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太陽光発電の仕組みってどんなの?発電方法や必要な機器・売電方法までを公開!

2022/04/11

「太陽光発電って良く聞くけど、どうやって電気が作られているの?」、「太陽光発電で発電された電気は、売電できるって聞いたけど本当?」、「太陽光パネルには色々な種類があるって聞いたけど本当?」など2022(令和4)年に入って、エコの王様にも太陽光発電システムに関するお問い合わせが増えています。

そこで今回は、太陽光発電システムの歴史や太陽光発電システムの仕組みや発電方法などを分かりやすくご説明します!

 

太陽光発電とは?

太陽光発電システムは、文字通り太陽光を使った発電方法です。

世界ではじめて太陽光発電システムが使われたのが、1958(昭和33)年にアメリカの人工衛星ヴァンガード1号です。

燃料の供給ができない宇宙空間で太陽光発電を使って人工衛星を動かすことに成功しました。

日本では、1955(昭和30)年に太陽電池の開発に成功したあと、各メーカーで太陽光発電システムの開発が進みました。

1958(昭和33)年、東北電力信夫山発電所に、初めて太陽光発電システムが設置されました。

1993(平成5)年に京セラが初めて家庭用太陽光発電システムの販売を開始しました。

家庭用太陽光発電システムが販売された当初は、全国平均で1kWあたり400万円(税込)前後、4kW発電できる太陽光発電システムを設置した場合の費用は1,500万円(税込)で販売されていました。

設置費用が高額だったということもあって、一般家庭への普及は進みませんでした。

そこから各メーカーの技術革新によって太陽光パネルの大量生産ができるようになったため、徐々に1kWあたりの販売価格は下がりました。

2022(令和4)年現在の1kWあたりの販売価格は、メーカーなどによって違いはありますが27.5万円(税込)程度が相場です。

販売価格が下がり、家庭用発電システムが普及し始めたこともあって、1998(平成11)年~2006(平成19)年の間は、日本が太陽光パネルの生産量で世界1になりました。

2009(平成21)年からは、太陽光発電システムで発電された電気を国が定めた売電価格で買い取ってくれる、固定価格買取制度(FIT)制度が始まったこともあって、全国的に家庭用太陽光発電システムが普及しました。

家庭用太陽光発電システムの設置費用に関する詳しい記事はこちら⇒2022年最新版】太陽光発電の設置費用はいくら?導入前にチェックするべきこと

 

太陽光発電の仕組みについて

太陽光を使って発電する製品であることは、みなさんご存知だと思います。

太陽光パネルに太陽光が当たって発電する仕組みを知っている人は少ないです。

そこで今回は、太陽光発電の仕組みについて分かりやすくご説明します。

 

太陽光発電はどうやって発電するの?

太陽光パネルを構成する太陽電池は、マイナスの電気を帯びやすいn型半導体とプラスの電気を帯びやすいp型半導体を張り合わせて作られています。

n型半導体とp型半導体の境目に光エネルギーが加わるとn型半導体はマイナスになりp型半導体はプラスになります。

太陽電池のなかは乾電池と同じような状態になり、電線を繋ぐと電気が流れ太陽光が当たっている間は発電し続ける仕組みです。

参考資料:中部電力 「太陽光発電のしくみ」 

 

太陽光発電の発電量の計算の仕組み

太陽光発電システムの発電量は、お住まいの地域の平均日射量や太陽光パネルの枚数によって変わります。

1kW発電する太陽光発電システムを設置した場合の1年間の発電量は、JPEA「日本太陽光発電協会」が公表している数字でいうと、1,000kWhが目安だと書かれています。

4kW発電する太陽光発電システムを設置しているご家庭の年間発電量4,000kWhです。

太陽光発電システムの年間発電量は、ある計算式に当てはめるとみなさんのご自宅に家庭用太陽光発電システムを設置した場合のおおよその発電量が分かります。

家庭用太陽光発電システムの発電量を求める計算式は次の通りです。

・1日の発電量=1日の平均日射量×家庭用太陽光発電システムの総発電量×損失係数

・1年間の発電量(kWh)=1日のあたりの平均日射量×家庭用太陽光発電システムの総発電量×損失係数×365÷1

※1日の平均日射量は、NEDOの日射データベースを使用します。

※損失係数とは、家庭用太陽光発電システムが発電する上で発生する損失(ロス)を指します。日本では、「0.85」という数値が使われています。

※この計算式で導き出された発電量は、あくまでも平均的な数字であり、お住まいの地域や季節によって発電量は変わります。

家庭用太陽光発電システムの発電量の計算方法に関する詳しい記事はこちら⇒太陽光発電の発電量について!初心者でも分かる計算方法について

 

太陽光発電に必要な機器

家庭用太陽光発電システムといってもさまざまな製品で構成されています。

家庭用太陽光システムを使用するために必要な機器が全部で3つあるので、それぞれご紹介します。

 

ソーラーパネル

ソーラーパネルは、別名太陽電池モジュールとも言われています。

構成要素にとって、呼び方が変わります。

・セル・・・ソーラーパネルを構成するも最も小さいな単位を指します。1枚のセルの大きさは、約10cm四方でセル組み合わさって太陽光パネルができています。

・モジュール・・・セルを複数枚配列して、板状に加工した者を指します。モジュールが一般的に呼ばれている太陽光パネルに当たります。

太陽光パネルは、シリコン系・化合物系・有機系の3種類があります。

シリコン系は、さらに単結晶・多結晶・薄膜シリコン・HIT(ヘテロ結合型)の4種類に分けられます。

2022(令和4)年現在販売されている太陽光パネルの販売シェアの約8割をシリコン系が占めています。

 

シリコン系の太陽光パネルのメリット・デメリットをご紹介します。

パネルの種類メリットデメリット
単結晶

・発電効率が良い

・変換ロスが少ない

・日本でも最も販売されている太陽光パネル

・多結晶と比べると設置費用が高い

・気温が高くなると発電効率が落ちる

多結晶

・太陽光パネルの設置費用を安く抑えられる

・単結晶型と比べる発電効率が落ちる

・気温が高くなると発電効率が落ちる

薄膜シリコン

・気温変化に強いため、高温地域や積雪地域でも充分な発電量が確保できる

・設置費用を抑えられる

・他のパネルよりも薄いため、折り曲げたり古い屋根にも設置できる

・発電効率が8%~10%程度
HIT(ヘテロ結合型)

・発電効率が下がる夏場でも、充分な発電量が確保できる

・発電効率が高い

・1日の発電量が多い

・全パネルのなかで最も設置費用が高額

※HITとは、単結晶型と薄膜シリコンの良いところを組み合わせた太陽パネルを指します。別名ハイブリッド型太陽光パネルとも言われています。

 

パワーコンディショナー

パワーコンディショナーは、家庭用太陽光発電システムのなかで太陽光パネルの次に重要な機器です。

太陽光発電システムで発電された電気は直流電流です。私たちが普段使っている電気は、交流電流のため発電された電気を各電化製品で使うことが出来ません。

太陽光発電システムで発電された直流電流を各電化製品で使える交流電流に、変換してくれるの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は、電気の変換だけでなく他にも役割がありますので、ご説明します。

 

電圧の調整

家庭用太陽光発電システムで発電された電気は、各電力会社に売電できます。

売電する場合は、太陽光発電システム発電した直流電流をパワーコンディショナーで交流電流に変換して、電線を通って電力会社に送られます。

電気は電圧の高い所から低いところへしか流れない性質があるため、売電するときにパワーコンディショナー側の電圧が電線側よりも低い場合は、電線側よりも電圧を上げる動きをします。

これを逆潮流と言います。

 

発電量の最大化

太陽光発電システムは、天候や気温によって発電量が大きく変わります。

雨や曇りの日が続いて、充分な発電量は確保できない場合は、パワーコンディショナーが太陽光パネルからできるだけ多くの電気を取り出して、電気を安定して供給できるようにします。

 

自立運転機能

家庭用太陽光発電システムが稼働している間は、停電時でも発電された電気を家庭用として使えるようにします。

パワーコンディショナーの性能上、出力できる電気は1,500Wまでと決まっています。

 

蓄電池

太陽光発電システムと家庭用蓄電池の相性が良いです。

太陽光発電システムと家庭用蓄電池を同時に設置されるご自宅や太陽光発電システムを設置して10年以上が経過しているご自宅では、太陽光発電システム用と家庭用蓄電池用のパワーコンディショナーが一体になったハイブリッド型蓄電池がおススメです。

太陽光発電システム設置して10年未満のご自宅では、パワーコンディショナーの保証期間が残っているため、太陽光発電システム用と家庭用蓄電池のパワーコンディショナーが別々になった単機能型蓄電池がおススメです。

家庭用蓄電池があれば、停電が発生して太陽光発電システムが発電しなくなった夕方以降でも家庭用蓄電池に貯められた電気を使えます。

また、全負荷対応家庭用蓄電池であれば、停電時に家中の電気をバックアップできますし、200V電源を必要とするIHやエアコンなども使えます。

特定負荷型家庭用蓄電池は、あらかじめ決められた場所の部屋の電気しか使えませんが、使える電化製品が限られているので、全負荷型対応家庭用蓄電池よりも貯められた電気を長い時間使えます。

太陽光発電システムと家庭用蓄電池との相性に関する詳しい記事はこちら⇒太陽光発電と蓄電池は相性抜群って本当?その理由とメリット・デメリットを公開!

 

太陽光発電は家庭用と産業用がある

太陽光発電システムは、家庭用太陽光発電システムと産業用太陽光発電システムがあります。

家庭用太陽光発電システムと産業用太陽光発電システムの違いについて、ご説明します。

 

家庭用

太陽光パネルの総発電量が10kW未満を家庭用太陽光発電システムと言います。

自宅の屋根やカーポートなどに太陽光パネルを載せている人が多いです。

各メーカーとも家庭用太陽光発電システムは、太陽光パネル・パワーコンディショナー・架台をセットで販売しているので、産業用太陽光発電システムよりも設置費用が安いです。

塩害地やビルの屋上などにも設置できる産業用太陽光発電システムとは異なり、特殊な場所には設置できません。

設置費用は、販売店や太陽光パネルメーカーによって多少の違いはありますが、総発電量が小さなものであれば100万円(税込)以下で設置できますし、総発電量は多くなれば最大で250万(税込)程度で設置できます。

家庭用太陽光発電システムを設置してから10年間は、各電力会社が国が定めた売電価格で電気を買い取ってくれる固定買取制度があります。

2022(令和4)年度の売電価格は、1kWhあたり17円(税込)です。

 

産業用

産業用太陽光発電システムとは、総発電量が10kW以上の太陽光発電システムのことを指します。

産業用太陽光発電システムは、家庭用太陽光発電システムのように自宅の屋根やカーポートだけでなく、野立て(遊休地や広い土地など)やビルの屋上、塩害地にも設置します。

ビルの屋上や塩害地、野立てに太陽光パネルを設置するため、家庭用太陽光発電システムのようにパッケージとして販売されていません。

注文を受けてから太陽光パネルに加工を施したり、架台が強風などにも耐えられるような加工も施したりします。

そのため、設置費用も高額になります。

設置場所や屋根の広さによって多少の違いはありますが、約200万円(税込)~約2,000万円(税込)程度の費用が掛かります。

産業用太陽光発電システムも家庭用太陽光発電システムと同様に固定価格買取制度があります。

2022(令和4)年度の売電価格は、総発電量が10kW~50kW未満で1kWhあたり12円(税込)、50~250kW未満で1kWhあたり11円(税込)です。

産業用太陽光発電システムは、電気代の節約だけでなく投資目的や税金対策で設置している人もいます。

産業太陽光発電システムの詳しい記事はこちら⇒【2022年最新版】太陽光発電投資は儲かる?儲からない?その真実について徹底調査!

 

太陽光発電はどこで発電されるの?

太陽光発電システムは太陽光を受けて発電するため、日射量の多い土地に多く建てられています。

メガソーラー(総発電量が1MW以上)の太陽光発電システムを設置する場合は、広い土地が必要になるため遊休地などに設置されています。

また、ため池に産業太陽光発電システムを設置する場合もあります。

メガソーラーなどを設置する場合は、太陽光パネル1枚1枚の向きを変えて最大限、太陽光を受けられるような工夫もされています。

家庭用太陽光発電システムは自宅の近くに山や高い建物が無い、太陽光が最も当たる屋根の南面に設置するのが一般的です。

南面の屋根面積が狭い場合は、東面や西面に設置する場合もあります。

北面は、太陽光が当たらないことや反射光などのトラブルがあるため設置していないことが多いです。

反射光に関する詳しい記事はこちら⇒太陽光発電の設置は後悔するって本当?失敗しないためにやるべきこととは

 

太陽光発電でどれくらいの量を発電できるの?

太陽光発電システムの発電量は、太陽光パネルの性能によって変わります。

太陽光パネルの性能は、カタログにも書いていますが公称最大出力や発電効率として書かれています。

公称最大出力・・・太陽光パネル1枚で発電できる発電量を指します。

発電効率・・・太陽光パネルが太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できるかの数値を指します。

エコの王様で一番人気のCanadian Solar太陽光発電システムCS3L-375MSは、太陽光パネル1枚の発電量を示す公称最大出力が375W、発電効率が20.5%です。

CS3L-375MSを10枚載せると総発電量は3.75kW、12枚載せると4.5kW発電できる太陽光発電システムになります。

これから家庭用太陽光発電システムの設置をご検討されている人は、太陽光パネル1枚の発電量が多い製品を選ぶと良いでしょう。

※太陽光発電システムの発電量は、季節・気候・気温などによって変わります。

太陽光パネルの発電効率に関する詳しい記事はこちら⇒太陽光発電の効率を知って少しでもオトクに活用するための方法

Canadian solar太陽光発電システムの商品ページはこちら⇒Canadian Solar 太陽光発電 4.5kwシステム 工事費込みセット

 

太陽光発電で1日の電気量は補えるの?

省エネルギーセンターのデータを見てみると、4人家族で1年間の電気使用量は約5,500kWhと言われています。

5,500kWhを使うご家庭の1日の電気使用量は、約15kWhです。

太陽光発電システムで発電された電気の1年間の自家消費量は、家族人数などによって違いはありますが約30%と言われています。

5,000kWh発電する太陽光発電システムを設置した場合の1年間の自家消費量は、1,500kWhです。

1日あたりの自家消費量は、約4kWhです。

太陽光発電システムがフル稼働した場合でも1日の電気使用量を賄えませんし、発電しなくなった夕方以降は電力会社から電気を買う必要があります。

ですが、電力使用量が増える昼間に太陽光発電システムの電気が使えるため、昼間の高い電気を電力会社から買う必要が無くなるので、電気使用量が減り、電気代も節約できます。

※1年間の発電量や一日の発電量は、季節・天候・気温などによって変わります。

参考資料:省エネルギーセンター

 

太陽光で集められた電気が使えるまでの仕組みについて

太陽光が太陽光パネルに当たって電気に変換されて、各電化製品で使えるまでの仕組みについてみなさんはご存じでしょうか?

各電化製品で使えるようになるまでには、3つのステップがあるのでそれぞれご紹介します。

 

STEP1 電気をつくる

太陽光発電システムは、太陽光パネル内のシリコン半導体(n型半導体・p型半導体)に太陽光が当たって電気が発生する現象を利用しています。

太陽光パネルで作られた電気は、直流電流です。

 

STEP2 電気を変換する

私たちが普段使っている電気は、交流電流です。

太陽光発電システムで発電された電気は、直流電流のため直接電化製品で使えません。

太陽光発電システムで発電された直流電流を交流電流にして、各電化製品で使えるようにしてくれるのがパワーコンディショナーです。

 

STEP3 電気を分配する

太陽光発電システムで発電された直流電流をパワーコンディショナーで交流電流に変換して各電化製品で使えるようにします。

電気を変換しただけでは、各電化製品で使えるわけではありません。

変換された電気は、ご自宅の分電盤に給電されてそこから各電化製品に分配されます。

 

余った電力はなぜ売れるの?その仕組みとは

太陽光発電システムは、発電された電気を使って電気代の節約できるだけでなく、売電して収入を得ることもできます。

売電は、太陽光発電システムで発電された電気を自家消費して、余剰電力を送電線を通して逆に電力会社に送り返して収入を得る仕組みです。

2022(令和4)年現在行われている、売電制度についてご説明します。

 

FIT制度

FIT制度とは、太陽光発電システムをはじめとする再生可能エネルギーの固定価格買取制度(Feed-in Tariff)を指します。

日本国内での再生可能エネルギーによる発電の普及を目的に2012(平成24)年7月に開始されました。

家庭用太陽光発電システムの売電制度は、2009(平成21)年からスタートしています。2009年の売電価格は、1kWhあたり48円で買い取られていましたが、FIT制度が本格的に始まったことによって売電価格が1kWhあたり42円(税込)に再設定されました。

2022(令和4)年現在行われている売電方法は、2通りあります。

・全量買取・・・太陽光発電システムで発電された電気を自家消費せずにすべて売電する方法。

・余剰買取・・・太陽光発電システムで発電された電気を自家消費して余った電気(余剰電力)を売電する方法。余剰買取を採用しているご家庭が多いです。

2012年以降は、毎年1円(税込)~2円(税込)ずつ売電価格は下がっています。

2022(令和4)年度の売電価格は、1kWhあたり17円(税込)です。

FIT制度は、太陽光発電システムを設置してから10年(産業用は20年)間は、設置した年度の売電価格で電気を買い取ってくれます。

太陽光発電システムを設置して10年を超えると売電価格が、電力会社によって多少の違いはありますが、1kWhあたり7円(税込)~9円(税込)にまで下がります。

売電価格が下がったご家庭では、売電せずに蓄電池に電気を貯めて自家消費する動きが高まっています。

※産業用太陽光発電システムの2022(令和4)年度の売電価格は、総発電量が10kW~50kW未満で1kWhあたり12円(税込)、50kW~250kW未満で1kWhあたり11円(税込)です。

太陽光発電システムの売電に関する詳しい記事はこちら⇒【2022年】太陽光発電の買取価格はいくらくらい?年々下がり続けている理由について

 

国は太陽光発電の設置を推奨している?

全世界が2050年までに「脱炭素」、「カーボンニュートラル」の実現に向けて動いていることは、みなさんご存じでしょうか?

日本も菅元首相が2050年までに、温室効果ガス(二酸化炭素・フロンガスなど)の排出量を0にすると国際会議で公言しました。

トヨタ・ホンダと言った世界を代表する自動車メーカーも2030年までには、ガソリン車を廃止してすべてを電気自動車やプラグインハイブリッド車に変更することを公言しています。

そのような中で日本は、エネルギー自給率が先進国のなかで最も低く、石炭・石油・天然ガスなどを燃やして電気を作る火力発電に依存しているため、二酸化炭素の排出量が思うように減っていないのが現状です。

国も2030年までに新築住宅の50%をZEH(ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス)にすることを目標にしています。

ZEHの設置件数を増やすために、国や地方自治体も補助金を出しています。

ZEHの中で重要視されているのが、太陽光発電システムです。

太陽光発電システムがあれば、火力発電に頼らなくても自分の家の電気を自分たちで賄うことができます。

2022(令和4)年度もZEHに関する補助金が出るなど、国を挙げて太陽光発電システムの設置を推奨しています。

※ZEHとは、高い「断熱」性能をベースに、高効率機器やHEMSによる「省エネ」、太陽光発電システムなどによる「創エネ」を組み合わせることで、1次エネルギーの年間排出量を実質0にできる住宅のことを指します。

太陽光発電システムの補助金に関する詳しい記事はこちら⇒【2022年最新版】蓄電池の補助金はもらえるって本当?その条件や金額について公開!

 

太陽光発電の仕組みのまとめ

みなさんいかだったでしょうか?

今回のお話をまとめると、

家庭用太陽光発電システムを動かすために、必要な機器は3つある!

ソーラーパネル・パワーコンディショナー・家庭用蓄電池の3つです。

太陽光発電システムには、家庭用と産業用の2つがある!

太陽光パネルの総発電量によって区別されます。

太陽光発電システムで発電された電気は、売電できる。

FIT制度によって、太陽光発電システムを設置してから10年間は決められた売電価格で電力会社が電気を買い取ってくれます。

国も太陽光発電システムの設置を推奨している!

2050年まで新築住宅の約50%をZEHにすることを目標しているため、補助金も出ています。

太陽光発電システムは、化石燃料をつかって電気を作る火力発電とは違い、二酸化炭素を出さないクリーンな発電方法なため、国でも設置することを推奨しています。

太陽光パネルだけで動いているわけではなく、パワーコンディショナー・蓄電池などがあって初めて稼働します。

発電された電気は、自宅で使えるだけでなく自家消費した後は、売電して収入を得ることもできます。

近い将来、太陽光発電システムの設置が義務化されて、日本中に太陽光パネルが普及する可能性もあります。

太陽光発電システムの仕組みなどで分からないことがあれば、是非1度エコの王様にお問い合わせください!

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