太陽光発電の仕組みとは？どうやって発電されるのか解説

私たちの生活において、電力はなくてはならないものですが、日本の発電のエネルギーのほとんどを火力発電に頼っているのが現状です。
しかし火力発電は環境への負荷が大きいため、負荷が少ない再生可能エネルギーの導入が検討されており、普及が促進されています。

その中でも特に導入が進んでいるのが、太陽光発電です。
この記事では、太陽光発電はどのような仕組みで発電されているのか紹介します。

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と太陽光発電

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も寄与できる有望かつ多様で、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るエネルギーです。

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り、地球温暖化などの影響が出ています。
このまま温室効果ガスが増加していけば、取り返しがつかない気候変動などの影響が出る可能性があるため、世界中で削減への取り組みが進められています。

日本では、2011年に起こった東日本大震災以降、温室効果ガスの排出が増加しており、2013年には排出量のピークを迎えたことから、早急な対策が求められました。
そこで国内でも再生可能エネルギーの導入が勧められています。ただ、再生可能エネルギーだけで国内の発電量を賄うことは困難です。

そこで従来の石炭や石油などの化石燃料を使用した火力発電や水力発電に加えて、再生可能エネルギーを組み合わせ、二酸化炭素の排出量を削減するエネルギーミックスを推進しています。
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」総論）
（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）

太陽光発電の仕組み

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、水力発電を除き国内でも最も多くの発電量を誇ります。

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%です。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を占めています。

（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）

太陽光発電はどのようにエネルギーを生み出すのか

太陽光発電では太陽電池という特殊な装置を用います。この太陽電池にはいくつか種類があり、素材や特徴が異なります。

太陽電池自体は、光があたることで電気を生み出す特徴があり、その太陽電池が集めた光エネルギーを電気エネルギーに変えることを変換効率と言います。
この変換効率は、2017年時点では約15%~20%であり、変換効率を上げるために研究が進められています。

太陽電池の種類

太陽光発電に用いる太陽電池は、その材料や厚み、接合数、動作原理などで分類されています。その中でも主として使用されているのがシリコン系太陽電池です。
シリコン系のほかに化合物系、有機系、有機無機ハイブリッド系に分けることができ、世界では、結晶シリコン系太陽電池が9割以上と大半を占めています。

化合物系は、「CIS系太陽電池」と「III-V族太陽電池」です。「CIS系」とは、銅やインジウムなどを2～3マイクロメートルの薄い膜にして、基板に付着させます。結晶シリコン系は150～200マイクロメートルなため、比較すると薄いことが分かります。そのため、設計の自由度があり、面積が大きいものなども低コストで作ることも可能です。

もう一つである「III-V族」はガリウムや砒（ヒ）素、インジウム、リンなどの原料からできています。
原料の組み合わせが複数の材料から構成できるため、たくさんの光を電気に変えることができ、変換効率が高くなります。

ほかにも、新しい素材を使った「ぺロブスカイト太陽電池」が注目されています。まだ実用化されていませんが、材料を基板に塗るという簡易かつ、低コスト化が期待されています。

太陽光発電のシステム

太陽光発電システムは、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います。
太陽電池の基本単位である「セル」を直列に接続してまとめ、樹脂や強化ガラス、金属枠で保護して強度を高めます。

これがソーラーパネルであり、太陽電池モジュー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、大きな電力を得られます。
モジュールは施工性が高く、汚れや紫外線、湿度などからセルを保護することにもつながっています。

家庭では、太陽電池で得られた電気を直接使うことはできません。
家庭で使われる電気は交流ですが、太陽電池で得られる電気は直流であるため、太陽電池モジュールと家庭の分電盤の間にはパワーコンディショナと呼ばれる電力用半導体とその制御を行う電子回路によって直流から交流に変換します。

太陽光発電はどんな場所で使用できるのか

太陽光発電の仕組みは太陽電池に日光を当てることで発電するというシンプルなものです。
そのため、エネルギー源である太陽光が当たる場所であれば、基本的には設置する地域に制限なく導入できます。

家屋の屋根や壁などの未利用スペースはもちろんのこと、農地などであった場所を整備してアレイを設置し、発電しているところもあります。
神奈川県藤沢市や兵庫県芦屋市では集合住宅や研修施設の屋根に太陽光モジュール（ソーラーパネル）やアレイを取り付け、家屋の発電を賄い、売電などで二酸化炭素を削減しようとする活動も行われています。

（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）
（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）
（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）

太陽光発電の仕組みを理解し、人にも環境にも優しい暮らしを

太陽光発電は、太陽の光が当たる場所や時間帯であればいつでも発電でき、二酸化炭素を発生させないため、環境への負荷も少ないエネルギーです。
また私たちの生活の中でも設備さえ整えれば行うことができ、日々の生活を支えるだけでなく、余剰電力は電力会社に売って使ってもらうこともできるため、非常にエコなエネルギーとして注目されています。