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太陽光発電の仕組と特性

太陽光発電とは?

太陽光発電とは、そもそもどのようなものなのでしょうか?太陽光発電という発電方法はどんな仕組み なのかをまずは理解しましょう。

太陽光発電は太陽の光エネルギーを電気にかえるクリーンな発電太陽光発電システムとは、太陽の光という「光エネルギー」を「電気エネルギー」というまったく別のエネエネルギーに変換する発電システムです。太陽光という地球上に無尽蔵に平等に降り注ぐエネルギーを「電気」という私たちにとって利便性の高いエネルギーに変換し、発電に際して火力発電などのように化石燃料を燃焼させCo2(二酸化炭素)を発生させない環境への負荷が少ないクリーンさが魅力です。

発電の仕組

発電の仕組太陽電池のN型半導体とP型半導体の間には、(+)と(−)の電位差が生じています。 しかし、光が当たっていない状態では、そこに導線をつないでも、電気は流れ出すことはありません。太陽電池に光が当たると、P型半導体の(−)電子がN型半導体(+)のホールに移動し、不安定な状態になったN型半導体の自由電子(−)が導線を伝ってP型半導体に向かって移動することにより、電流が流れることになります。

※右図 出典:NEF 新エネルギー財団

太陽光発電システムの仕組みと特徴

太陽光発電システムの構成

太陽光発電はシステムといいますが、そのシステムがどのような機器などで構成されているのかを説明します。太陽光発電システムはシンプルのように思えますが、パネル・パワーコンディショナー・分電盤(太陽光発電用ブレーカ)など数多くの機器で構成され、意外と複雑なシステムです。

太陽光発電システムの構造・構成とは

太陽光発電システムがどのような機器で構成され、またそれぞれどのような役割があるのか合わせて説明します。

太陽電池(モジュール・パネル)

屋根に設置するパネルのことで、太陽光発電システムにおけるメインの部分です。ここに光(太陽光)があたることで、電気を創り、太陽光発電システム全体において元となる部分です。

接続箱

太陽電池からの配線を集めて、並列接続によって一対にまとめてパワーコンディショナーに送り出す機器です。メーカーによっては接続箱がパワーコンディショナーと一体となった一体型もあります(シャープなど)。

パワーコンディショナー

太陽光発電システム全体における調整役のような役割をする部分です。太陽電池が発電した電気(直流)はそのままでは使えないので、この電気を使える形(交流、適正な電圧)に整える役割を果たします。
パワーコンディショナー屋内に設置するタイプと屋外に設置するタイプがあります。

太陽光発電分電盤(ブレーカー)・電力量計

太陽光発電システムによって発電した電力と電力会社から送電されてくる電力とを管理する部分です。
発電した電力を家庭内に供給したり、余った場合は電力会社の送電網に流す(売電)、逆に不足する場合には電力会社から電力を買うなどの接点になる部分です。

※上図 出典: 一般社団法人 太陽光発電協会(JEPA)

発電モニター

システムに必須のものではありませんが、ほとんどの太陽光発電システムでセットになっています。現在の発電量や使用量、売電量などを表示するモニター機器です。通常は家庭内に設置します。壁等に取り付ける(有線タイプ)と、持ち運び式(無線タイプ)があります。

太陽光発電システムは家庭やビル、工場などの屋根に太陽電池モジュール(パネル)を設置します。そのパネルに光があたることで、光エネルギーが電気(直流)に変換されます。その電気は、交流の電気に変えられ分電盤へ供給され、家庭内の家電製品に使うことができます。

ただし、電気を自給自足できる太陽光発電システムでも太陽が出ていない夜や、雨や曇りの日など十分な発電量が得られない場合には、電力会社から電気を買うことになります。
逆に太陽光発電で発電した電気を使い切れずに余ったときは、電気はそのまま送電線を通じて契約している電力会社に売ることもできます。 (余剰電力の固定価格買取制度)

電気の売り買いについては特別な操作をする必要はなく、自動的に行われます。そして1ヵ月単位で電力会社から買った電力量(供給電力)と、電力会社に売った電力量(受給電力)とが検針されます。
売電額(受給電力)が支払額(供給電力)を上回ることもあります。受給・供給は、電力会社側からみた表現のため、受給電力は売電、供給電力は買電になります。

電力・電気についての基礎知識

太陽光発電システムは電気を創るシステム(発電所)です。このシステムについて理解を深めるために、サイト内で使われている用語の基本的な意味や電気の仕組みなどについて分かりやすく解説します。

太陽光発電システムの理解を深めるために知っておきたい電気用語

太陽光発電などについてより深く理解するために知っておきたい電気用語を説明していきます。
W(ワット)とWh(ワット時)   kW(キロワット)とkWh(キロワット時)

家電製品などでも消費電力200WというようにW(ワット)という言葉を目にしたり耳にされるかと思います。
Wというのは電力の単位の一つで、瞬間的な電気の量・大きさのことです。 Wh(ワット時:ワットアワー)というのは、その電気を1時間消費したときの電力量を表す単位となります。

つまり、60Wの電球というものを1時間使用した場合に消費する電力の量は60Whと表現されます。ちなみに、太陽光発電システムでもこのWとWhの表現はよく用いられます。ちなみに、kW(キロワット)は1000Wとなります。

太陽電池の発電能力は、○kWと表現されます。そして、太陽光発電システムによって創られた電力量は□kWhと表現されます。

太陽光発電システムの発電量

実際に太陽光発電システムを導入・屋根に設置した場合に、どのくらい発電できるのでしょうか? ここでは、太陽光発電システムの発電量や発電した電気のロス、地域による違いなどを説明します。

太陽光発電を屋根につけたらどのくらいの電気が創れるの?

太陽光発電システムを屋根に設置したら実際にどのくらいの電力が得られるのでしょうか?
よくシステムを4kWシステムといった表現でされることがありますが、実際に一日に発電できる電力量は?
曇りの日や雨の日、降雪地域での発電は?など太陽光発電の発電量について説明します。

発電量の基本はモジュール出力(システム容量)による

基準となるのが太陽光発電のシステム容量です。太陽光発電システムを設置するときの、3kWとか4kWと言われるものです。これは太陽電池モジュールと呼ばれるパネルの発電能力で、このシステム容量が大きくなるほど、より多くの電力を生み出します。システム容量は、太陽電池最大出力とも表現します。

設置できるシステムの量は基本的には屋根の広さによります。もちろん、屋根が広いほどそれだけ多くの太陽電池パネル(モジュール)を設置できるためシステム容量は大きくなります。設置量(システム容量)が大きくなるほど発電も高まります。

1日の発電と買電、売電のイメージ

1日の発電と売電イメージ

一般的には太陽光発電システムの出力(発電)は、システム容量(最大出力)の70〜80%程度と言われています。
つまり、システム4kWの太陽光発電システムを導入した場合の瞬時の発電はおよそ 2.8kW〜3.2kWで、発電量は1時間におよそ2.8kWh〜3.2kWh程度となります。また当然のことですが、夜中や雨の日、曇りの日などは発電量が低下します。 こうした事情を勘案した場合、全国平均の発電量の値として、1年間に発電できる電力量はシステム容量(太陽電池最大出力)の1000倍程度と説明されます。つまり、4kWの太陽光発電システムを導入した場合は、年間の総発電量はおよそ4000kWhとなる訳です。

以下では、太陽光発電の発電効率を左右する要因をさらにほりさげて説明します。

屋根の方向と勾配・形状

太陽光発電システムにおいては、屋根の向き(方位)と勾配(角度)が非常に重要です。最も適した方向は「南向き」で、屋根角度(勾配)が30度というものです。これ以外の場合には太陽光発電の発電効率は数%〜10数%低下し、場合によっては設置が出来ないこともあります。 (北向きの屋根)

太陽光発電システムと屋根について

太陽光発電システムは主に屋根に設置します。屋根といってもその形状は、切妻・寄棟・入母屋・陸屋 根など様々ですし、屋根の面積も異なります。さらに屋根が向いている方位も様々です。

太陽光発電に向いている屋根と向いていない屋根

太陽光発電における基本は、日当たりの良い「南側」がベストです。また、光の効率の良い当たり方から 角度(勾配)は30度程度がベストといわれています(ただし、角度による影響は極端でなければ微小です。おおよそ20度〜40度くらいまでの傾斜であればほんの2〜3%程度の違いです。) ただし、方角(方位)はかなり大きな影響を与えます。

南向きを100%とした場合 南東・南西:95% 東向き・西向き:85% 北向き:65% 程度になります。(※数値は目安です。南向きを100とした場合の他の方角別の発電効率。傾斜30度)

一般的には、南向きがベストですが、多少角度が違うくらいならOKというケースが多いですが、真東または真西に設置するケースでは効率が15%程度低下しますが、充分メリットを得るだけの発電量 を得ることができます。 (北側はお薦めできません)

基本的には南向きの屋根に設置。どうしても容量を増やしたい場合には東や西を追加するというケース が多くあります。長野県は気象条件に恵まれた地域が多いため、真東・真西に設置した場合でも、他の 地域で南向きに設置した場合と同程度の発電量が期待できます。

太陽光発電システムの発電時におけるロス

一般的には太陽光発電システムの出力(発電)は、システム容量(最大出力)の70〜80%程度と説明し ました。つまり、システムの出力どおりに100%の発電は得られずロス(損失)があるということです。 太陽光発電システムが発電する際に生じるロスには、太陽電池モジュールの温度上昇(熱)、モジュールの汚れ、パワーコンディショナーにおけるロス、送電でのロスが代表的なものです。特に、多くの方が以 外と思われるのが熱による損失です。 これによって、日照時間が短いエリアであっても、寒冷なために意外と多くの発電ができるケースがあるのです。

太陽光発電システムの出力(発電容量)というものは、ある特定の条件の下で太陽光を浴びた際に発 電する電力です。しかし、実際には様々な要因で発電量が減少したり、発電した電力を使えるように変換する際などにロス(損失)をしてしまうのです。

太陽電池モジュール温度上昇によるロス

第1に太陽電池モジュール(パネル)の温度変化(上昇)によるロスが挙げられます。太陽光発電は以外 かもしれませんが、モジュール温度が高温になるほど、発電量が減少するという負の特性を持っています。温度特性による出力の低下は、温度が1度上昇することでおよそ0.4〜0.5%低下します。ちなみに、メーカーの公称最大出力は、モジュール温度25℃の際の数値となっています。

25℃といえば標準的な気温のような気がするかもしれませんが、太陽の光を浴びるモジュールの温度は だいたいその際の平均気温よりも30℃から40℃ほど高くなります(晴天時)。そのため、冬場でも太陽電池モジュールの温度はおよそ40℃ほどになるため、公称最大出力より発電量は低下します。

この点は、意外と太陽光発電が勘違いされる理由で、九州・沖縄などの夏の気温が高い地域では、モジュール の高温化によって発電量が大きく低下することになるのです。逆に気温が零下となるような信州や北海道地の寒冷地の方が時間当たりの発電量は大きくなります。

そのため、太陽光発電の年間発電量でみてみると札幌などの地域の発電量は九州の福岡よりも高いのです (シミュレーション上)。

パワーコンディショナーによる損失

太陽電池モジュール以外のロス要因として、パワーコンディショナ―が挙げられます。発電した電力を直流から交流に変換する装置でのロスです。各メーカーによってロスの大きさは異なりますが、2〜10%程度のロス(損失)があるといわれています。 これはパワーコンディショナの変換効率で確認することができます。また、接続箱においても数%のロスがあると考えられます。

その他の損失

上記の2点以外の損失として、太陽電池の汚れによる発電効率の低下による損失、配線での損失などもあります。また、太陽電池モジュール(パネル)に影ができる場合は、太陽光が遮られることにより、発電効率は低下します。

地域による日照量(発電量)の違い

地域における日照量の違いも発電量に影響を与えます。例えば、雨がすくないといわれている瀬戸内 エリアの日照時間は概ね2000時間を越えているのに対して日本海側は冬に晴天の日が少ないため、 1600時間程度となっており、その差は1.3倍も違いがあることになります。当然その結果地域によって太陽光発電による発電量にも差が生じることになります。長野県では、広い地域で年間日照時間が2,000時間を超えています。全国でもトップレベルの太陽光発電に適した地域といえます。

太陽光発電で屋内温度が変わる 〜冬は暖かく・夏は涼しく〜

●意外なメリットが・・・経済性が向上する

一般屋根材の上に太陽電池モジュールを取り付けることにより、それが遮熱板となり、屋根裏温度に影響することで、「夏場涼しく、冬場暖かい」となることが判明しています。

太陽電池パネルを設置すると 設置前後で屋根裏(野地板)の温度に変化があります

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出典:財団法人新エネルギー財団 ホームページより  <参考:(株)ボラス暮らし科学研究所調べ>

太陽光発電はメリットばかりではない!太陽光発電導入のデメリットリスクは

太陽光発電システムの導入にメリットがあることはわかりますが、システム導入はメリットだけではありま せん。もちろんデメリットもあります。ここでは太陽光発電システムを導入することによるデメリットやリスク についても触れておきます。

このサイトをご覧の方の多くは、太陽光発電システムを設置されているか、これから導入を検討されている方ではないでしょうか? 中には、太陽光発電のメリットだけを説明されて、デメリットは無いの?という疑問を持たれている方もおられるかもしれません。太陽光発電の導入はデメリットやリスクも存在します。

ここでは、そうしたデメリットや将来想定されうるリスクについても説明します。

設置費用が高額(イニシャルコストが高い)

住宅用太陽光発電のモニター事業が始まった1994年頃は、3kWシステムの設置に600〜700万円の費用がかかり、約半額が補助されていました。当時に比べかなり価格は下がりましたが、まだ太陽光発電 システムの導入費用は安くありません。1kWあたり50万円前後かかりますので、平均システム4kw程度ですと200万円位の導入費用が必要になります。経済的な回収までは、およそ10年〜15年程度かかるので、長期間の投資になることはリスクといえなくもありません。

ただし、電気エネルギーの自給自足、購入電力の削減と売電収入、CO2の削減による環境貢献は、優れたメリットであり、デメリットを上回っていると考えることもできます。デメリットにしないためにも、発電状況の把握、適切な維持管理が必要です。

雨漏り・屋根の損傷などのリスク

しっかりとした施工を行えば太陽光発電システムを導入しても雨漏りや屋根の破損などのリスクはほとんどありません。しかしながら、施工の甘い業者などによる太陽光発電工事による雨漏りなども実際に発生しています。これは太陽光発電システム自体というよりも施工業者の問題になりますが、一つのリスクにになります。しっかりと理解しておく必要があります。

屋根の形状や方位によっては設置できない・効率が落ちる

太陽光発電システムは当然ですが太陽の光があたる場所でなければ意味がありません。そういった意味では南向きの屋根が最も効率的で、北側は南側に比べて65%以下の効率しか見込めません。一部の業者には発電があまり見込めないのに設置をすすめるようなケースも報告されています。

また、予想発電量どおりの発電が得られない、説明どおりの経済的メリットがないなどの苦情もあります。本当に発電や経済メリットが見込めるのかをしっかりと把握しておく必要があります。

将来の価格低下リスク

太陽光発電という分野は現在市場が急拡大しており、それにあわせて各メーカーも多額の研究開発費を投入してしのぎを削っています。そうした中で、将来的にもっと低価格で、もっと高効率な太陽光発電システムが開発されるという可能性は高いでしょう。そうしたとき、今太陽光発電を導入するよりも将来導入するほうが「お得になる」というリスクはないのでしょうか?

住宅事情、製品(太陽光発電)性能、補助金、買取制度等々を総合的に考えると、設置しようと検討されるときが、皆さまにとってベストの時期ではないでしょうか。将来、価格が下がったり、効率が上がったりすることはあるでしょう。しかし、今しか受けられない優遇処 置もたくさんあります。

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