- 太陽光発電ってどんな仕組みなの？
- 太陽光発電を構築するメリット・デメリットを知りたい
- 太陽光発電システムを安価で構築したい
このような疑問や悩みがある方もいるでしょう。太陽光発電は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換する発電方式です。
この太陽光発電は、ソーラーパネル、パワーコンディショナー、蓄電池（ポータブル電源）の3つの要素を用いて行います。太陽光さえあれば、基本的にいつでもどこでも発電することが可能です。
本記事では、太陽光発電の仕組み、必要となる機器、メリット・デメリットを詳しく解説します。
太陽光発電の仕組み
太陽光発電は、太陽電池（ソーラーパネル）を介して、太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換する発電方式です。太陽光発電で最も重要となる要素がソーラーパネルであり、これは「n型半導体」と「p型半導体」の2種類の半導体が張り合わさって構成されています。
プラスとマイナスの電極に挟まれた半導体に太陽光が当たると、内部の電子が太陽光エネルギーを吸収して動き出します。この状態で電極を導線でつなぎ合わせることで、動いた電子のエネルギーが電流を生み出し、発電が行えるという仕組みです。
なお、太陽電池（ソーラーパネル）には「電池」という名称が付いていますが、ソーラーパネル自体に電気を蓄える機能はありません。発電した電気を蓄えるためには、蓄電池（ポータブル電源）と呼ばれる別の部品が必要となります。
太陽光発電における発電量
太陽光発電における1時間あたりの発電量は、「発電能力（kW）×発電時間（h）」の計算式で算出できます。日本太陽光発電協会（JPEA）によると、ソーラーパネルの出力容量1kWあたりの年間発電量は、約1,000kWhが目安とされています。
これを基準として、1日あたりの発電量を算出した場合の目安は約2.7kWhです。これは1ヶ月で約81kWh、1年で約985.5kWhに相当します。ただし、これらの数値はあくまで目安であり、実際の発電量は以下のような要因によって変動します。
- システム容量：ソーラーパネルの性能・枚数による
- 日射量：設置場所・角度・季節・天気・地域による
- 電力ロス：ソーラーパネルの性能・季節・経過年数による
雪国での太陽光発電を例として考えた場合、雪がソーラーパネルに積もっている間は日光が当たらないため、満足に発電することができません。そのため、ソーラーパネルを導入する際は、さまざまな条件を考慮し、発電量を計算した上で検討する必要があります。
売電・買電について
太陽光発電の売電・買電においては、「FIT制度」というものがあります。この制度は、再生可能エネルギーで発電した電気を、電力会社が定める価格で一定期間買い取ってもらえる制度です。
例えば、太陽光発電による電力を売却したい場合、昼間に発電した電気は家庭で使用し、その余剰分を電力会社に買い取ってもらうことが可能です。また、夜間や発電できない時間帯だけ電力を購入する、といったスタイルを取ることもできます。
FIT制度による買取期間は10年と決められていますが、住宅用蓄電池を導入し、蓄電池に電力を貯めることで、太陽光発電のメリットを引き続き受けられます。電力会社から購入する場合に比べて、毎月の電気料金を抑えることが可能です。
→一般家庭における電気代の相場｜世帯数別・季節別の変動幅を詳しく解説
太陽光発電に必要な3つの機器
太陽光発電を行うためには、主に以下3つの機器が必要です。
- ソーラーパネル
- パワーコンディショナー
- 蓄電池（ポータブル電源）
それぞれの機器によって特徴や役割が異なります。これらの要素を1つずつ順番に見ていきましょう。
ソーラーパネル
ソーラーパネルとは、太陽光発電に用いられるパネル状の設備のことです。ソーラーセルという部品を多数接合し、ガラスや樹脂、フレームなどで保護した上で、板状に加工したものがソーラーパネルです。
ソーラーパネルは「太陽電池モジュール」と呼ばれることもあり、これを複数枚並べて接続した構成単位のことを「アレイ（ストリングス）」と言います。次点で「モジュール」、「セル」の順に単位が小さくなります。
パワーコンディショナー
パワーコンディショナーは、直流の電気を交流に変換する機器です。一般家庭の電気機器で必要となる電気は交流ですが、ソーラーパネルでは直流の電気しか生成できません。
このままの状態では電気機器に使用することができないため、パワーコンディショナーを用いて電気を直流から交流に変換します。また、パワーコンディショナーには「コンバータ機能」と呼ばれる電圧を一定に保つ機能があり、以下の2種類に分類されます。
種類 | 特徴 |
トランスレス方式 | 太陽光発電で生成した電気の電圧調整を変圧器なしで行う。回路構造がシンプルで安価 |
高周波絶縁トランス方式 | 太陽光発電で生成した電気の電圧調整を変圧器を使用して行う。回路構造が複雑で価格が高め |
パワーコンディショナーの種類によってエネルギーの変換効率が異なり、場合によってはエネルギーのロスが発生してしまいます。そのため、ソーラーパネルを設置する際には、パワーコンディショナーの性能もしっかりと確認しましょう。
蓄電池（ポータブル電源）
蓄電池は太陽光発電で生成した電気を蓄え、その電気を使用するための電源装置を指します。住宅用蓄電池として使用される蓄電池は、大きく以下の2種類に分けられます。
蓄電池の種類 | 特徴 |
定置式蓄電池 | 設置型の蓄電池で、生活で使用する電力を蓄える |
ポータブル電源 | 移動式の蓄電池で、アウトドアや非常時に持ち運べる |
定置式蓄電池はバッテリー容量が大きく、その分たくさんの電力を蓄えることができます。一方で、ポータブル電源は持ち運びができるため、定置式蓄電池に比べて利用用途が多岐にわたります。
双方はそれぞれ異なる特徴を有しているので、自身のライフスタイルに合わせて選ぶことが大切です。
太陽光発電の変換効率を左右するソーラーパネルの素材
太陽光発電システムを構築する際には、ソーラーパネルの素材選びが重要となります。なぜなら、ソーラーパネルの素材によって変換効率が大きく左右されるためです。ソーラーパネルで採用される主な素材として、以下の4種類をそれぞれ紹介します。
- シリコン系
- 化合物系
- 有機系
- 量子ドット系
各素材の特徴を詳しく見ていきましょう。
シリコン系
ソーラーパネルの素材として、最も広く採用されているのがシリコン系です。この素材は、太陽光発電が誕生した当時から現在まで使用されています。シリコン系は以下の4種類に分類できます。
種類 | 変換効率の目安 | 特徴 |
多結晶 | 最大15％ | 現在種類の素材で低コスト |
単結晶 | 最大20％ | 最も変換効率が良い |
アモルファスシリコン | 最大10％ | 高温時でも変換効率が低下しにくい |
ハイブリット | 最大19％ | 総合的に機能が最も優秀 |
一言でシリコン系と言っても種類によって特徴が異なるため、目的に合った種類を選択しましょう。
化合物系
シリコン系に次いで広く利用されているのが化合物系です。化合物系は、銅（Cu）、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、セレン（Se）などの物質を合成した素材を指します。その特徴は以下の通りです。
- 高温時・悪天候時でも変換効率が低下しにくい
- 将来的に主流になる可能性がある
- 比較的低コストで導入できる
化合物系は経年劣化が少なく、光の吸収率がシリコン系より高いという特性を持っています。しかし、変換効率についてはシリコン系に劣ります。
有機系
有機系は、薄型軽量で自由自在に折り曲げることのできるソーラーパネルです。その特性から、新たな応用が期待されています。現在はまだ実用化に向けた研究段階ですが、以下のような特長が備わっています。
- ソーラーパネルの色をデザインできる
- ロール状に設置できる
- 低コスト化に期待されている
ただし、一部の有機系は、耐久性の低さや変換効率の低さが課題になっています。
量子ドット系
そもそも量子ドットとは、量子力学や量子化学において、独自の光学特性を有するナノスケールの微細結晶のことです。量子ドット技術は急速に発展しており、今後の実用化に向けて期待が寄せられています。
【量子ドット系の特徴】
- シリコン系を上回る圧倒的な変換効率を持つ
- 大きさや表面欠陥が懸念されている
- 低コスト化が期待されている
量子ドット系の変換効率は、理論上で最大75％を誇ります。脅威的な変換効率を有することから、将来的には量子ドット系が普及する可能性があります。
太陽光発電のメリット・デメリット
太陽光発電は再生可能エネルギーの1つとして注目を集めていますが、その導入には明確なメリットとデメリットが存在します。本項では、良い点と悪い点の両方を詳しく解説します。
太陽光発電のメリット
主なメリットとして、FIT制度による電気の売却が挙げられます。太陽光発電によって電気が余ったとしても、売電による利益を得ることが可能です。
また、電気代の節約につながるほか、蓄電池に電気を貯めておくことで、地震や台風といった災害時の停電にも備えられます。
【メリット】
- 災害時に非常用電源として使用できる
- 電気代を節約できる
- 余った電気を電力会社に売却できる
- 地球環境保護に貢献できる
太陽光発電のデメリット
太陽光発電のデメリットは、設置費用が非常に高額であることです。また、発電量は天候に大きく影響されるため、雪が積もったり、曇が続いたりする場合は、発電量が低下してしまいます。
これらを考慮した上で、売電や節電によって費用をまかなうことができるのかを計算する必要があります。そのほか、ソーラーパネルは屋根に設置する関係上、メンテナンス時には屋根に登り、修理作業を行うなどの手間が発生します。
【デメリット】
- 導入コストが高額になる可能性がある
- 天候によって発電量が大きく左右される
- メンテナンスなどで手間がかかる
ポータブル電源を用いた太陽光発電の魅力
太陽光発電は3つの重要な機器を用いて行われます。そのうちの1つである蓄電池は、定置式蓄電池とポータブル電源の2種類に分けられ、ポータブル電源を用いて太陽光発電を行った場合、以下のようなメリットを享受できます。
- 災害時に非常用電源として持ち運べる
- 娯楽目的でアウトドアに利用できる
- 導入までのハードルが比較的低い
これらの魅力について詳しく解説します。
災害時に非常用電源として持ち運べる
日本は地震や台風などの自然災害が頻発する災害大国とも言えます。そのため、自然災害により、突然停電が発生することも珍しくありません。
予めポータブル電源を用いた太陽光発電システムを構築していれば、非常用電源として避難先などに持ち運べます。ライフラインが停止していても、最低限の電力を供給することが可能です。
【災害時における活用例】
- 情報収集の要となるスマートフォンの充電をする
- 電子ケトルでお湯を沸かしてインスタント食品に使用する
- 冷暖房器具を使って暑さ対策・寒さ対策を行う
電気機器を避難先で自由に扱えるのは、外に持ち運べるポータブル電源だからこそのメリットだと言えます。
娯楽目的でアウトドアに利用できる
2つ目の魅力は、娯楽目的でアウトドアに利用できることです。蓄電池を自宅に設置した場合、自宅で電力を供給することはできますが、外出先ではそれができません。
一方で、ポータブル電源であればキャンプや車中泊など、多彩なアウトドアシーンで電力を供給し、快適なアウトドア活動を行うことが可能です。また、多種多様な製品が販売されているため、家族の人数や利用目的に合わせて選択できるのも魅力の1つだと言えます。
導入までのハードルが比較的低い
ポータブル電源は導入までのハードルが比較的低い傾向にあります。太陽光発電システムの導入には一定の設置費用が必要であり、それがハードルとなるケースもあるでしょう。
経済産業省資源エネルギー庁の「令和3年度以降の調達価格等に関する意見」によると、2022年における住宅用太陽光発電（設置容量5.00W）にかかる導入コストの相場は、129.5万円とされています。1kWあたりのコストにすると25.9万円です。
その点、ポータブル電源とソーラーパネルを導入する場合、比較的導入コストが低く、設置しやすい傾向にあります。「初期費用を抑えたい」という方は、ポータブル電源を用いた太陽光発電が選択肢に入ります。
まとめ
本記事では、太陽光発電の仕組みや必要となる機器、メリット・デメリットを解説しました。
太陽光発電は主に、ソーラーパネル、パワーコンディショナー、蓄電池（ポータブル電源）の3つの要素を用いて行われます。ソーラーパネルや蓄電池は研究が熱心に進められており、近年ではエネルギー変換効率が大きく上昇しています。
しかし、住宅用太陽光発電にかかる費用は100万円近くと非常に高額です。コストをあまりかけたくない方は、ポータブル電源とソーラーパネルを用いた太陽光発電システムの構築をおすすめします。
以下のEcoFlow製品であれば、ポータブル電源とソーラーパネルを活用し、スムーズに太陽光発電システムの構築が完了します。セット商品の導入をぜひ検討してみてください。