電気は「買う」から「創って使う」時代へ。太陽光発電の仕組みや導入の意義を解説

近年、環境への配慮や自家消費を目的として、住宅用太陽光発電を設置する一般のご家庭や企業が増えてきました。

太陽光発電が太陽の光で発電ができる仕組みだということは広く知られていますが、詳しい発電方法や仕組みについてはまだまだ知られていません。

人によっては、住宅用太陽光発電についてよくわからないために導入をためらっている方も多いかと思います。

そこで今回は、太陽光発電の仕組みと基礎知識について詳しく解説します。

これから太陽光発電の導入をしたいと考えている人や太陽光発電の仕組みや特徴を理解した上で検討を始めたい人などは、ぜひ目を通してみてください。

太陽光発電で知っておくべき基礎知識

太陽光発電の仕組みを理解するためには、まずエネルギーと太陽光、電力といった3点について把握しておくことが大切です。

そこでまずは、太陽光発電で知っておくべき基礎知識として、エネルギーと太陽光、電力の意味と特徴についてわかりやすく解説していきます。

１：エネルギー

そもそもエネルギーとは、電気をはじめとしたさまざまな力のことです。

太陽光発電の場合には、電気のエネルギーや熱エネルギーなどをはじめとした、複数のエネルギーが関係しています。中でも注目すべきなのが、光エネルギーと電気エネルギーの2点です。

太陽光発電では、太陽から降り注がれている光エネルギーを太陽光パネルで吸収し、電気エネルギーへ変換する仕組みとなっています。そのため、光と電気エネルギーという点が、発電の仕組みやメリットなどを理解する上で重要といえます。

２：太陽光

太陽光発電では、太陽光も重要なポイントのひとつです。

太陽光とは太陽から降り注がれている日光のことです。日光の中に熱エネルギーや光エネルギーなどが含まれており、太陽光発電では光エネルギーを活用しています。

地球に降り注いでいる太陽光は1秒間に約42兆キロカロリーと膨大で、0.4％程度のエネルギーを活用するだけで日本の一次エネルギーをカバーすることが可能です。さらに、太陽光のエネルギーは半永久的に取り出せるため、今後のエネルギー・インフラを考える上で欠かせない資源といえます。

また、太陽光を太陽光発電に活用した場合、CO2を排出しません。環境という点で見た場合、化石燃料より負荷の少ないエネルギーです。

３：電力・電力量

電力とは、1秒間（単位時間）に電気がどれだけ仕事を行えるかワット（W）で示したものです。また、電圧は、電流×電圧で求められます。

水と水車でたとえると、電流＝水の流れる量、電圧＝水を押し出す力、電力＝水車を動かす力といったイメージで考えることが可能です。

消費電力の高い家電製品は、より大きなエネルギーが必要ということです。また、太陽光発電の場合は、太陽光パネルのエネルギーを示す単位として電力（W）が使用されています。

具体的には、太陽光パネル1枚あたりの電力が、カタログなどに示されています。1枚あたり300Wであれば、瞬間的に300Wの力を出すことが可能です。電力が高い太陽光パネルは、その分少ない枚数でより多くの発電量を期待できます。

一方、電力量（Wh）は、電力をどれだけ使用したのか表したもので、電力×時間という計算式で求められます。

たとえば、1kWの太陽電池で1時間発電した場合は、1kWh×1時間＝発電量1kWhとなります。

電力と電力量の計算式と関係性を理解しておけば、太陽光発電の発電量やエネルギーを理解することが可能です。

そもそも太陽光パネルとは？光を電気に変える仕組み

太陽光発電には、太陽光パネルという製品が搭載されています。住宅用太陽光発電を導入する場合は、自宅の屋根に固定した架台（太陽光パネルを固定するための土台）の上に太陽光パネルを設置します。

太陽光パネルの役割は発電です。

太陽光パネルには発電を行う太陽電池が組み込まれており、単結晶シリコン系や多結晶シリコン系、CIGS系などさまざまな種類にわかれています。中でも主流なのは、単結晶シリコンや多結晶シリコンといった、シリコン系の太陽電池です。

一般的なシリコン系太陽電池は、N型半導体とP型半導体という2種類の半導体を1つに接合（合わせている）しています。

太陽電池に光が当たると、以下のような流れで電気が発生します。

1．N型半導体に光が当たる

2．電子と正孔という物質が発生する

3．N型半導体に電子が集まり、P型半導体に正孔が集まる

4．それぞれの電極をつなげると電流が流れる

また、太陽光パネルから発電された電気は、直流の性質を持っています。家庭の電化製品や住宅設備などは交流の電気で作動するよう設計されているため、太陽光パネルから発電された電気をそのまま使用できません。

太陽光発電の仕組みとは？

太陽光発電の発電に関する仕組みは、以下の通りです。

1．太陽光パネルで太陽光の光エネルギーを吸収

2．太陽光パネル内の太陽電池で光を直流の電気へ変換

3．各パネルで発電された電気は接続箱で1つにまとめられる

4．接続箱からパワーコンディショナーへ送電

5．パワーコンディショナーで直流の電気を交流へ変換

6．パワーコンディショナーから分電盤を通して電気が分配される

7．各コンセントや住宅設備から自家消費したり蓄電池へ充電したりできるようになる

8．余った電気は売電・買電の電力量計を通して電力会社へ送電・売電される

太陽光発電システム（住宅用）は、太陽光パネルとパワーコンディショナー、接続箱、架台、配線ケーブル、太陽光発電用モニター、出力制御用機器などで構成されています。

架台とは、太陽光パネルを固定するための土台のことです。住宅用太陽光発電の場合は、自宅の屋根に架台を固定してもらいます。

そして、接続箱は、各太陽光パネルから発電された電気を1つにまとめる役割を担っており、複数のパネルを活用する上で欠かせません。

パワーコンディショナーは、直流の電気を交流へ変換したり発電量の最大化を含む制御関連を担ったりしており、特に重要な周辺機器のひとつといえます。つまり、パワーコンディショナーがあるおかげで、太陽光パネルから発電された電気を家庭用のコンセントや住宅設備で使用できるようになります。

太陽光発電のメリット・魅力

太陽光発電には、以下のようなメリットや魅力があります。

● 自家消費によって電気代を直接削減できる

●売電収入によって電気代の間接的な削減ができる

● 非常用電源としても活用できる

●環境負荷の少ない発電設備

近年、値上げ傾向の電気代負担を抑える上で、太陽光発電はメリットの多い設備といえます。まず、自家消費を行えばその分電気代を直接削減できるため、家計負担の軽減を見込めます。さらに、余った電気を電力会社へ売電した場合は、収益を得ることが可能です。電気代を含む光熱費にあてたり、その他家計負担の軽減に活用したりできるため、経済的メリットの大きなポイントといえます。

また、停電時には、自立運転モードへ切り替えるだけで通常通りに発電・自家消費を行えます。

化石燃料は不使用で、なおかつ発電時にCO2を排出しません。環境負荷を抑えたまま発電できるのは、脱炭素という点でも大きなメリットといえます。（脱炭素：二酸化炭素の排出量実質0を目指す取り組み、状態のこと）

太陽光発電のデメリット・注意点

太陽光発電には、さまざまなメリットがある一方、以下のようなデメリットもあります。

●初期費用の負担がかかる

● 発電量は天候に左右されてしまう

●売電収入に頼ると電気代削減効果が低下してしまう可能性

太陽光発電（住宅用）の初期費用は、経済産業省の「令和６年度以降の調達価格等に関する意見」によると1kWにつき28.4万円とされています。一般的な5kW程度の住宅用太陽光発電を導入した場合は、約142万円の費用がかかる計算です。費用負担が気になる方にとっては、デメリットに感じるところでしょう。

ただし、太陽光発電には補助金制度や初期費用負担0円のPPAサービスなどあり、費用負担を抑えながら導入することも可能です。

発電量に関しては天候に左右されやすく、変動してしまう点に注意が必要です。年間の発電量は、シミュレーションである程度計算できるため、収支の見通しを比較的立てやすいといえます。

また、運用時に気を付けるべきポイントのひとつが、売電収入です。住宅用太陽光発電では、FIT制度を活用して10年間余剰電力を固定単価で買い取ってもらえます。しかし、買取価格は年々下落しているため、後発組であればあるほど収益を伸ばしにくい状況です。

そのため、住宅用太陽光発電を導入する際は、自家消費＋蓄電池の併用をメインに検討してみましょう。

電気は電力会社から“買う”ものから“自宅で創って使う”時代にシフト

導入は「高気密高断熱」が大前提。容量はライフサイクルコストで考える

いくら太陽光発電で発電しても、エネルギーをたくさん使用する家では結局、発電分では足りず、大量の電気を電力会社から購入しなければなりません。

太陽光発電の導入は、家の断熱・気密性能を高め、太陽光や風など自然の力を生かす設計手法、パッシブデザインを採用して必要なエネルギーを少なくすることが大前提。その上で、その家の使用エネルギーをまかなうのに必要な太陽光発電のシステム容量を算出し、設備の導入費とランニングコスト、売電収入でライフサイクルコスト（生涯費用）を試算して決めましょう。

日照時間の他、太陽光パネルを設置する方位や屋根の傾斜によっても発電効率が変わります。導入の際には気象条件や隣家などの周辺環境、建物・屋根形状や方位を考え、設置環境に適した製品を選び、発電量をシミュレーションすることが大切です。

既存住宅にも太陽光発電は導入できる！

太陽光発電は既存住宅でももちろん設置でき、電気代の高騰により導入を検討する家庭も増えています。ただ、既存住宅に設置する場合は、太陽光パネルの荷重に耐えられる構造強度があるかなどの確認を行わなければなりません。耐震性が低い建物は、併せて耐震補強を行った方がいいでしょう。太陽光パネルの設置時に屋根材に穴を開けたり配線を通したりする必要もあるため、屋根の葺き替えと併せて行えば、設置工事による雨漏りのリスクも減らせます。ただし、既存住宅はそもそも断熱・気密性能が低いものもあり、そのままの状態で導入しても電力使用量が多いため、太陽光発電による恩恵を受けにくいとも言えます。太陽光発電の導入と同時にぜひ断熱性能を向上させるリフォームも検討しましょう。

また、費用の都合などで住み始めて数年後に設置を検討するケースもありますが、足場を組んだり部材を取り付けたりする費用もかかるし、屋根の方位や傾斜も太陽光発電を前提にしていないと発電効率にかかわります。家のプランニング時に計画し、新築工事の際に設置しておく方が効率的でしょう。

まとめ

エネルギー価格が今後どうなるかは予測できませんが、エネルギー資源の多くを輸入に頼る日本は世界的なエネルギー価格高騰の影響を受けやすいことは確かです。脱炭素の目標を達成するためにも住宅の省エネ化、再生可能エネルギーの導入拡大は不可欠です。

これからはエネルギー価格に振り回されることなく、少ないエネルギーで一年を通して快適な家を建てた上で太陽光発電などで創エネし、電力会社から電気を買わなくても自宅で創った電気だけで自給自足できる住まいがスタンダードとなるでしょう。

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