際に蓄電池も同時に検討することをおすすめします。
まとめ
「太陽光発電」の仕組みについてご説明しました。
化石燃料に頼らなくても太陽光を当てるだけで発電できるため、再生可能エネルギーを使った非常に画期的なシステムです。
自宅で電気を作りつつ、消費量も抑えることができれば、電気代を0円に近づけることも可能です。
さらにエコキュートやIHなどを併用し「オール電化」にすることで、ガス代を削減し光熱費全体を抑えられます。
太陽光発電の導入コストは年々減少しており、2030年には化石燃料が必要な発電所よりも「太陽光発電」の方が低コストで稼働できるという研究結果も出ています。
さらにVPPと呼ばれる、再生エネルギー同士を結んで効率よく発電する技術が進めば、天候により発電量が安定しないというデメリットがなくなるかもしれません。
原子力発電所や、化石燃料に頼らなくて済む「太陽光発電」の技術に、今後も大いに期待できそうです。
