太陽光発電の原理とは？自家消費型太陽光発電を導入する上での基礎知識
企業や団体で自家消費型太陽光発電設備を導入するにあたって、組織内でのプレゼンや保守管理のために、太陽光発電の基本的な原理は知っておくことをおすすめします。
今回は、その太陽光発電システムの導入を検討されている担当者の方に向けて、太陽光発電の原理や導入にあったっての注意点などをわかりやすく説明します。ぜひ最後まで読んで導入の参考にしてください。
Contents
太陽光発電の根幹となるのは「太陽電池」
自家消費型太陽光発電では、太陽電池を利用して発電しています。まずは太陽電池がどの様にして電気を作るのか、その原理を見ていきましょう。
太陽電池が発電を行う原理
太陽電池は半導体の一種です。半導体が光を受けることで電気が流れる性質を利用して、太陽からの光を電気エネルギーに変える、というのが太陽光発電の原理です。
もう少し詳しく説明しましょう。半導体内部のn型シリコンとp型シリコンをつなぎ合わせると太陽電池が構成されます。ここに太陽光を当てると、太陽電池はそれを吸収して、プラスとマイナスの粒子を発生させます。プラス電子はp型シリコン側に、マイナス電子はn型シリコン側に集まる性質がありますから、太陽電池の表側と裏側につけた電極にモーターをつなぐことで電気が流れるようになります。
ソーラーパネルの構造
ソーラーパネルは、複数の太陽電池によって構成されています。複数の太陽電池を、枠などに入れてパネル状にしたものがソーラーパネルです。
太陽電池を細かく見ると、太陽電池素子が最小単位で、これを「セル」と呼んでいます。セル単体の出力電圧は0.5～1.0V（ボルト）くらいしかありません。実用に耐える電圧数を得るためにはセルを直列につなぎます。必要な枚数のセルを金属や強化ガラス、樹脂などで保護した物体を「モジュール」と呼んでいます。
施工の際は、このモジュールが最小単位となっています。ちなみにモジュールの電気回路の単位をストリングと呼び、これを束ねることによって大きな電力を得ることが可能となります。なお、モジュールの物理的な集合体は「アレイ（島）」と呼ばれます。
太陽光発電で利用される太陽電池の種類
太陽電池には3つの種類があります。それぞれの特徴を詳しく見ていきましょう。
シリコン系
シリコン系太陽電池は、現在流通している太陽電池の大部分を占める太陽電池です。シリコン（ケイ素）を原料とし、単結晶シリコン、多結晶シリコンなどの種類があります。
時間をかけて結晶を成長させて作る「単結晶シリコン」は高価ではありますが、太陽光を電気に変える効率が高く、信頼性も優れています。
一方で、多結晶シリコンは単結晶シリコンの製造過程で出来た端材から作られており、エネルギー効率は劣りますがリーズナブルな点がメリットです。
化合物系
化合物系太陽電池は、シリコン以外の物質を混ぜ合わせて作られる太陽電池です。
化合物系太陽電池には、「CIS系」と「CdTe系」があります。CIS系は銅、インジウム、セレンの3元素から構成される半導体です。高効率で、結晶シリコンが持つ「高温時に発電効率が落ちる」というデメリットが少ない点でも優れています。さらに結晶シリコン系の太陽電池は影がさすと効率が落ちますが、CIS系はその影響も受けにくい利点があります。
近年はCISにガリウムを加えた「CIGS系」が実用化されつつあり、CIS系以上の利便性の高さが期待されています。
CdTe系はカドミウムとテルルからできる半導体で、製造コストが低いという利点があります。
有機物系
有機物系の太陽電池は、近年開発が進んでおり、従来のタイプより、コストダウンや高性能化が期待されています。タイプとして、「色素増感型」と「有機半導体」の二つが存在します。色素増感型は、電極で色素を吸着している二酸化チタンを挟み込んだものです。
有機半導体は常温で塗布することで、太陽電池を製造できるメリットを期待されています。
太陽光発電設備の構成
ここでは太陽光発電システムの全体を構成する要素を紹介します。
ソーラーパネル
ソーラーパネルは太陽光パネルとも呼ばれます。一般的に多くの人が目にする部位で、太陽光を受けて電気を作り出す役割を持っています。
パワーコンディショナー
パワーコンディショナーは、ソーラーパネルで作られた直流の電気を、交流に変換する役割を持っています。交流に変えなければ工場設備や事業所内で使用できませんし、送電も出来ません。そのため、太陽光発電システムには、発電するためのソーラーパネルと、交流変換するパワーコンディショナーは必要不可欠な要素です。
また太陽光発電は、発電量が天候によって変動する性質を持っていますが、その不安定さをコントロールして出力を一定にするのもパワーコンディショナーの重要な機能です。（ただし安定させるのは出力のみであり、天候によって増減した電力そのものを一定にできるというわけではありません）
規模や設置箇所によって他にも機器が必要
ソーラーパネルとパワーコンディショナーは太陽光発電システムの2大要素ですが、他にも規模や設置する箇所によって「分電盤」や「キュービクル」などが必要になります。
分電盤は電力を工場や事業所内の必要な個所に分配するためのものです。また、キュービクルとは「高圧受電設備」と呼ばれるもので、発電所や変電所から送られる6,600V（ボルト）の電気を、事業所や工場設備で使用できるように100Vや200Vの低電圧に変換する設備です。
なお、キュービクルは50kW以上の発電を伴う売電目的であれば必須となりますが、自家消費型の場合は省略されることもあります。
太陽光発電の原理のまとめ
太陽光発電システムの原理や構成要素についてまとめました。ここまで説明してきたように、太陽光発電システムにはさまざまな要素があり、また選択肢もあります。ここでは太陽電池の種類を上げましたが、実際にはメーカーによる効率や価格の違いもありますから、パワーコンディショナーなども含めると非常に多くの組み合わせも発生します。
また、分電盤やキュービクルなども専門性が必要な設備ですから、太陽光発電システムの導入には、高い設計技能と、しっかりした調達力、確かな設置技術を持った業者を選定することが必要不可欠です。
「ユニバーサルエコロジー株式会社」は、1996年の創業以来、陽光発電システムを5,000件以上も受注し、設置してきた実績を持つプロフェッショナル集団です。当社は「EPCサービス」と名付けた自社で設計・調達・工事の全てを管理する体制で、お客さまのご希望や状況に合わせた機器選定、設備導入計画を行います。
さらに「O＆Mサービス」というメンテナンスサービスも展開しています。このサービスは、太陽光発電システムを数十年にわたってできるだけトラブルなく使用していただけるように監視・点検・測定をするメンテナンスサービスです。
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