太陽光発電とは？仕組みやメリット・デメリットを紹介！

再生可能エネルギーは、現在も進行する地球温暖化を抑制するための方法の一つとして注目されています。
その中でも太陽光発電は、すでに日本国内でも導入が進み、私たちの生活圏でも見かけることが多数あります。

太陽光発電はどのような仕組みで発電し、なぜこれほどまでに導入が進んだのでしょうか。
この記事では、太陽光発電の仕組みやメリットとデメリットと合わせて徹底解説します。

太陽光発電とは

再生可能エネルギーとは、温室効果ガスを排出せず国内生産できるエネルギーです。
エネルギー安全保障に貢献でき、重要な低炭素の国産エネルギー源として日本国内だけでなく、世界中で注目され、すでに導入も進められています。

世界では二酸化炭素を中心とした温室効果ガスの増加による地球温暖化の影響を受けていることから、世界中で削減への取り組みが進められており、日本国内でも再生可能エネルギーの導入を進めています。
その再生可能エネルギーとして注目されているのが、日本でも導入量が多く、中国やドイツとともに技術で世界をリードしている太陽光発電です。

（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　総論）
（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　太陽光発電）

太陽光発電の仕組みとは

太陽光発電は、再生可能エネルギーの一つであり、二酸化炭素をはじめとした温室効果ガスを発生させない発電方法です。
再生可能エネルギーの中でも代表格として扱われており、国内でも最も多くの発電量を誇ります。

経済産業省のデータによると、2019年時点で日本全体の発電量のうち、再生可能エネルギーは8.1%であり、この全体に占める太陽光発電の割合は5.2%になります。そのほかの風力発電が0.6%、バイオマス発電が2.1%であることから水力発電を除けば、再生可能エネルギーの半分以上です。

太陽光発電は太陽電池を使い、光があたることで電気を生み出しています。
太陽電池にはいくつか種類があり、その中でもシリコン系太陽電池が多く利用されています。
そのほかに化合物系、有機系、有機無機ハイブリッド系に分けられています。

（出典：経済産業省「国内外の再生可能エネルギーの現状と今年度の調達価格等算定委員会の論点案」,2019）
（出典：経済産業省「変換効率37％も達成！「太陽光発電」はどこまで進化した？」,2017）

太陽光発電のシステムとは

太陽光発電のシステムは、太陽電池・アレイ、接続箱・集電盤、パワーコンディショナでできており、太陽電池の基本単位である「セル」を樹脂や強化ガラス、金属枠で保護して強度を高めています。
これが太陽電池モジュール（ソーラーパネル）と呼ばれるものです。またこのモジュールを複数並べて接続したものが「アレイ」と呼ばれ、大きな電力を生みます。

家庭で使われる電気が交流なことに対し、太陽電池で得られる電気は直流のため、太陽電池モジュールと家庭の分電盤の間のパワーコンディショナと呼ばれる電力用半導体と制御を行う電子回路によって直流から交流になります。

（出典：環境省「地域における再生可能エネルギー事業の事業性評価等に関する手引き（金融機関向け）」,2018）

太陽光発電のメリットとは

太陽光発電は、日本で導入されている水力発電以外の再生可能エネルギーの中でも最も多い発電量を誇ります。
太陽光発電を含む再生可能エネルギーは、化石燃料など特定の燃料を必要とせず、国産エネルギーとして発電を行うことができることが大きなメリットです。

これは国内の電力を賄うという点だけではなく、家庭単位でも言及できます。
太陽光発電は、太陽光モジュール（ソーラーパネル）が使用され、そのサイズは家屋の設計にもよりますが、屋根に載せることができるものです。

そのため家で使用する電気を、発電所から供給される電力にすべて頼ることなく、太陽光で発電された電力で賄うこともでき、さらに余剰電力が生まれることもあります。
これを電力会社に売電することで収入を得ることも可能です。家庭では光熱費を削減できるだけでなく、収入を得るというメリットも発生します。

エネルギー自給率の向上

太陽光発電による電力を各家庭で使用すれば、発電所からの電力供給を抑えることができるため、全体的な発電量の削減にもつながります。
発電場所という点では太陽光が当たればいいため、家屋やビルの屋根や屋上だけでなく、壁などの未利用スペースに設置できることから、新たな用地を用意する必要がありません。

また利用しなくなった土地を整備し、太陽光モジュールを複数つなげたアレイを用いて、大量に発電を行うこともできます。
そのため送電設備のない山岳部や農地などの遠隔地の電源として活用することや、災害時の非常用電源としても利用することが可能です。

2017年時点で日本のエネルギー自給率自体は9.6%程度ですが、家庭や商業施設なども含め、太陽光発電を中心とした再生可能エネルギーを利用することでエネルギー自給率を向上させられるというメリットがあります。

温室効果ガスの削減

再生可能エネルギーは二化炭素を排出しないことから、世界では温室効果ガスによる地球温暖化の抑制にも効果があると見られています。

火力発電は、石炭や石油、天然ガスといった輸入した化石燃料に依存していることから、エネルギーの自給率の上でも、この化石燃料への依存が深刻な問題です。
化石燃料に依存するということは、原油などの購入に資金が海外へ流出することになるため、依存度を下げることはこの資金流出抑制にも貢献することになります。

雇用の創出や地域の活性化にも

産業の視点では、太陽光発電を導入することで、雇用の創出や地域の活性化にもつながります。
太陽光発電は太陽光モジュール、あるいは大規模なものだとアレイを設置するための施工工事が必要になります。
それだけでなく、太陽光発電の導入が増加すれば、太陽電池のセルやモジュールの製造にも人手が必要です。

これら設備製造や建設・設置による雇用効果が大きくなることは明らかになっており、実際に再生可能エネルギーを積極的に導入しているドイツでも雇用者数は年々拡大しています。
また企業によっては保守管理を不要とするビジネス形態や、太陽光発電の電力の購入など、新しいビジネスにもつながっています。

太陽光発電を含む再生可能エネルギーは、ビルなどが密集する都市部よりも郊外や地方部での導入ポテンシャルが大きいことから、地域に根ざした振興を図ることができ、新ビジネスによる雇用促進とともに、地域の活性化にもつながる点もメリットです。

（出典：環境省「再生可能エネルギー導入加速化の必要性など」）
（出典：経済産業省「日本のエネルギー2018 「エネルギーの今を知る10の質問」」,2018）
（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」）

太陽光発電のデメリットとは

世界で、地球温暖化とその原因の一つである温室効果ガスの存在は脅威となっています。
温室効果ガスは二酸化炭素を主としており、これは私たちの生活からも多く排出されています。その一つが電力消費であり、発電施設の二酸化炭素排出量が大きな問題となっているのです。

二酸化炭素の発生を削減するため、再生可能エネルギーが注目を集め、導入が進められてきました。
再生可能エネルギーは二酸化炭素を排出せず、特別な燃料を必要としないため、国産で精製できるエネルギーです。
太陽光発電は、再生エネルギーの中でも特に発電量が多く、導入量も伸びているエネルギーです。

しかし、主力である火力発電に代わるエネルギーになれるわけではなく、デメリットや課題もあることから、その対応が協議され取り組まれています。
また太陽光発電自体、天気が不安定な梅雨や秋雨の時期や夜間など太陽光が当たらないときは発電できないことから、発電量が不安定になるというデメリットもあります。

太陽光発電には太陽電池（セル）を接続し、太陽光モジュールや、それら複数接続したアレイ、パワーコンディショナと呼ばれる設備も同時に設置します。
架台や工事費なども含めると、太陽光発電設備のシステム費用は高くなる傾向にあります。
2016年のシステム設置費用は平均36.7万円/kW（キロワット）です。
また太陽光モジュールやアレイは、発電量の維持や安全性確保の観点から、定期点検が必要になります。4年に1回以上の点検で、費用の相場は2万円程度と言われています。

システム費用の一部を構成するパワコンは、太陽光モジュールが稼動する20年間で1度は交換しなければいけません。費用の相場は、およそ20万円です。
2016年のデータでは、平均出力が5kWに達し、この数値から年平均の運転維持費を考えると、以下のようになります。

（2万円×5回+20万円）÷5kW÷20年間=約3,000円/kW/年

（引用：経済産業省「電源種別（太陽光・風力）のコスト動向等について」,2016）

また太陽光発電をやめる場合の破棄にも費用がかかるため、全体的にコストがかかることがデメリットになっています。

（出典：経済産業省「太陽光発電システムの現状と課題」,2014）
（出典：経済産業省「電源種別（太陽光・風力）のコスト動向等について」,2016）

太陽光発電の売電とは

太陽光発電は、太陽が昇ってから沈むまで、太陽光が太陽電池に当たっている間は常に発電します。そのため太陽電池を接続したモジュールが多ければ多いほど、多くの電力を発電できます。

太陽光発電の普及により、屋根で発電を行う一般家庭も増えてきていますが、日中発電された電力は主に自宅の電力として消費します。
しかし中には、電力が消費しきれず余っているという家庭もあります。そういった余剰電力を買い取ってくれる制度が「固定価格買取（FIT）制度」です。

固定価格買取（FIT）制度とは

正式には「再生可能エネルギーの固定価格買取制度」と呼ばれるこの制度は、再生可能エネルギーで発電した電力を、電力会社が一定価格で一定期間買い取ることを国が保障する制度です。
太陽光発電は普及も進み、コストも下がってきているとはいえ、初期費用やランニングコストはかかるというデメリットがありました。
しかしこの制度により、発電した電力を少しでも買い取ってもらえれば、コストの回収ができる可能性もまります。

売電では、電力会社から余剰電力を売った家庭に買取費用が支払われます。この費用の負担をするのは、電気を利用している私たちです。
私たちが利用する電力の中に、買い取られた余剰電力が含まれていることから、FIT制度に則り、電力の使用者から再生可能エネルギー発電促進賦課金（再エネ賦課金）が集められ、余剰電力の買取費用の支払が賄われています。

この太陽光発電の買取価格と買取期間は、発電の規模と電源により決定されます。
住宅用太陽光発電では、10kW（キロワット）未満の規模です。2019年までは出力制御対応機器（※）設置義務の有無でも買取価格が異なりましたが、2020年はその有無に関係なく価格が決定されています。
参考までに2019年の1kWhあたりの買取価格は、出力制御対応機器設置義務なしの場合は24円、ありの場合は26円でした。
それに対して2020年の1kWhあたりの買取価格は一律で21円となっています。

この価格で買取期間は10年間と定められているため、2020年に契約すれば1kWh（キロワット時）あたり21円の買取を10年間してもらえることになります。
またビルや工場に置く事業用太陽光発電では、10kW以上50kW未満の規模としており、1kWhあたりの買取価格が2019年では14円（税抜）、2020年では13円（税抜）です。買取期間は家庭用より長く、20年間に設定されています。

50kW以上250kW未満の場合であれば、1kWhあたりの買取価格が2019年は14円（税抜）と同じですが、2020年は12円（税抜）となっており、買取期間は同様に20年間となっています。
ただし10kW以上50kW未満は自家消費型の地域活用要件が設定されているため、発電した全量ではなく余剰電力の買い取りという条件があります。
事業用太陽光発電の中でも250kW以上は入札により買取価格が決定されるので、電力会社との契約次第で価格が変わります。

※出力制御対応機器：パワーコンディショナーからの電力を抑制するもの

（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」固定価格買取制度　制度の概要）
（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」固定価格買取制度買取価格・期間等（2020年度以降）,2020）
（出典：経済産業省「FIT制度における2020年度の買取価格・賦課金単価等を決定しました」,2020）
（出典：経済産業省「よくあるご質問」,2019）

太陽光発電とは導入が進んでいる再生可能エネルギー

太陽光発電は、再生可能エネルギーの中でも導入が進んでおり、私たちでも比較的導入しやすい発電方法です。
デメリットはあるものの、メリットとしての恩恵も大きく、普及が進めば短期的にも長期的にも私たちの生活を支える基盤の一つとなってくれることでしょう。

今ある地球温暖化やエネルギー問題を解決していくためにも、太陽光発電や再生可能エネルギーへの理解を深めていきましょう。