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効率が悪いのはダメ?太陽光発電の変換効率

公開日:2019/06/15  最終更新日:2019/03/19

太陽光発電は2011年3月の東日本大震災の発生を機に国や地方自治体で助成金が支給されると共に再生可能エネルギーの固定価格買取制度が施行されましたが、制度が2019年11月以降順次終了します。

制度の終了後は再生エネルギー先進国のドイツの様に買取価格が10円〜20円になるとされ、売電による発電システムの設置費用の捻出が難しくなります。

その為、変換効率性能の高いモジュールが求められています。

 

現在の太陽光発電システムの仕組み

現在の家庭用の太陽光発電は、4価のケイ素基板中に5価元素のリンやヒ素の不純物を含有しているN型とケイ素基板中に3価元素のホウ素の不純物を含有しているP型を重ね合わせた厚さ100μm〜300μmかつ150mm程度の多結晶シリコンセルが用いられており、必要枚数縦横格子状に配列したソーラーパネルとも呼ばれるモジュール全体で発電しています。

PN接合型多結晶は、2種類の異なるシリコンセルの間に存在する空乏層に内部電界が形成される事によりドリフト電流が生じ太陽光による発電が行われる簡単な仕組みです。

太陽光発電システムは「モジュール変換効率」「セル変換効率」の2種類の指標で表示される事が多く、後者の指標の方が数値が大きくなる事が多いので混同して正しい性能を見極める事の出来ない購入者も少なくないので注意する必要があります。

主流のPN接合型多結晶は、ソーラーパネルの表面の温度や毎日の天候によっても発電量が大きく異なりますが、太陽光の変換効率が10%台と非常に低い事が根本的な問題とされています。

 

再生可能エネルギー固定価格買取制度の終了後

再生可能エネルギーの固定価格買取制度は、東日本大震災の発生に伴い日本のライフラインの脆弱さが浮き彫りとなった事で施行された制度ですが、2019年11月以降順次終了して行く事が決まっています。

日本国内では太陽光発電の余剰電力買取制度が開始された2009年に1kwあたり48円という破格の値段で買い取られていましたが、東日本大震災が発生した2011年には1kwあたり42円に設定されました。

しかし2017年には出力制限がない場合には1kwあたり30円まで低下してしまい、制度が完全に終了した際には再生エネルギー先進国ドイツ並の1kwあたり10円〜20円になるのではと言われている始末です。

また2014年には電力会社4社が電気の買取の一時中断を検討すると発表し2018年10月13日には九州電力が電気の買取の一時中断を発表しており、買取価格に関しては2019年6月頃まで不透明とされています。

その為、自分の家で発電した電気を使うだけで無く必要な時に必要な電気を発電可能なシステムが必要とされ、太陽光から電力への変換の効率が非常に低い現在のPN接合型シリコンでは先行きが不安とされています。

 

理論上29.6%しか変換出来ない太陽光発電システム

現在の発電システムは、異なる物質を配合した2種類の多結晶シリコンセルが太陽光に照らされる事によって発電されますが、主流となっているPN接合型多結晶シリコンセルがエネルギーバンドギャップ1.13μm以上かつ1.1eV以上の紫外線などの高エネルギー光線を変換する事が出来ません。

その為、理論上太陽光の29.6%しか発電に使用する事が出来ず、日照時間の短い冬季や悪天候時には発電量が著しく低下してしまい電力会社の電気を使用する事になっています。

しかし、市販化されている発電システムで最も性能の高いモデルでも20%をやっと超える程度と非常に低く、一般的には15%程度とさらに低く太陽光エネルギーの約85%が無駄になっているのが現状です。

太陽光発電は理論上効率が高い場合には悪天候時でも真っ暗でない限り発電可能とされ、真っ暗な宇宙空間に浮かぶ人工衛星では3種類の材料を多層化した化合物3接合型太陽光発電システムで変換効率35%以上を実現しており、いずれコストダウンされた化合物3接合型などの高性能なモデルが市販化されるとされています。

 

太陽光発電の変換効率を低下させる意外な要因

太陽光発電はソーラーパネルにより多くの太陽光が照射される事で発電量が増加するイメージがあり、実際に日照時間が長く太陽光の照射量が多い程発電量が大きくなります。

しかしソーラーパネルは表面温度25℃の時が最も発電の効率が良いとされ、ソーラーパネルの表面温度が1℃上昇する毎に発電効率が0.4%~0.5%程度低下するとされています。

その為、一般的に発電量が多いと思われている気温の高い夏季はイメージほど発電量は高く無く、真夏には表面温度が60℃を超える事から発電効率が14%〜17%程度低下するとされ、一般的な発電システムでは変換効率が約13%前後まで低下してしまうのが残念な現状です。

現在では変換効率を向上させる為の幅広いエネルギーバンドギャップを有する複数の化合物だけで無く、太陽光による表面温度の上昇を抑えるソーラーパネルの開発が進められています。

新素材としては非晶質半導体のアモルファスシリコンや銅とセレンを含有するカルコパイライトが有力視されていますが、太陽光が形成する磁場による新しい発電システムも開発されています。

 

変換効率の低い太陽光発電と燃料電池の必要性

一般的な料金は、使用する量が増加すれば増加するほどスケールメリットで割引されるのが常識ですが、電力会社では1カ月あたり120kwで3割程度料金が上乗せされるだけで無く300kw以上でさら2割程度の料金が上乗せされるので使用量を抑える必要があります。

太陽光発電は理論上の変換効率が29.6%と非常に低い事から雨天や冬季には満足に発電出来ない事が多く、暖房機器を使用する冬季や冷房機器を使用する夏季には必然的に電力会社から20円前後〜30円程度での高額で電気を購入する必要があります。

その為、再生可能エネルギーの固定価格買取制度の終了後に非常に安価な価格で電力会社に売電するよりも家庭で有効の発電した電力を消費する事を模索した方が好ましいとされ、電気自動車やプラグインハイブリッド車への充電だけで無く家庭用燃料電池への充電を実践している家庭が増加しているのが現状です。

家庭用燃料電池は、国から30,000円×蓄電池容量と一律工事費用50,000円の補助金が支給され、合わせて各地方自治体でも助成金制度が行われています。

 

低い変換効率を向上させる為の取り組み

太陽光発電は、再生可能エネルギーの固定価格買取制度の終了に伴い家庭用燃料電池や自然冷媒ヒートポンプ給湯機を組み合わせる家庭が増加していますが、メーカーでも変換効率を高める様々な新技術が生み出されています。

変換効率は、現在主流の接合型多結晶シリコンセルでは理論上29.6%が限界とされ、エネルギーバンドギャップが異なる複数の材料を重ね合わせた化合物3接合型太陽光発電モジュールの一般市場へのフィードバックが期待されていましたが、巨額の開発費が投入されている事から市販化が難しいのが現状です。

その為、他メーカーではさらにエネルギーバンドギャップが異なる複数の材料を重ね合わせた化合物4接合型太陽光発電モジュールの開発を行っており、2030年までには変換効率が40%を超えると共に実用化されるとされています。

他の方法としては、強制的にレンズで太陽光を集積して発電量を増加させる集光型太陽光発電システムや太陽光で発電する面積を拡大して発電量を増加させるペロブスカイト太陽光電池などがあり、屋根だけで無く透明なフィルムを窓ガラスや外壁に貼って発電するなど家全体で太陽光発電する構想も模索されています。

 

太陽光発電は、固定価格買取制度の恩恵で変換効率が非常に低いながらもシステム単体で使用する家庭がほとんどでしたが、制度の終了に伴い買取価格が電力会社の都合に合わせて低価格になる事から家庭用燃料電池や自然冷媒ヒートポンプ給湯機などとのシナジー効果を模索する必要があります。

 

 




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