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太陽光発電システムの仕組みや原理【セル・モジュール等の違い】

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目次

①太陽光の発電の仕組み
②太陽光電池の構成の仕組み
③太陽光発電の電力の流れの仕組み
④太陽光発電の発電効率を上げるためには?

 

 

 

①太陽光の発電の仕組み

 

化合物系や有機系などに分類されるものなど多岐にわたる中、最も多く流通しているのがシリコンなどの半導体でできているシリコン系です。

 

電気への変換効率が最も高いのがシリコン系だとされ、所謂、太陽光発電と言われている設備のソーラーパネルの実に9割が結晶シリコンを使っています。

 

このシリコン系のソーラーパネルを使った太陽光発電のメカニズムが、一般的な太陽光発電の仕組みだと言えるでしょう。

 

具体的に説明すると、太陽光発電におけるセルは2種類の半導体を重ね合わせた構造をしています。

 

シリコン系の場合は「N型シリコン半導体」「p型シリコン半導体」を重ね合わせて作られております

 

太陽光が当たると「電子(-粒子)」と「正孔(+粒子)」が作られます

 

すると、図のように
「電子(-粒子)」→「N型シリコン半導体」
「正孔(+粒子)」→「p型シリコン半導体」
へと移動します。

 

しかし、プラスとマイナスは元に戻ろうという力が働いており、そこに通り道を用意することで電流が発生するのです。

 

これは光電効果と呼ばれる現象を利用したもので、光電効果とは「物質に光が当たると、表面から電子が放出される現象」のことを指します。

 

ただ放出させているだけでは電気を集めることはできないので、太陽光発電ではパネル内部で光電効果を発生させるために2種類の半導体を重ねた構造にしてあるのです。

 

パネルの表面には細い電極が施されており、放出された電子を電流として取り出します

 

 

 

②太陽光電池の構成の仕組み

セル 太陽光から電気を生み出す太陽電池素子
モジュール セルを組み合わせてガラスやアルミをパッケージにしたもの。メーカーはモジュール単位で販売している
ストリング モジュールを直列に繋いだ構成の事。
アレイ ストリングを並列に繋いだ構成の事。野立て太陽光発電システムは基本的にアレイ構造。

 

ソーラーパネルとは太陽電池や太陽電池モジュールとも呼ばれており、セルとパネル、アレイまたはストリングによって構成されています。

 

パネルはモジュールや太陽光パネル、太陽電池パネルとも呼ばれ、たくさんのセルを複数列並べて樹脂や強化ガラスなどでパネル状に強化しています。

 

直列に並べたものをストリング並列に並べたものをアレイと言い、それらを設置した数が多ければ多いほど発電量も増えていきます。

 

広い土地に数多くのソーラーパネルを設置して、1MW以上もの電気を発電できるメガソーラーも少なくありません。

 

ソーラーパネルは基本的にこのような構造になっていますが、使われている材料や製法などによって様々な種類があります。

 

 

 

③太陽光発電の電力の流れの仕組み

 

様々な発電方法がある中で、家庭でも比較的簡単に導入できるのが太陽光発電です。

 

その名の通り、太陽の光を使って発電する方法で、モーターを回転させて発電するその他の発電方法とは一線を画します。

 

植物のように太陽の光を直接エネルギーに変え、利用できるのです。
ざっくりと太陽光発電を行う流れを説明すると、以下のような流れになります。

 

ソーラーパネルによって太陽光が直流の電力になりパワーコンディショナーに送られ、交流電力に変換され家庭内で使える様になります。

 

これが太陽光発電システムの仕組みとなります。

 

こうして作られた電気は家庭内で使えるのは勿論、電力会社に売電する事が可能です。

 

基本的には太陽の光がある時間帯しか発電できず、夜間や太陽の光の弱い雨の日などは自動的に電力会社や家庭内の蓄電池からの電力に切り替わります。

 

ちなみに電力会社への売電は「逆潮流」といって、送電線に電力を逆流させる事によって可能となります。

 

省エネや光熱費の節約に繋がるため企業だけでなく、個人の家庭で導入するケースも多く、日本での普及が進んできました。

 

太陽光発電は発電時にCO2を排出することなく、クリーンなエネルギーを作ります。

 

発電量が天候に左右されるという課題はありますが、石油や石炭などの限りある資源と違って太陽がある限り発電できる優れた発電方法だと言えるでしょう。

 

 

 

④太陽光発電の発電効率を上げるためには?

 

発電効率を上げるためにできることは、まず変換効率の高いソーラーパネルを選ぶことが一番分かりやすいです。

 

先程紹介したように、一般的に効率が良いと言われているのは、結晶シリコン系のソーラーパネルです。

 

もちろん、ソーラーパネルの品質も重要です。
ソーラーパネルを販売しているメーカーによって品質も違うので、耐用年数や評判を確認して信頼できるメーカーのものを選びましょう。

 

導入後に関して「影を作らせない」「メンテナンスをする」の2点しか、素人が行える対策はありません

 

また、変換効率だけが高ければ発電効率が良くなるとは限りません。

 

変換効率が低くても暑さや影に強いほうが総合的な発電量が多くなることもあるからです。

 

設置場所によっては化合物でできたCIS系のほうが発電効率が高くなるケースもあります。

 

メーカーは様々な耐久テストを行っていますが、数字で出せば驚くほど耐久性能に違いが出るのは、この業界では当たり前の知識です。

 

しかし、初めて太陽光発電を検討する方だと分かりにくいので、詳しくは知りたい方は下記のコラムを参考にして下さい。

 

リンク:太陽光発電のメーカーおすすめ比較ランキング【シェアや評判】

 

ほかにも、いつでも発電状況を確認できるように、データ計測機器を設置することも大切です。

 

太陽光発電はあまりメンテナンスが必要ない発電システムとは言え、ソーラーパネルやパワーコンディショナーなど長期間使えば消耗していきます。

 

特に稼働部分の多いパワーコンディショナーは期待寿命がソーラーパネルよりも短く10年~15年だと言われています。

 

異常が発生した場合や経年劣化により、稼働率が下がっていけば発電効率も下がってしまうのです。

 

それにいち早く気付いて適切なメンテナンスを行うためにも、
データを計測できるようにしておきましょう。

 

中には異常を察知したときにメールで通知してくれるものもあります。

 

こういった経年劣化を遅らせるため、発電効率を下げないためにも定期的にメンテナンスを行うことが重要です。

 

リンク:太陽光発電の設置価格費用の相場

 

ソーラーパネルの場合は、ガラスなどで守られた表面が、汚れた場合や変色すると光が遮られ発電効率が落ちてしまいます。

 

日本では毎年のように台風があり、ゲリラ豪雨や突風、竜巻などの自然災害のニュースを聞かない年はありません。そうなるとソーラーパネルが破損する可能性もあります。

 

さらに、鳥が小石を落とすなど野生動物による被害や、地面に近い場所に設置している場合は雑草や木、建物などによって光が遮られ、発電量が低下してしまうこともあるのです。

 

それらを踏まえて、パネルを購入する際はメンテナンスサービスや手厚い保証があるものを選びましょう

 

メンテナンスには修理のほかに、コーティングという方法もあります。

 

購入してからしばらくの間は、ソーラーパネルの表面はツルツルで汚れも簡単には付着しません。

 

ですが、経年劣化により表面に細かい傷ができると、汚れが付着しやすくなり光の透過率低下を招いてしまうのです。

 

それを防ぐためにも、定期的にコーティング剤を使って汚れの付着や発電効率低下を予防しましょう。

 

コーティングすればパネルの表面に、直接傷が付きにくくなるため、パネルの劣化を防ぐことにも繋がります

 

さらに、パネルに散水して発電効率をアップする方法も、場合によっては効果的です。

 

ソーラーパネルは夏の日差しが強い時期のほうが発電量が多いと誤解している方が多いのですが、実際はシリコン系は熱に弱く、発電効率が下がってしまうという特徴があります。

 

そのため夏よりも気温の低い春のほうが発電量は多いのです。

 

しかし、散水してパネルの温度を下げることで、真夏でも発電量が減らないように対策できます。

 

水が蒸発する際に熱を奪うため、散水すればしばらくの間はパネルの温度を下げられるでしょう。
ただし、水道水に含まれるカルキには注意が必要です。

 

水分が蒸発した後にパネルにカルキの白い跡が残ってしまい、それが太陽光を遮って発電効率が下がってしまう可能性があります。

 

住宅密集地でなく平地で遮蔽物が何もない場所では初期費用が増えますが太陽光を追って動く二軸追尾式架台を導入する手もあります

 

太陽の動きに合わせてパネルが動くので、従来よりも長時間太陽の光を受け止められ、発電効率も大幅にアップできるでしょう。このように、様々な工夫によって発電効率を上げられるのです。

 

 

 

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