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どうやって電気にしてるの?太陽光発電の仕組み

公開日:2019/03/01  最終更新日:2019/02/14

 

日本では再生可能エネルギーの代表格として知られるのが太陽光発電です。

太陽光発電は簡単に言えば太陽光パネルを使って光エネルギーを電気に変換するというもので、太陽光さえあれば電気を得ることができます。

 

 

太陽光パネルで電気が得られる仕組み

太陽光発電は太陽光パネルによって光エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものです。

これは光電効果と呼ばれる仕組みによって行われるものです。

あらゆる物質は原子からなっており、この原子核の周りには電子が回っています。

この原子に光である光子が当たると、原子核とのつながりが切れ、電子が飛び出します。

これが光電効果ですが、実際のところ光の波長の長いものや弱い光では起こりませんし、電子もすぐにどこかに行ってしまいます。

この太陽光パネルでは光電効果を起こしやすくするためにさまざまな波長に対応するように工夫したもので、弱い光でも光電効果を起こるようにし、また飛び出した電子を捉えることで電気とするものです。

太陽光パネルには半導体であるシリコンが使われており、表面には表電極があり、その下にn型シリコン、pn接合、p型シリコンがあり、裏面には裏電極があります。

光が当たることで光電効果が起こり、電子(-)はn型シリコンに移動し反対に正孔(+)がp型シリコンに移動することにより電極で電流が発生して電気を得ることができます。

 

太陽光発電の太陽光パネルの仕組み

光電効果によって得られる電気は面積に比例しますが、一方で大きくすれば大きな電力を得られるのかといえばそうではありません。

大きくすると発電量が不安定になるため、安定した電気が発電できる大きさのものを並べる方法が使われています。

基本単位はセルと呼ばれるもので光電効果を起こす太陽電池素子そのものを指します。

セルの大きさは15cmx15cm程度の大きさです。

このセル1枚の電圧は0.5Vから1.0Vと小さいものですから家庭用の電気を直接得ることはできません。

セルを複数並べて接続することでまとまった電気を得るわけですが、施工時の効率を考えてセルを何枚かに合わせて強度をもたせ、ひとつの商品にしたのがモジュールです。

これが世間的には、太陽光パネル太陽光電池と呼ばれるものになります。

モジュールの発電量は、商品によって変わってきますが、住宅用のものではモジュール1枚あたり200W程度ですから、2kWを得るためには最低でも200Wのモジュールを10枚は設置する必要があります。

なおこの複数設置したものはアレイと呼ばれます。

 

家庭用電気にするパワーコンディショナーの役割

太陽光パネルで得られる電気は住宅用では1モジュールあたり200W程度であり、しかもその電気は直流電気です。

基本的に送電に使われている電気は交流電気であり電圧も100Vと200Vが標準になりますから、家電製品を使ったり電気を売るためには、この交流電気に変換しなければなりません。

そのための装置がパワーコンディショナーです。

パワーコンディショナーそのものは和製英語であるため世界では通用しない言葉で、英語ではインバータとも呼ばれます。

インバータは電気を半導体によってさまざまな目的の電気に変換するものであり、出力される電気は安定したものになります。

太陽光発電では、太陽光パネルから得られる低い電圧の直流電気を単相100V・単相200Vに変える役割を果たしています。

具体的には直流電気を交流電気にして、電圧を上げて単相100V・単相200Vするものです。

パワーコンディショナーは効率よく変電できるかが選ぶポイントとなるもので、高い変換率があればそれだけ発電した電気をロスすることなく使用または電力会社に売ることができます。

 

太陽光発電を構成している装置について

構成しているものは、屋根など太陽が当たりやすい場所に設置する太陽光パネルがあり、そこから電線を通じてパワーコンディショナーに繋がれ、直流の電気を交流に変換し、また家電製品を使えるようにしたり、また電力会社に売るために電圧を家庭では100Vから200Vに上げます。

これが基本の構成です。

発電量を上げるためにはパネルの枚数を追加するだけでなく容量の大きなパワーコンディショナーを導入しなければなりません。

パワーコンディショナーの容量が小さいとパネルを追加しても発電量は増えませんし、反対にパネルの枚数が少ない場合に容量の大きなパワーコンディショナーを取り付けるのは無駄です。

特にパワーコンディショナーは容量によって値段が決定します。

なおパネルをあとから追加することは可能で、例えば住宅の屋根だけでなくカーポートなどにパネルを増設することで発電量を上げることができます。

ただし発電量を上げても電力会社に手続きをしていなければ、申請した発電量以上の電気は買い取られないことに注意する必要があります。

 

結局、発電量を左右するのはどの場所か?

発電量を左右するのは、やはり太陽光パネルです。

光が当たることで電気を得ることができるわけですから、パネルの良し悪しが発電量に左右します。

ただし、パネルの発電能力だけがすべてを決定するわけではなくその設置方法も重要です。

北半球では太陽は南側に位置しており、このため南向きに傾斜を付けて設置するのが、もっとも太陽の光を得られやすい環境です。

反対に北側に設置すると光が当たらないので必然的に発電量が低下します。

日照時間も重要で陰になるような山や建物などがあるとそれだけ発電量が低下することになりますし、積雪や霜も発電量を低下させる原因となり、スペック通りの発電量を得られない原因となります。

このためもっとも効率が良いには、南向きに設置し日照時間が長いことで、この要素が欠けることは効率の悪化を意味します。

一方でパワーコンディショナーの性能に関しては、よほど質の悪いものでなければ数%の誤差です。

パフォーマンスの良いものを選ぶべきですが、価格が高いとその数%の差を埋めるほどの効率を得ることはできませんから、性能の良し悪しは発電量にそれほど影響しません。

 

光がなければ発電できないのが太陽光発電

あたり前のことですが、太陽光発電は光がなければ発電しません。

効率よく発電するのは日中に限られます。

基本的に太陽光発電のビジネスモデルは、電気料金が高い昼間に発電して、その電気を使うことで節電し、余った電気を売ることでお金を得るというものです。

これにより光熱費を大幅に減らすことができ設置に掛かった費用を回収することができ、また場合によってはそれ以上のお金を手に入れることができます。

この前提となっているのは、光が当たることであり日照条件の悪いところではスペック通りの結果を得られないことも多くあります。

一方で太陽光発電を設置すれば停電時でも電気が使えると考えがちですが、そのままでは利用できません。

利用するためには安定した電気に変換する必要があり、それはパワーコンディショナーだけでは不十分です。

このため停電時に電気を使おうと考えた場合には大容量蓄電池を使用しなければなりません。

ただ大容量蓄電池を利用すれば売るのではなく電気を貯めることで、夜間の電気を使うことも可能になります。

 

太陽光発電の仕組みそのものは非常に単純なもので、電子技術が発展した現代ではそれほど高度なものではありません。

むしろ普遍的なものであるからこそ多く普及しています。

一方で、太陽光発電を上手に使うためには設置条件や使用条件などを考えて検討することが必要です。




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