太陽光発電(ソーラー発電)とは? 仕組みや必要となる設備・メリットデメリットも解説

太陽光発電とは、太陽の光エネルギーを電気に変換する発電方法を指します。温室効果ガスを排出せずに永続的に利用できると政令で認められている「再生可能エネルギー」の一つで、風力・地熱・中小水力・バイオマスと並び重要なエネルギー源の一つとなっています。

現在、世界各国がパリ協定という枠組みの下、温室効果ガス排出量の削減・抑制を進めており、日本でも温暖化対策として「2050年カーボンニュートラル」が掲げられています。カーボンニュートラル社会の実現に向けても、太陽光発電は再生エネルギーの中で特に重要な電源構成とみなされています。

太陽光発電というと、屋根の上に設置された黒色や青色などのパネル状のものを思い浮かべるのではないでしょうか。しかし、太陽光発電にはパネル以外にも必要な機器がいくつかあります。太陽光発電に必要な機器とその概要を説明します。

多くの人が太陽光発電の装置としてイメージするパネルのことです。太陽電池モジュールの他にもさまざまな呼び名があり、ソーラーパネルや太陽光発電パネルなどとも呼ばれます。

太陽電池モジュールは「太陽電池セル」と呼ばれる部品を並べて、樹脂や強化ガラスで保護したもので、モジュールを複数設置したものは「アレイ」と呼ばれます。

参考：東京ガス「東京ガスの太陽光発電」

パネルの内部には、太陽光から電気を発生させるための半導体が入っています。この半導体にも種類がありシリコン系や化合物系などがあります。シリコン系は太陽光発電でもっとも一般的な半導体として知られており、さらに単結晶、多結晶、アモルファス(非結晶)といったタイプへと分類されます。単結晶、多結晶型は普及率が高い傾向にある一方で、価格は高価になりやすい場合もあります。

化合物系は次世代太陽電池材料としても注目されており、高温時の出力ロスが比較的抑えられているのが特長です。化合物系はさらにCIS/CIGS、CdTeなどに分類され、暑さに強く製造コストが抑えられるのが強みとされています。一方で、結晶系シリコンに比べると変換効率が低い傾向にあるほか、有害物質の流出リスクが指摘されることもあります。

太陽電池モジュールを設置するための台で、パネルが太陽光を効果的に受けられるように設置します。ステンレス、スチール、アルミニウムなど材質に種類があり、重量、コスト、強度といった要素をバランスを見ながら選択する必要があります。特に、屋根に太陽光パネルを載せる場合は、架台を含めた重量によって耐震性低下の恐れもあるため、専門家の意見を聞きつつ、選択することが重要です。

太陽光で発電して得られた電気を、家庭内の電気製品などで使用できるようにするための「変換装置」です。
太陽光で発電される電気は、電流や電圧が変化しない「直流」という流れ方をしています。一方、実際に私たちが家庭内で使用するのは、電流や電圧が周期的に変化している「交流」です。そのため、直流を交流に変換するための装置が必要になります。
パワーコンディショナは、太陽光発電で得られた電気を使用できる電気にするという重要な役割を担っています。
そのほかにも、機種によっては次のような機能を備えている場合があります。

• MPPT制御(最大電量追従制御）：1日のうち発電量がもっとも多くなる電圧差を判断しロスを少なく発電を行なってくれる機能
• 逆潮流制御機能：発電停止などのトラブルにつながる逆潮流(発電電力が消費電力を超える現象)を防ぐ機能

太陽電池モジュールからの配線をまとめてパワーコンディショナに送るための装置ですが、接続ユニットの機能はパワーコンディショナに内蔵されていることもあります。

また、接続箱には屋外用と屋内用といった種類の違いもあり、屋外用は防雨性能が求められるため、屋内用よりも価格が高くなる場合があります。

名前の通り、電気を分けるための機器で、パワーコンディショナで変換された交流の電気を家屋内の各コンセントまで届けます。
また、電力会社と売電・買電する際も、分電盤を介して電気のやりとりをします。

そのほか、多くの分電盤は一定を超える電流を検知すると電気を自動遮断するアンペアブレーカーや、漏電が発生した際に異常を検知すると電気を自動遮断する漏電遮断器といった安全機能が備わっています。

発電量や売電の状況、家庭内で電力がどのくらい使われているかなど、システムの状況を確認できるモニターです。

太陽の光からどうして電気が生まれるのか、その仕組みを正確に説明できる人はそれほど多くないのではないでしょうか。どんな機器が必要で、どのように電気を生みしているのかといった太陽光発電の仕組みや機器の構造の説明とともに、実際にどれくらいの電気が生み出せるのかといった基礎知識を押さえましょう。

太陽光発電システムは、太陽の光が半導体に当たると半導体内部の電子が動き出すという特性を利用しています。

太陽光発電システムに用いられる半導体は、太陽光を受ける表側に「n型半導体」、裏側に「p型半導体」というものが貼り合わされています。
その接合面に太陽光が当たると電子(－)と正孔(＋)が発生し、電子は表面に、正孔は裏面に引き寄せられるようになります。この時、表面と裏面を電線でつなぐと、表面(＋)から裏面(－)へと電流が流れ、エネルギーを取り出すことができるのです。

シリコン系半導体の太陽光発電のイメージ

実はこの仕組みは乾電池と似ています。乾電池の両電極から電線をつなぐと豆電球が点灯するように、太陽電池モジュールの電極から電線をつなぐことで電気が流れると考えてください。

太陽光で作ることができる電気の量は、発電容量のほか、設置場所や季節、天候などさまざまな要因で変動します。目安として、発電容量1kWあたり年間約1,000kWhの発電量と考えた場合、4～5kWの容量の太陽電池モジュールを設置すれば、一般家庭の平均年間電力消費量4,716kWhはだいたいまかなえるという計算になります。

ただし、発電容量が大きくなるほど設置面積も大きくなることも考慮しなければなりません。例えば、容量4kWなら25～40㎡の面積が必要です。

参考：太陽光発電協会「表示ガイドライン(2023 年度)」

東京ガスでは、導入前から丁寧な説明を行い、お客さまができるだけ安心して設置していただけるようサポートします。
太陽光発電システムに関してわからないことや心配なことがあれば、無料の訪問相談もご利用可能です。お気軽にお申し込みください。

太陽光発電の代表的な長所について説明します。

太陽光発電の最大の特長として、非常にクリーンなエネルギーであることが挙げられます。

太陽光発電で年間1,000kWhの電力を得るために排出する二酸化炭素(CO2)は約17～48g/kWhです。火力発電では約690g/kWhを排出するといわれるため、違いは圧倒的です。

また、火力発電のように、発電時に二酸化炭素や硫黄酸化物、窒素酸化物など大気を汚染してしまう物質を発生させることがなく、原子力発電に比べると災害時のリスクも低いといえます。

加えて、太陽光発電システムは耐用年数が長く、使用を終えても構成材料の大部分がリサイクルできることも環境にやさしいといわれる理由です。

参考：クール・ネット東京「太陽光発電システム（太陽光発電システムとは）」

一般に、可動部分が多いものは、そのぶん故障や劣化が進みやすい傾向があります。その点、太陽光発電システムは可動部分が少ないため、家電などと比べても長寿命といわれています。

また、太陽電池モジュールに使用されている半導体は半永久的に発電し続けます。ただし、パネルをつなぐ電線やフレームなどは経年劣化や故障する場合もあるので、推奨時期に定期メンテナンスを受けて、永く使いましょう。

災害などで停電が起きたとき、太陽光発電システムは非常用電源として活躍してくれます。

停電時に「自立運転」というモードに切り替えることで、発電した電力を家庭内の非常用コンセントで使用できるようになります。

ただし、太陽光発電のみで蓄電池を使っていない場合は、発電した電力を蓄えておくことができないため、日が出ている間で発電した量の電力しか使えない点には注意しましょう。

蓄電池とは、太陽光発電で作り出した電気をためておくことができる装置を指します。
夜間に起こる停電や、数日にわたって停電するような災害に備えるには蓄電池も合わせて導入することをおすすめします。
また、夜間や停電時でなくとも、悪天候で十分な太陽光が得られない時にも蓄えた電気を使えるので安心です。

自家発電した電力で余った分は、電力会社に売却(売電)することができます。
家庭内では使い切れなかった電力を無駄にすることなく、収入に変えることができるのは魅力です。

太陽光発電は、エネルギー源である太陽が出ていない間は発電することができません。そのため使用電力をまかなえないときは電力会社から電気を買う(買電)することになりますが、蓄電池を併用して電気料金を節約している家庭も少なくありません。

日照時間が減ってしまう梅雨時や、日暮れ以降の夜間などには、蓄電池から電気を供給することで電力会社から買う電力を減らすことができます。

多くのメリットがある太陽光発電ですが、導入を決める前に知っておくべきデメリットもあります。
例えば、設置に向いていない環境があること、初期費用が高額なこと、発電で得られる電力が日照時間などに左右されることなどです。

設置を希望する屋根が北向きであったり、小さかったり、陸屋根や特殊な屋根材の場合は、太陽光発電システムを取り入れるメリットが少ないかもしれません。

そして、設置面積などによって異なりますが、一般住宅で太陽光発電システムを設置した場合、設備費用と工事費用を合わせて発電容量1kWあたり20～40万円程度かかります。
初期費用については、電力会社から買電せずに自家発電することでの電気料金の節約や、余剰分は売電できるため、長期的な観点では回収できる可能性もあります。

また、お住まいの地域によっては自治体の補助金が設けられており、初期費用を軽減できる場合もあるので、利用できるかどうか調べてみましょう。

そして、設置面積などによって異なりますが、一般住宅で太陽光発電システムを設置した場合、設備費用と工事費用を合わせて発電容量1kWあたり20～40万円程度かかります。

ここでは、設置にかかる初期費用と設置後の費用について解説します。

設備費用としては、本記事で紹介した太陽光パネルやパワーコンディショナといった各設備・機器のほかに各種配線用のケーブルなども初期費用と考えられます。蓄電池を併用する場合、蓄電池の購入費用も別途必要になるでしょう。また、工事費用には設備の組み立てだけでなく、足場設置にかかる費用なども含まれます。

初期費用については、電力会社から買電せずに自家発電することでの電気料金の節約や、余剰分は売電できるため、長期的な観点では回収できる可能性もあります。

また、お住まいの地域によっては自治体の補助金が設けられており、初期費用を軽減できる場合もあるので、利用できるかどうか調べてみましょう。

太陽光発電設備の設置後に発生する費用としては「メンテナンス代」、「ソーラーパネルの撤去費用」などがあります。

基本的に太陽光発電関連の設備は高い耐久性を持っていますが、発電量の維持・安全性確保から3～5年ごとの定期点検が推奨されているため、一定のメンテナンス費用がかかります。万一、定期点検で不具合が見つかった場合は修理・交換費用が掛かる可能性もゼロではありません。

また、老朽化や住宅のリフォームなどでソーラーパネルを撤去する場合、基本的には法令やガイドラインを順守しなければならないため専門家に依頼する必要があり、撤去費用が必要になります。

太陽光発電で電気を生み出せるのは、日が差しているあいだに限られます。そのため天候や日照時間に発電量が左右されやすい点には留意しておかなければなりません。

雨天時や曇天時は発電量が少なくなるほか、朝晩や冬季など時間帯や季節でも発電量は変動します。

一般的に、住宅用の太陽光発電は屋根の上にソーラーパネルを設置するケースが多いため、屋根の条件などによっては設置自体が適さない場合があります。

例えば、太陽光発電設備の設置に向いていない環境の例としては以下のようなものがあります。

• 屋根の面積が狭く、十分な太陽光パネルの積載ができない住宅
• 北向きの屋根しかない住宅
• 周囲環境によって屋根に影がかかる可能性のある住宅

太陽光発電の仕組みを知ることで、その長所や短所の理解が進み、納得のいく選択ができるようになるでしょう。くらしに豊かさと安心感を与えてくれるクリーンエネルギー、太陽光を取り入れてみてはいかがでしょうか。

東京ガスでは太陽光発電のプロが無料相談を受け付けており、お客さまに納得して太陽光発電システムを導入できるようにサポートいたします。ぜひ、お気軽にご相談ください。