太陽光電池 

1.太陽電池とは

 太陽電池と名前に電池がついていますが電力を蓄える機能は持っておりません。また別名太陽光発電とも言い太陽の光(エネルギー)を電気(電力)に変換する発電機の機能を持っています。 

 真冬の天気の良い日に日当たりの良い部屋で太陽の光を浴びていると暖かくて気持ちいいですね、これは太陽の光に熱エネルギーがあるからです。 

真夏の正午の太陽光で1平方メートル当たり約1kWのエネルギーを持っているといわれています。 

以前は都会でもこの写真のような装置を屋根の上に置いて水を温めてお湯にして利用しているのを見かけました。真夏ですと火傷する位の温度のお湯になります。 

太陽電池はこの熱エネルギーを吸収して、熱になる前に電気的なエネルギー(電力)に変換し有効利用しようとしています。このように太陽光発電とは、太陽のエネルギーを用いて電力を得る仕組みの事です。 

少し堅苦しく言うと【JIS C 8960太陽光発電用語】の定義では。 

・番号108:太陽光発電:「太陽光のエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電方式。光起電力効果を利用した太陽電池を用いるのが一般的である。」 

・番号109:太陽電池:「太陽光などの光の照射を受けてそのエネルギーを直接電気エネルギーに変える半導体装置。光起電力効果を利用した光電変換素子の一種。太陽電池セル,太陽電池モジュール,太陽電池パネル,太陽電池アレイなどの総称として用いる場合もある。」 

と定義されています。 

2.太陽光電池の仕組について 

現在一般的に使われている太陽電池はシリコン系の半導体を利用した太陽電池です。太陽電池は、電気的に特性の異なる2種類(p型、n型)の半導体を合わせた構造をしています。この太陽電池に太陽光が当たると、電子(マイナス)と正孔(プラス)が発生し、正孔はp型半導体へ、電子はn型半導体へ引き寄せられ、これが表面と裏側に付けられた電極から電気(電力)を取り出し、モータや電球などの負荷をつなぐと電流が流れ電力として取り出す事が出来ます。 

太陽から無尽蔵に降り注ぐエネルギーを電気(電力)に変換しているので 

           太陽電池の出力エネルギー 

  変換効率 = ―――――――――――――――――― x100%  ・・・式1 

          太陽から降り注がれるエネルギー 

の式1で変換効率が求められます。 

光(太陽)エネルギーを何%の電気エネルギーに変換出来るかを表します。 

以前はこの変換効率が10%程度でしたが、近年では20%を超える物がありますが、火力発電の変換効率は40~60%といわれており太陽光発電の効率はまだまだ悪い方ですね。 

また、太陽光発電ですのでどうしても太陽による放射熱の影響は避けられません。太陽電池の温度特性(高温になると発電効率が悪くなる)も注意しないといけない要素と言われています。 

今後さらに技術進歩などで効率が良くなれば小さな面積で大きな電気(電力)が得られるようになり、電気自動車の屋根やトランクに付けた

太陽電池だけで充電がまかなえる時代が来ることを期待されています。 

3.太陽光発電システムとは 

 太陽光発電システムは先ほどの様な用語としての「JIS」の定義はありませんが、一般的には「太陽電池とパワーコンディショナーやバッテリなど周辺設備などを組み合わせ、太陽光のエネルギーから変換した電力を使う目的に合った様式で取り出すためのシステム」と言われています。 

 太陽光発電システムは電力会社の送電網への接続をしている、していないにより「系統連係型」と「独立型」2つのタイプに大きく区別されそれぞれには特徴があります。 

3-1電力会社の送電網に接続した系統連系型 

 皆さんの住宅・マンションや会社ビルの屋根(屋上)に太陽光発電システムを設置した場合、太陽光発電システムを電力会社の送電網と接続(系統連係)する場合が一般的です。

【系統連係型】こんな感じですね。 

 電力会社の送電網と接続する事により、昼間太陽電池の発電量が建物内で使用する電力を上回まわれば電力会社へ電力を販売し、逆に夜間や天気の悪い日など太陽電池の発電量が建物内で使用する電力が下回れば電力会社から電力を購入して運用することが出来ます。 

3-2電力会社の送電系統に接続しない独立型 

 先ほどの系統連係型に対して、電力会社の送電網に接続せずに太陽電池の電力のみで設備の稼働を行うものを独立型と言います。 

  1. 離島や人工衛星の様に送電線網の設備がない或いは出来ない場所での電力源として利用されています。これらの場合は夜間や天候などの影響で太陽からのエネルギー供給が出来ない場合を想定し蓄電池を備えた太陽光発電システムを使用します。 

2.電力送電線網が整備された都市部などにおいても時計や街頭照明、道路標識などの小型の独立型システムを採用されています。さらにこれらは、災害時電力が遮断したような場合でも独立型の太陽光発電システムですので使用することができる利点もあります。 

③途上国などの電力網のない無電化地域などでは、蓄電池を装備した独立型の太陽光発電システム 

 で電力を供給し地域の生活の質の向上を担う取り組みが行われています。 

4.太陽光発電のメリット・デメリット 

4-1メリット 

  1. 設置時の費用は必要ですが、エネルギー源がクリーンでかつ無尽蔵という事ではないでしょうか。太陽光発電システムのエネルギー源となる太陽光は毎日地球にそそがれていますかつ石油や石炭の化石燃料と違い枯渇を心配する必要が有りません。 
  1. メンテナンスが容易、それなりのメンテナンス作業は必要ですが原子力発電や火力発電の設備のメンテナンスに比べれば構造的に機械的要素がほぼないので故障の心配がほぼ有りません。 

蓄電池やパワーコンディショナーなどの電子機器を使用する場合がありますが機械的要素に比べればメンテは用意で寿命も長いです。 

  1. 設置場所を選ばない。風力発電や水力発電もクリーンな発電ですが、設置場所を選びます。太陽光発電システムは唯一の設置場所は太陽が当たる場所です。設置場所を選ばないというと少し大げさでしょうか。 
  1. 夏場のピーク電力に対応。夏場冷房等で電力消費がふえると、同様に太陽光発電に必要な太陽光は増加し発電量も増加するので需要と供給が一致します。 

4-2デメリット 

  1. 発電量が不安定、太陽光発電システムは、太陽光エネルギーを利用して発電するので天候に大きく左右、曇や雨天時には出力が大きく低下し、夜間はもちろん出力を得ることができません。系統型連係型でベース電力に対して発電比率が比較的小さい場合はこの出力の不安定はそれほど問題にはなりません。 
    しかし、メガソーラなど大規模な太陽光発電システムが多く設置されベース電力に対しての比率が大きくなると常にお互いの発電量の見込み調整の情報共有が重要になってきます。 
  1. 発電設備の面積が大きくなる、現在の太陽電池の変換効率が~20%程度でまだまだ変換効率が高いとは言えないレベルですので、他の発電方法と比べると大きな建設面積が必要となります。 
  1. 発電コストが高い、太陽光発電システムは発電の為のエネルギーは太陽から供給されますので、発電時のコストはゼロですが、設備コストが他の発電方法と比べて高くなるので、発電に要するコスト全体は高くなってしまいます。 

 (参照:『エネルギー白書2010』をもとに作成) 

  太陽光発電は他と比べて4~5倍程度のコスト高です。 

  1. メリットの④は冬場には当てはまりません。冬場は朝や夕方の気温低い時にピークが来ますがこの時太陽光発電は最低レベルの状態です、逆に発電量がピークになる時は気温が上昇しエアコン等の消費は朝夕に比べれば減少します。 

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