太陽光発電とは、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換する発電方法です。
太陽光発電には、環境への優しさや燃料や運転費が不要といったメリットがありますが、発電量の不安定さであったり、設置費用が高かったりするというデメリットもあります。
この記事では、図でわかりやすく簡単に、太陽光発電の仕組みやメリットデメリットを徹底解説します。
太陽光発電の仕組みを理解するための5つのポイント
太陽光発電とは、太陽の光を利用して電気を作る方法です。
太陽光発電を行うには、どのような機器で電気が生成されるのか、どのように売買され利益が出るのでしょうか。
ここからは、太陽光発電の仕組みを理解するための5つのポイントを紹介します。
①太陽光発電に必要な機器を知る
②太陽光が電気になる仕組みを知る
③太陽光発電でできた電気の行き先を知る
④ 太陽光でできた電気を売る仕組みを知る
⑤太陽光発電で利益が出る仕組みを知る
太陽光発電に必要な機器を知る
太陽光発電に必要な機器は、主に以下の3つです。
・ソーラーパネル：太陽の光を受けて直流電気を作るもの。屋根や壁などに設置します。
・パワーコンディショナー：太陽電池モジュールから出た直流電気を交流電気に変換し、家庭や事業所で使えるようにします。
・分電盤：パワーコンディショナーから出た交流電気を家庭や事業所内の回路に分配します。また、余った電気を送電網に送ります。
太陽光が電気になる仕組みを知る
太陽光が電気になる仕組みは、半導体という特殊な物質でできている「太陽電池モジュール」の中で起こります。まずは、その仕組みをざっくり理解していきましょう。
半導体は、通常は電気を通しませんが、光や熱などでエネルギーを与えると自由に動ける「電子」と「正孔」と呼ばれるものが生まれます。
電子と正孔は、それぞれマイナスとプラスの電荷を持っています。
半導体は、P型とN型という2種類に分けられ、P型は正孔が多く、N型は電子が多いです。
このP型とN型を接合すると、「PN接合」と呼ばれる部分ができ、PN接合では、正孔と電子が互いに引き合って中性化し、「内部電界」と呼ばれる障壁ができます。
この障壁は、正孔と電子が自由に動けないようにする効果があります。
しかし、太陽の光が当たると半導体によって与えられたエネルギーで正孔と電子が増え、PN接合近くで生まれた正孔と電子は内部電界によって引き裂かれることで、正孔はP型側へ、電子はN型側へ押し出されます。
このようにして、P型側とN型側にそれぞれプラスとマイナスの電圧が生まれる仕組みです。これを外部回路につなぐと、直流電気が流れます。
太陽光発電でできた電気の行き先を知る
太陽光発電でできた直流電気は、パワーコンディショナーで交流電気に変換されます。
交流電気は、配電盤で家庭や事業所内の回路に分配されますが、太陽光発電でできた電気は、以下の3つの行き先があります。
・自家消費：太陽光発電でできた電気を自分で使うことです。例えば、照明や冷暖房、家電や機器などに使います。自家消費するほど、電気代が節約できます。
・蓄電：太陽光発電でできた電気を蓄えることです。例えば、蓄電池や蓄熱機器などに使います。蓄電すると、太陽が出ていないときや停電時にも電気を使えます。
・売電：太陽光発電でできた電気を送電網に売ることです。例えば、電力会社や新電力などに売ります。売電すると、固定価格買取制度（FIT）や余剰電力買取制度などによって収入が得られます。
太陽光でできた電気を売る仕組みを知る
太陽光でできた電気は、自分で使うだけでなく、電力会社に売ることもできます。
これは、固定価格買取制度（FIT）と呼ばれる仕組みによって実現されています。
FITとは、電力会社が一定期間一定価格で太陽光発電の電気を買い取る制度です。
この制度により、太陽光発電の導入者は、安定した収入を得ることができます。
太陽光発電で利益が出る仕組みを知る
太陽光発電で利益が出る仕組みは、次のように計算できます。
「利益 = 売電収入 +節約金額（買電した時と比較した節約分）- （設備費用 + 運転費用 + 保守費用）」
売電収入…FITによって得られる電気の販売額
節約効果…太陽光発電の自家消費によって買わなかった電気代
設備費用…太陽光パネルやパワーコンディショナーなどの機器や工事費などの初期投資額
運転費用…電気料金や保険料などのランニングコスト
保守費用…清掃や点検などのメンテナンスコスト
太陽光発電の仕組みを図でわかりやすく解説
太陽光発電は、内部に設置されている「N形」「P形」と呼ばれる2種類の半導体に光を当てて発電する仕組みです。
プラスとマイナスの電極に挟まれた半導体に光が当たると、内部の電子が光のエネルギーを吸収して動き出します。
この状態でプラスとマイナスの電極を導線で繋ぐと、動いた電子のエネルギーが電流を生み出してくれるのです。
このような「光が当たって電子が動く⇒電流を放出してもとに戻る」という状態を繰り返すことで、太陽光発電で電力が生み出せるようになります。
太陽光発電の仕組みからわかる6つのメリット
太陽光発電には以下のようなメリットがあります。
①電気代を削減できる
②売電収入が得られる
③電気代高騰の影響を受けにくい
④災害時や停電時でも電気が使用可能
⑤断熱効果が高まる
⑥再生可能エネルギーで環境に良い
ひとつずつ見ていきましょう。
電気代を削減できる
太陽光発電を導入することで、自家消費した分だけ電力会社からの電気代が減ります。
また、余剰な発電量を売ることで収入を得ることもできます。
太陽光発電システムの導入費用は高いですが、長期的に見れば節約効果があるといえるでしょう。
売電収入が得られる
太陽光発電で発生した余剰な電気は、固定価格買取制度（FIT）という制度によって、一定期間、一定価格で電力会社に売ることができます。
FITの価格は年々下がっていますが、それでも一般的な電気代よりも高いです。
売電収入は家計の助けとなることはもちろん、太陽光発電システムの元手回収やメンテナンス費用に充てることができます。
電気代高騰の影響を受けにくい
太陽光発電は自然エネルギーを利用するため、原油や天然ガスなどの化石燃料の価格変動や供給不安に左右されません。
化石燃料は枯渇する可能性がありますが、太陽エネルギーは無尽蔵です。
また、化石燃料の使用量が減れば、二酸化炭素排出量も減ります。
災害時や停電時でも電気が使用可能
太陽光発電システムには、蓄電池やバックアップ機能を備えたものもあります。
これらの機能があれば、災害時や停電時でも自家発電した電気を使用することができるでしょう。
これは、ライフラインとして重要な電気を確保するために有効です。
特に日本では地震や台風などの自然災害が多いので、太陽光発電を備えておくとより安心です。
断熱効果が高まる
太陽光パネルは屋根や壁面に設置する場合が多いです。
パネルは日射を吸収するため、建物内部への熱伝達の防止に繋がり、夏は涼しく冬は暖かくなります。断熱効果が高まれば、冷暖房の使用量も減るでしょう。
太陽光発電によって、快適な室内環境を作りながら、エネルギー効率を高めることができます。
再生可能エネルギーで環境に良い
太陽光発電は、太陽エネルギーという再生可能エネルギーを利用するため、化石燃料のように有限ではなく、枯渇する心配がありません。
また、発電時に二酸化炭素や有害物質の排出も無いため、環境にとっては非常に良いエネルギー源となっています。
これは、地球温暖化や大気汚染などの環境問題に対する対策として重要です。
太陽光発電の仕組みからわかる3つのデメリット
太陽光発電には、次のようなデメリットもあります。
①発電量が天候に左右される
②屋根などの条件が揃わないと設置できない
③定期的なメンテナンスが必要
ひとつずつ見ていきましょう。
発電量が天候に左右される
太陽光発電は、太陽の光が強いほど多くの電気を生成できますが、曇りや雨の日は発電量が減少します。
また、季節や時間帯によっても発電量は変化し、冬は夏よりも日照時間が短く、朝晩は昼間よりも光が弱くなります。
これらの要因によって、太陽光発電の発電量は安定しません。
そのため発電量が大きい時の余剰分を蓄電池に貯めることで、効果を最大化できます。
ただそこを考慮しても、発電量が天候に左右されることは、太陽光発電のデメリットの一つです。
屋根などの条件が揃わないと設置できない
太陽光発電を設置するには、屋根などの条件が揃わなければなりません。
まず、屋根に十分なスペースがあることが必要です。
一般的な家庭用のシステムでは、約30平方メートル程度の面積が必要だと言われています。
また、屋根の形状や向きも重要で、できるだけ南向きで傾斜角度が30度程度の屋根が最適です。
さらに、発電量の低下を防ぐため、近隣の建物や木などによって屋根に影がかからないことにも配慮しなければいけません。
屋根などの条件が揃わないと設置できないことは、太陽光発電のデメリットの一つです。
定期的なメンテナンスが必要
太陽光発電は、一度設置すれば自動的に発電するというイメージがありますが、実際には定期的なメンテナンスが必要です。
太陽光パネルは、雨や風、ほこりや鳥の糞などによって汚れると、発電効率が低下します。
そのため、定期的に清掃する必要があります。
また、インバーターなどの機器も故障する可能性があるため、定期的に点検や交換することも大切です。
メンテナンスには手間も費用もかかるため、億劫だと感じてしまう人も多いでしょう。
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