太陽光発電は、環境に優しいエネルギー源として注目されています。しかし、その仕組みがどうなっているのかを正確に理解している人は、意外と少ないでしょう。太陽光発電に興味を持っているのなら、まずはその基本的な仕組みを知ることが大切です。この記事では、太陽光発電のシステムでは太陽光をどのようにして生活を支える電気エネルギーに変換しているのかを解説していきます。
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太陽光発電に使われる機器とは？
太陽光発電の仕組みを理解する上で欠かせないのが、必要となる機器の役割を知ることです。ここでは、太陽光発電に使われるおもな機器について紹介し、それぞれの役割と機能を解説していきます。
ソーラーパネル
太陽光発電の仕組みで必要なものの1つに「ソーラーパネル」があります。ソーラーパネルとは、太陽光を利用して発電するパネル状の装置のことです。これには「太陽光パネル」や「太陽電池板」、「太陽電池モジュール」といった名称もあり、大規模な産業用から家庭用の小型のものまで、さまざまな種類があります。ソーラーパネルの基本要素は「セル」と呼ばれ、そのサイズは一般的に約10cm四方です。複数のセルが組み合わされることで、ソーラーパネルが形成されます。
複数のセルを並べて板状にしたものは「モジュール」と呼ばれ、屋外使用に耐えるよう樹脂や強化ガラスで覆われているのが一般的です。また、「アレイ」とはモジュールを複数並べて、直列または並列につなげたものを指します。家庭では、屋根に設置されることが多いでしょう。なお、ソーラーパネルには、素材によって3つの種類があります。最も一般的なのがシリコン系で、特に単結晶シリコンが主流です。次に、銅やインジウムを用いた化合物系があります。化合物系は低コストで製造でき、経年劣化も少ないのが特徴です。
もう1つは有機系といわれており、有機半導体を使用します。薄くて軽量、柔軟性があり、色をつけることも可能とされていますが、いまだ実用化されておらず、家庭用として普及されるには時間がかかるでしょう。
パワーコンディショナー
太陽光発電の仕組みにおいて重要な役割を果たす「パワーコンディショナー」とは、太陽光発電システムで生成される直流電流を、家庭で使える交流電流に変換する機器のことです。太陽光パネルで生成された電気は直流であり、そのままでは家庭内で使用できません。住宅で利用する家電品などに太陽光発電で作った電気を供給できるのは、このパワーコンディショナーのおかげです。また、パワーコンディショナーには、「系統連系保護機能」という重要な機能が備わっています。これは、電力系統に異常が発生した際に、太陽光発電で生成した電力を電力会社のシステムに流さないようにするための機能です。これにより、太陽光発電システムの安全性がより高まります。
分電盤
太陽光発電の仕組みにおいて、分電盤も重要な役割を持っています。分電盤とは、パワーコンディショナーで変換された電気を家庭内のコンセントや売電のための送電線へと供給するための装置のことです。なお、分電盤は電流が規定値を超えた際に回路を自動的に遮断する機能も備えています。この機能により、異常時に機器の損傷を防ぐことが可能です。このように、分電盤は太陽光発電システムの安全で効率的な運用を支える重要なコンポーネントの1つといえます。
太陽光発電の仕組みをわかりやすく解説！
ここでは、太陽光がどのように電気エネルギーに変換されるのか、そのプロセスを詳しく紹介していきます。これにより、太陽光発電システムについて、さらに理解が深まるでしょう。
太陽光を電気に変える
ソーラーパネルの中に含まれているのは、数多くの太陽電池です。太陽電池は「n型半導体」と「p型半導体」と呼ばれる2種類の半導体を組み合わせて作られています。そして、これらの半導体は、電気が流れる導線でつながれているのです。太陽光がソーラーパネルに当たると、n型半導体にはマイナス電子が、p型半導体にはプラス電子が集まります。これらの電子が2つの半導体をつなぐ導線を通じて流れる現象を利用して電気を取り出すのが、太陽光発電の基本的なメカニズムです。
作られた電気を変換して家庭で使えるようにする
太陽光発電で生成された電気を、直接家庭で使用することはできません。家庭で使うためには、まずパワーコンディショナーを通して直流から交流への変換が必要です。変換された電気は、家庭内で消費されるか、あるいは電力会社に売電されます。パワーコンディショナーで直流電力を交流に変換する効率を「変換効率」といい、一般的には95%前後の製品が多いでしょう。製品によっては、変換効率が96%や97%など高いものもありますが、単にこの数字だけでは効率の判断はできません。重要なのは、太陽光パネルの性能を最大限に生かすことができるかどうかという点です。
太陽光発電にはどんな特徴がある？
太陽光発電には、いくつかの特徴があります。ここでは、太陽光発電の特徴を紹介し、それがどのように生活や環境に影響を与えるのかを解説していきます。
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故障しにくく長期間利用できる
ソーラーパネルは故障が少なく、長期間安定して使用できる装置とされています。なぜなら、太陽光発電ではエンジンやタービンなどの部品が不要なため、故障のリスクが低く済むためです。特に、太陽電池モジュールは劣化しにくく、30年以上の使用が可能とされています。また、最新のソーラーパネルは、防汚や防塵機能を有し、埃や汚れが付きにくい設計です。定期的な点検は必要ですが、日々のメンテナンスは基本的に不要でしょう。
なお、太陽光発電システムの点検は、一般的に「4年に1度以上」が推奨されています。長期間メンテナンスを行わないと故障の原因となる可能性があるため、定期的な点検は欠かせません。
CO2を排出しないクリーンなエネルギー
太陽光発電の仕組みは、地球温暖化のおもな原因であるCO2などの温室効果ガスの発生を伴わないため、地球環境の保護や脱炭素への貢献に非常に有効です。太陽光発電は、設備が劣化したり故障したりしない限り、持続的にエネルギーを生成する「再生可能エネルギー」とされています。これは、有限なエネルギー源を使用する火力発電のようなシステムではなく、継続的かつ持続可能なエネルギー供給が可能です。地球温暖化防止を目的として、太陽光発電を含む再生可能エネルギーは、今後ますます重要な発電方法となっていくことでしょう。
蓄電池と併用すれば電気を蓄えられる
蓄電池とは、充電して繰り返し使用できる二次電池のことで、太陽光発電の仕組みにおいて重要な役割を果たします。これは、太陽光発電で生成された電力を、蓄電池に保存できることが理由です。この組み合わせにより、発電量が多い時には余った電力を蓄えて、発電が困難な時にも電力を利用することができます。たとえば、太陽の光が得られない梅雨の時期や夜間でも、晴れの日や日中に太陽光で発電した電気を利用できるため、電力の有効活用が可能です。災害時の停電対策としても、太陽光発電と蓄電池の組み合わせは非常に有効で、導入が促進されています。
なお、住宅用太陽光発電設備では、停電時に自立運転専用コンセントへの電力供給を行うことが可能です。これにより、晴れの日や日中にソーラーパネルで発電して蓄えた電気を、自宅の電気製品で使用できます。
売電により収入が得られる
太陽光発電システムを用いて発電した電力は、電力会社に売却することで収入を得ることができます。自宅で使用しない余剰電力は「余剰売電」として電力会社への売却が可能なのです。これにより、自家消費によって月々の電気料金を減らすことができるだけでなく、余剰売電によって毎月収入も得ることができるでしょう。さらに、太陽光発電システムの利用により、使用する電気料金が削減され、コストの節約も可能です。また、電気の購入量が減少することで、電気料金に上乗せされる「再エネ賦課金」の削減も期待できます。
なお、「再エネ賦課金」は、2023年5月以降は1kWhにつき1円40銭の設定です。この単価は、提供されるエリアや供給電圧にかかわらずに、同価格に設定されています。
太陽光発電で売電する仕組みとは？
太陽光発電で生成した電力で余った分は、電力会社に送電して買い取ってもらうことが可能です。このプロセスを「売電」と呼びます。そして、このような余剰電力を買い取る仕組みが「固定価格買取制度（FIT制度）」です。FIT制度では、太陽光発電によって得た電力を、事前に定められた価格で電力会社が買い取ることを義務付けています。この買取は固定価格で、通常10年間の保証です。たとえば、2022年3月にFIT制度を利用開始した場合、2032年2月まで同じ価格で売電できます。
FIT制度は、事業者や家庭に再生可能エネルギーの導入を促すために設けられました。太陽光発電は、普及は進んでいるものの、初期投資や運用コストが発生するというデメリットがあります。しかし、FIT制度により、発電した電力を売却することでコスト回収の可能性が高まりました。これにより、太陽光発電の普及は、促進されることでしょう。なお、FIT制度における買取対象となる電力は、「家庭で必要な電力を使用した後の余剰分」であり、かつ「太陽光発電設備を設置してから10年間」に限られています。
太陽光発電でどれくらいの電気を発電できる？
太陽光発電システムの発電量は、設置場所や立地条件、それに季節、ソーラーパネルのタイプや性能、さらに使用年数によっても異なります。ソーラーパネルによる年間の発電量は、平均して最大発電量の約13%になると言われています。この割合は「設備利用率」と呼ばれ、実際の発電量が理論上の最大出力の何％になっているかを示します。たとえば、1kWのソーラーパネルの場合、年間発電量は「1kW×24時間×365日×13%＝約1138kWh」です。
家庭用の太陽光発電では、屋根の上に設置できるソーラーパネルの量や家庭内の電力使用量、および設置費用などによって発電能力が決まります。なお、家庭用のソーラーパネルシステムは、一般に10kW未満とされており、10kW以上のものは産業用の分類です。一般的な家庭の年間電力消費量は、平均で約3600kWhとされています。そのため、4kWのソーラーパネルを設置すれば、「1138kWh×4＝4552kWh」となり、自家消費をまかなって余剰電力を売電できる可能性が高まるでしょう。
以上からわかるように、太陽光発電を導入する際は、ソーラーパネルの導入コスト、発電量、自家消費量、売電価格、電気料金などを総合的に考慮し、自宅に適したソーラーパネルのサイズを決定することが重要です。
太陽光発電の仕組みが分かったら見積もりを依頼してみよう
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太陽光発電でエコな暮らしを実現させよう！
太陽光発電は、環境に優しい再生可能なエネルギー源として、私たちの暮らしをよりエコなものに変える力を持っています。今回は、太陽光発電の仕組みや特徴、さらには経済的な利点について解説してきました。CO2などの温室効果ガスの削減や再生可能エネルギーへの移行、そして長期的な電力コストの節約は、太陽光発電導入の大きな動機となるでしょう。太陽光発電で、エコな暮らしを実現させましょう。
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