進化が続く太陽光発電の仕組み、環境にやさしく、節約を実現できるワケ

壁面に設置できる太陽光パネルが登場するなど、太陽光発電の進化が止まりません。環境にやさしく、家計の節約や企業の省エネルギーに大きな効果が期待できるとして、今後も需要の伸びが見込まれています。しかし、太陽光発電の仕組みについてはよく分かっていない人が少なくないようです。どんな原理で光から電気が生まれ、どのように活用すればいいのでしょうか。太陽光発電の仕組みを解説します。

光から電気が生まれる原理とは

太陽光発電は太陽光パネルに太陽の光を当てて電気を作る発電方法です。その仕組みはどうなっているのでしょうか。

2種類の半導体がエネルギー変換

太陽光パネルにはたくさんの太陽電池が搭載されています。この太陽電池は「電池」という名前がついていますが、電気を蓄える普通の「電池」と違い、太陽のエネルギーを電気に変える発電機の役割を果たします。

太陽電池はｎ型とp型という2つの半導体が張り合わされています。太陽の光が太陽電池に当たると、光電効果と呼ばれる現象が発生し、ｎ型半導体にマイナスの電気を帯びた電子、p型半導体にプラスの電気を帯びた「正孔」が集まります。

「正孔」はホールとも呼ばれ、半導体の中で価電子の一部が欠落して穴のようになっている個所を指します。光電効果により太陽電池の中でプラスとマイナスの極が形成され、電子が導線を伝わって移動することで電気の流れが生まれます。

太陽光パネルの素材には、「シリコン系」、「化合物系」、「有機物系」があり、シリコン系が主流になっています。シリコンはケイ素と呼ばれる元素です。

太陽光発電に必要な機器は

太陽光発電は主に太陽光パネルとパワーコンディショナーで構成されます。太陽光パネルで作った電気は直流で、そのままでは家庭や工場で使用したり、電力会社に売電したりすることができません。

パワーコンディショナーはこの直流電気を交流に変換するための設備です。これで電気の自家消費や売電が可能になります。電力会社に停電などの異常があったときは、発電した電気を電力会社の電力系統に流さない保護機能を搭載しています。

ソーラーパネルの発電量はどれくらい

太陽光発電協会は出力1キロワットの太陽光パネルの発電量目安を1日当たり約2.7キロワット時、年間1,000キロワット時としています。ただ、設置された地域の日照量や太陽光パネルの設置角度などで発電量が変動します。

出力10キロワット未満の住宅用太陽光発電では出力3～5キロワットの設備を導入する家庭が多いようです。一般家庭の年間平均電力消費量は約4,300キロワット時です。計算上は出力4.3キロワットの設備を導入すれば、年間消費量をまかなえることになります。屋根や屋上が広いマンションやアパートだと、出力10キロワット以上の産業用設備も導入できますが、入居戸数が増えれば全戸の消費電力をまかなうのが難しくなります。

太陽光発電をどう活用する？

太陽光発電の活用方法はさまざまです。設置費用にどれくらいかかり、どんな活用方法が取られているのか、まとめてみました。

設置費用の相場はいくら

経済産業省によると、住宅用太陽光発電の設置費用は2021年で1キロワット当たり28.8万円です。前年より0.4万円減少し、この10年で4割ほど低下しています。少しずつコスト削減が進んできたわけです。

ただ、産業用太陽光発電は国の固定価格買取制度（FIT）で2025年に1キロワット時当たり7円の目標を打ち出しているのに対し、2020年上半期は13.2円です。世界平均の5.5円に遠く及ばず、依然として高コストが問題になっています。

FIT法に基づいて売電

考えられる利用方法の一つがFIT法で規定された固定価格買取制度に基づき、大手電力会社に売電することです。マンションやアパート経営でも、全量売電や余剰電力の売電が可能で、オーナーにとって貴重な収益となります。

しかし、2022年度の買取価格は住宅用（10kW未満）で1キロワット時当たり17円、産業用（10kW以上50kW未満）なら11円です。固定価格買取制度が始まった2012年度は、住宅用で1キロワット時当たり42円、産業用で40円+税の高値で買い取ってくれました。導入当初のような高収入は望めません。

自家消費に有効な蓄電池

買取価格の低下から、今後は太陽光発電と蓄電池をセットで導入し、自家消費するのが有望と考えられています。蓄電池があれば、太陽光発電でつくった電気を昼夜関係なく使うことができます。電気代の節約にもつながります。

最近は、世界的なエネルギー不足で電気料金が高騰していますから、エネルギー危機を乗り切る方策にもなりそうです。

災害時の非常用電源に

災害時の非常用電力を確保できることも魅力です。太陽光発電を自立運転モードに切り替えることで、停電時も電気を使用できるのです。

近年は地震や水害など自然災害が多発し、そのたびにマンションで住民が孤立する問題が起こっています。非常用電力があればそうした不安を解消できるばかりか、災害に強いことをアピールして入居者確保の力になります。

→「太陽光発電　災害」の記事はこちら

今後も伸びが見込める太陽光発電の現状

東京都や京都府、川崎市、京都市が新築住宅を含む建造物に太陽光発電の設置を義務づける方針を打ち出すなど、太陽光発電の設置には追い風が吹いています。太陽光発電の成り立ちから今日までを見ていきましょう。

意外と古い太陽光発電の歴史

太陽光発電の研究が始まったのは19世紀のことです。フランスの学者ベクレルが1839年、金属板に光を当てると電気が発生することを発見しました。1883年には米国の発明家フリッツが太陽光発電のもとをつくっています。

日本では戦後間もない1955年に初の太陽電池が製作されました。太陽光発電システムが実用化されたのは1958年です。意外と歴史は古いのです。

国内では東日本大震災を機に急増

日本は20世紀末、太陽光発電で世界のトップランナーでした。しかし、日本経済の停滞とともに欧米や中国に追い越され、普及も遅れました。政府が原子力や石炭火力に軸足を置いていたことが影響したともいわれています。

そんな中で2011年、東日本大震災が発生し、その直後の2012年に固定価格買取制度がスタートしました。これをきっかけに太陽光発電の導入量が急増します。経済産業省によると、2011年度の累計導入量は531万キロワットでしたが、2012年度911万キロワット、2013年度1,766万キロワットと伸び、2020年度末は約7,000万キロワットに達しています。

太陽光発電の長所と短所は

太陽光発電は環境にやさしく、資源の乏しい日本でも無限につくり出せることが長所です。政府が2050年のカーボンニュートラル（温室効果ガス排出実質ゼロ）を打ち出したうえ、地方自治体が建造物への設置義務づけへ動き出したこともあり、今後も伸びが期待されています。

しかし、発電量が天候に左右されるなどの短所もあります。特にさらなる普及を進めるうえで問題なのが、需給バランスの制御が難しいことです。電気は需要と供給が一致しないと広域で停電する可能性があります。需給バランスをきちんと制御する仕組みを確立しなければ、出力制御で太陽光の発電量を抑えなければならない事態になってしまいます。

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設置場所は屋根だけじゃない、新製品続々と

太陽光発電を設置する場所は屋根や屋上と決めつけているかもしれませんが、そんな常識を覆す製品が相次いで市場に登場してきました。その例を紹介します。

外壁や窓での発電を実用化

岡山市南区の電気工事会社は第二本社ビルの壁面ガラスに太陽光パネルを採用しました。大阪市のメーカーが開発した膜状の太陽光パネルを利用しています。東と南の壁面を太陽光パネル約900枚で覆い、最大出力は40.8キロワットに達します。パネルの切れ目から可視光線が入るため、室内は木漏れ日のようなやさしい光に包まれます。

大手建設会社と大手化学メーカーは壁面や窓で使う太陽電池一体化型の建材を開発しました。一般製品で15～20％というエネルギー変換効率を約24.4％まで高めたうえ、高い意匠性を実現するために電極線が外から見えないよう工夫しています。

既築ビルの壁面利用で実証実験も

壁面や窓への太陽光パネル活用は新築ビルに広がりそうですが、既築ビルだと施工性などの問題があり導入を妨げています。そこで、大手建材・住宅設備メーカーは窓へ後付けで容易に設置できる太陽光発電ブラインドを開発し、実証実験に入っています。

このほか、両面で発電できる太陽光パネルも登場しています。ドイツで行われたテストでは、従来の片面型太陽光パネルに比べ、約20％の発電量アップが見込めるそうです。太陽光発電の進化は急速に進んでいるのです。

不動産経営に新製品活用を

この10年間で急増を続けてきた太陽光発電ですが、2050年のカーボンニュートラルや、昨今のエネルギー価格高騰を考えると、今後も伸びは間違いないとみられています。新しいタイプの製品も次々に登場していますから、うまく活用して家計や不動産経営の助けにしましょう。