太陽光発電の仕組みを解説｜太陽電池の種類・発電から電気が使えるまでの流れについて分かりやすく教えます！

太陽光発電については、太陽光パネルが発電することは知っていても、発電する仕組みや内部の構造はイメージしにくいのではないでしょうか。温室効果ガスを排出する火力発電とは大きく異なる、光エネルギーを使った太陽光発電の仕組みを解説します。

太陽電池は、太陽から地球に降り注ぐ光のエネルギーを、電気エネルギーに変換する装置です。石油や石炭といった有限の化石燃料を燃焼させるのではなく、太陽光という無限に近いエネルギー源を利用します。

 一般的な太陽電池は、「シリコン（ケイ素）」による半導体の結晶を、2層に重ねた構造です。リン原子を含む上の層を「n層」、ボロン（ホウ素）原子を含む下の層を「p層」と呼びます。

 太陽光を受けると、n層では負の電荷をもつ電子が上面に移動し、p層では正の電荷をもつ（ように振る舞う）正孔が下面に移動します。上面と下面に電極をつなぐと電流が流れ、半導体のなかでは電子・正孔が移動のサイクルを繰り返すため、太陽光を浴び続けるかぎりは発電が続きます。

発電するシリコンの板を「セル（太陽電池セル）」と呼び、複数のセルをつなげたものを「モジュール（太陽電池モジュール）」、モジュールを並べたものを「太陽光パネル」と呼びます。

セル同士をインターコネクタで接続し、透明樹脂の充填材で固定したものがモジュールです。上面は光を効率よく集めるガラス、下面は絶縁や防湿の効果が高いフィルムでカバーします。

モジュールの電力は接続箱で集め、パワーコンディショナに供給し、電力会社へ送電したり自宅に引き込んだりする構造です。

さまざまな種類のある太陽電池ですが、セルの素材は変わっても太陽光パネルとしての機能は同じです。光エネルギーを電気エネルギーに変換することは共通していて、発電した電力を使うまでの流れも、基本的に同じと考えましょう。太陽電池でつくられた電気を使うまでの仕組みを解説します。

生活のなかで使う電流には、「直流電流（DC）」と「交流電流（AC）」の2種類があります。DCは時間の変化があっても流れる方向が変わらない電流で、ACは周期的に電流の向きが変化する電流です。

 家庭用のコンセントからはACの電気が流れており、多くの家電はACに対応しています。電池はDCで蓄電しているため、プラスとマイナスの方向が決まっている仕組みです。

 太陽電池で発電する電気はDCであり、売電や家庭で使用するためには、DCからACに変換する必要があります。

「パワーコンディショナ」の主な役割は、太陽電池で発電した電気をDCからACに変換することや、安定した出力に整えることです。パワーコンディショナでACに変換した電気は、分電盤を通過して家庭用のコンセントや電線へ流れます。

 太陽電池とパワーコンディショナの間には接続箱があり、蓄電する場合にはパワーコンディショナ側ではなく、DCのまま蓄電池へ流れる仕組みです。

太陽光パネルが太陽光を受けると、半導体の働きで光エネルギーから電気エネルギーをつくります。ここで生まれる電気はDCであり、接続箱をとおった電気をパワーコンディショナによって安定したAC電力に変換する仕組みです。

 AC電力は太陽光発電専用の分電盤をとおり、家庭で使用するか、売電するために電線へ送るかを選択できます。使った電力や売った電力は、電力メーターで計測が可能です。

電力の自給自足にはさまざまなメリットがあり、特に太陽光発電と蓄電池を一緒に活用することで相乗効果が生まれることはご存知でしょうか。

太陽光発電と蓄電池を同時に設置し、さらに連携させることを「創蓄」と呼びます。創蓄には、直流から交流への電気変換ロスが少ない点や、昼に太陽光発電を行い、夜や太陽の見えない日には蓄電池の電気をフル活用できるなど、効率面でのメリットが盛りだくさんです。

以下、創蓄を活用した電力を自給自足するメリットを解説します。

午後1時～午後4時までの時間帯は蓄電池に貯めてある電気を使用する「ピークシフト」と「ピークカット」を活用することで、電気料金が上がるピークタイムの使用電力の削減が可能です。

比較的料金が安い夜間に蓄電しておき、その電気を昼間に使うことで差額分が浮く「夜間電力の活用」により、電気代が削減できます。

FITこと「住宅用太陽光発電を含む再生可能エネルギーの固定価格買取制度」を利用すれば、家庭で発電した電力の余剰分を売ることができます。ただしFITには、売電価格が年々減少しているという懸念事項があり、この背景にあるのが住宅用の太陽光発電の普及による設置費用の下落です。

しかし、買い取り期間の10年を過ぎたあとは、卒FIT後の余剰電力買取サービスを提供している電力会社と自由に契約し取引ができます。買取価格は企業によりさまざまですが、大手電力会社より買取価格が高めに設定されているのが昨今の傾向です。

蓄電システムが備わっていれば、災害で停電が発生しても電気を使うことが可能です。

蓄電池には家庭全体に送電できる「全負荷型」と、指定した一部のエリアに電気を送る「特定負荷型」があります。どちらを選択するかはそれぞれの家庭で異なりますが、より安心できるのは停電しても日常と変わらない生活ができる「全負荷型」でしょう。

ただし、蓄電池に貯えられた電気でカバーできる時間は、使用する家電の消費電力によって異なる点には注意が必要です。

現代的な生活を行うには電力が必要不可欠で、電力を得るには発電所を必要としますが、ここで問題になるのがエネルギー源です。

 石炭・石油・LNG（液化天然ガス）といった化石燃料を使った発電所は、発電のプロセスで大量の温室効果ガスを発生します。これが地球温暖化の大きな原因と考えられており、1997年には「京都議定書」、2015年には「パリ協定」という気候変動対策のための枠組みが取り決められました。

2011年の東日本大震災で原子力発電所が停止したことを受け、日本のエネルギー自給率は約6%にまで落ち込みました。これは他国と比べても低い値です。日本は化石燃料のほぼすべてを他国から輸入しており、自国でのクリーンなエネルギー源による、発電システムをつくることを急いでいます。

 固定価格買取制度は太陽光発電を取り入れた人が損をしないように国が定めた制度です。今後も太陽光発電を中心とした再生可能エネルギーによる発電や省エネの固定価格買取制度を進めていく予定です。この施策により、2030年にはエネルギー自給率が24.3%、エネルギー起源の二酸化炭素排出量は21.9%減（2013年度比）となることを目指しています。

太陽光発電は、光エネルギーを半導体の作用で電力エネルギーに変換する、クリーンで持続可能な発電方法です。自宅の屋根にも簡単に太陽光パネルを設置でき、発電した電気は自宅で消費、または売電して売電収入を得ることができます。

太陽光発電は、国が国民や世界のことを考えて、真剣に取り組んでいる発電方法です。気候変動対策をサポートするという意味でも、環境にやさしい太陽光発電を始めてみてはいかがでしょうか。

太陽光発電に興味がある、または導入を検討しているという方は、リベラルソリューションにぜひご相談ください。業界内では最大手、そして14年の実績を持ち、沖縄を除く全国に支店を持っております。

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