【図解つき】太陽光発電の仕組みを初心者向けにわかりやすく解説!

太陽光発電仕組み


クリーンなエネルギーである再生可能エネルギー、その代表格とも言えるのが太陽光発電です。その太陽光発電を住宅に導入しようと検討している方が押さえておきたい情報をまとめました。

「太陽光発電で発電する仕組みを知りたい」
「太陽光発電で電気を節約したり売電収入を得たりする仕組みを知りたい」

といった疑問に初心者にもわかりやすく図解で解説していきます。

 

東京電力グループの新電化生活

 

日本の全発電電力量に占める太陽光発電の発電量は、2014年が1.9%であったのに対し、2020年は8.5%にまで上昇。太陽光発電は一般家庭にとっても身近になっていることがわかります。1)2021年10月22日に閣議決定された地球温暖化対策計画では「2030年において新築戸建住宅の6割に太陽光発電設備が設置されていることを目指す」とされています。

しかし、太陽光発電を導入したいけれど、本当に電気代が節約になるのか、どうやって売電収入を得るのか、そもそもどうやって発電するのかなど、仕組みがよくわからない方もいるでしょう。

そこで今回は太陽光発電で電気が発生する仕組みや、売電収入を得る仕組みを初心者向けにわかりやすく解説します。太陽光発電の費用やメリットとデメリット、売電収入を増やす方法など、気になるポイントを総まとめでお伝えしますので、読めば太陽光発電の基本的なことについてはひととおり理解できるはずです。

 

 

 

太陽光発電の仕組み

太陽光発電とは、太陽の光を利用して電気を作る発電方法です。具体的には「太陽電池」をたくさん集めた「ソーラーパネル」を使用して電気を作ります。

太陽光発電の仕組み

 

太陽電池とは、電力を蓄える一般的な「電池」ではなく、太陽光エネルギーを電力に変換する「発電機」のことです。

太陽の光が太陽電池に当たると、「光電効果(こうでんこうか)」と呼ばれる現象が起こります。

太陽電池は、「n型半導体」と「p型半導体」という2種類の半導体をはり合わせて作られています。

太陽電池に光が照射されると、n型半導体にはマイナスの電気を帯びた「電子」が、p型半導体にはプラスの電気を帯びた「正孔(せいこう)」が集まり、プラス極とマイナス極が形成されるのです。

すると、電子が導線を伝わって移動するようになるため電気の流れが生じます。これが太陽光発電で電気を発生させる仕組みです。

太陽電池のしくみ

 

なお、太陽電池の最小単位を「セル」、複数のセルを組み合わせてパネル状に加工したのを「モジュール」と呼びます。モジュールは「ソーラーパネル」や「太陽光パネル」「太陽電池パネル」とも呼ばれます。

太陽光発電における1日の発電量

太陽光発電では1日にどのくらいの発電量を得ることができるのでしょう。
理論上の目安や、実際の発電量について詳しく解説します。

太陽光発電における発電量の算出方法

太陽光発電協会(JPEA)によると、ソーラーパネルの「システム容量」1kWあたりの発電量は年間で約1,000kWh、1日だと約2.7kWhが目安とされています。システム容量は「出力容量」や「発電容量」とも呼ばれ、ソーラーパネルがどれだけ発電できるかを表す数値であり、単位はkW(キロワット)です。

また、kWhは「1時間あたりに得られる発電量」の単位であり、出力容量(kW)×時間(h)で算出されます。

なお、ソーラーパネル1枚の公称最大出力は250W程度です。

ただし、太陽光発電において、これらの数値はあくまで目安であり、実際は地域や季節、ソーラーパネルの種類、また経過年数によっても発電量は変動します。

 

〈太陽光発電で発電量を左右する要素〉

・システム容量:使用するソーラーパネルの性能・枚数によって決まる

・日射量:設置場所や角度、季節、天気、地域等によって決まる

・システム上発生するロス:パネルや季節によって異なる

 

一般家庭の太陽光発電で得られる発電量

一般家庭の太陽光発電で使われるソーラーパネルの多くは、システム容量が3~5kW程度となっています。

家庭用の太陽光発電では、屋根の上に載せられるソーラーパネルの量や、家庭内での電気の使用量、設置費用などにより発電容量が決まります。

なお、家庭用(住宅用)のソーラーパネルのシステム容量は10kW未満と決められていて、10kW以上のものは産業用(事業用)です。2)

特に、広大な土地にソーラーパネルを大量に並べて発電する「メガソーラー」のシステム容量は1,000kW以上で、家庭用とは規模が異なります。

太陽光発電だけで1日に必要な電気は足りる?

太陽光発電で発電した電気は、通常、蓄電池などがないと貯めておくことができません。そのため、実際に太陽光発電で作った電気だけで1日分の使用電力量すべてをカバーすることはできないでしょう。ただし、家庭で使用する分を超過して余った太陽光発電の電気は、電力会社に売電することで売電収入を得られます。その収入で、夜間分の電気代の一部をまかなうことは可能です。

なお、一般家庭の電気使用量の平均は年間4,300kWh程度ですから、ソーラーパネルのシステム容量1kWあたり年間1,000kWhとすると、4.3kW分のソーラーパネルを設置すれば、おおよそ年間の消費量分の電力を発電できることになります3)

 

 

太陽光発電に必要な機器

太陽光発電の機器というと、ソーラーパネルを思い浮かべる方は多いでしょう。しかし、実際には、ソーラーパネルだけでは、太陽光発電で作った電気を家庭で使用したり売電したりはできません。太陽光発電を行うときは、おもに以下の機器を使用します。
※実際のシステムでは、メーカーなどによりモニター類や電気配線関連の部品などが必要です。

・ソーラーパネル(太陽電池モジュール)
・パワーコンディショナー

一般的にはこれらの機器を接続して太陽光発電システムを構成しています。それぞれの機器が果たす役割を解説していきましょう。

ソーラーパネル

太陽光発電の仕組み

画像:iStock.com/Smitt

 

ソーラーパネルは、太陽電池を複数集めアルミ枠に入れて大きなパネル状にした製品です。太陽光パネルや太陽電池板、太陽電池モジュールなど呼ばれ方もさまざまです。ソーラーパネルに太陽光が当たることで、内部の電子が移動して電気が作られます。

ソーラーパネルに近づいてよく見ると、小さな四角いパネルがたくさん組み合わさってできていることがわかります。この一番小さなパネルが太陽電池です。

パワーコンディショナー

パワーコンディショナーは、太陽光発電システムで作った「直流」の電気を、家庭内での使用や売電ができる「交流」の電気に変換するための機器です。太陽光発電で作られた電気は「直流電流」と呼ばれるもので、そのままでは家庭で使うことができません。

ソーラーパネルで発電した電気をエアコンやライトといった住宅の電気として利用できるのは、パワーコンディショナーがあるからなのです。

さらに、パワーコンディショナーには、電力会社の電力系統に停電などの異常があったときに、太陽光発電で発電した電気を電力会社の電力系統に流さない「系統連系保護機能」という、安全上大切な機能も搭載されています。

蓄電池を利用すればもっとおトクに

太陽光発電の仕組み

 

「太陽光発電で作られた電気は、基本的に貯めておくことができない」というお話をしました。この「基本的にできないこと」を可能にするのが、蓄電池です。

蓄電池と太陽光発電を組み合わせると、昼間発電した電力を貯めておいて夜間に使うことができます。また、蓄電池があれば災害時の停電に備えることが可能です。

ただし、貯めておける電気の容量や耐用年数は、それぞれの蓄電池によって異なります。

 

蓄電池の役割や仕組みについて詳しく知りたい方はこちら
▶︎︎太陽光発電で使う蓄電池の仕組みとは? 電気が使えるまでを解説!

 

太陽光発電の設置費用相場

太陽光発電の仕組み

画像:iStock.com/KangeStudio

 

太陽光発電の設置費用は、この10年間で約4割低下していて、2020年の平均が1kWあたり28.6万円、過去の推移から推定される2021年の設置費用想定値が27.5万円となっています。4)

家庭用のソーラーパネルは3~5kWが多いため、2021年時点でのシステム設置費用の相場は82.5万円~137.5万円程度と言えるでしょう。機器のメーカーや住宅によって費用は変わります。特に設置する屋根の面数が増えたり、設置するために足場が必要になったりすると手間が増えるため費用は高額になります。

ほかにも太陽光発電の設置費用に影響すると思われるのが、ソーラーパネルの屋根への固定方法です。

固定方法には、屋根の垂木にビスを打ち込む「垂木固定」や、野地板にビスを打ち込む「野地板固定」などがあります。雨漏りや風圧の影響などがないように、屋根の形状やソーラーパネルの種類などに合った工法が選択されますが、それぞれかかる費用は異なります。

 

 

 

太陽光発電の設置費用を安くするコツ

一般家庭に太陽光発電を導入するには、100万円前後の高額な費用がかかります。できるだけ実質的な負担を減らし、おトクに設置するためのコツを見ていきましょう。

補助金制度を活用する

太陽光発電システムの設置には、国や地方自治体の補助金制度を活用できる場合があります。ただし、補助金にはいくつも種類があり、予算や対象となる要件、スケジュールなどがそれぞれ異なるため、必ず活用できるとは限りません。活用機会を逸することがないよう、インターネットで調べたり、国や自治体の担当部署へ確認したりして、しっかり情報収集しましょう。

費用対効果を高める

太陽光発電の費用対効果を高めるには、ソーラーパネルの発電効率とパワーコンディショナーの変換効率をチェックすることが重要です。

発電効率がいいパネルであれば、設置面積を少なくできる可能性がありますし、同じ面積なら発電量が多くなります。発電効率のよいソーラーパネルと変換効率のよいパワーコンディショナーを組み合わせれば、その分費用対効果を高められます。できるだけ効率の良いものを選ぶとよいでしょう。

 

東京電力グループのサービス
「エネカリ/エネカリプラス」

「エネカリ」は、初期費用は0円※、月々定額の利用料のみで太陽光発電をはじめ、蓄電池、エコキュート、IHクッキングヒーター、V2Hなどの省エネ設備を導入することができるサービスです。利用期間中は故障時の修理費用も無料で、風水害や落雷などの自然災害補償も付いています。

さらに、利用期間満了後には、そのまま無償で得ることができます。「エネカリプラス」もエネカリと同様に、太陽光発電と蓄電池、さらに太陽光発電を上手に利用し昼間に貯湯する「おひさまエコキュート」初期費用0円※で利用できるサービスです。

エネカリエネカリプラスの違いには、選択できる機器、設備のメンテナンスや売電収入の帰属などがあります。各家庭の事情や予算に合わせて選択できますので詳細は以下のサイト「TEPCOの新電化生活」で確認しましょう。

 

東京電力グループの新電化生活

 

※エネカリプラスは別途足場代等の費用がかかる場合があります。

 

太陽光発電における売電の仕組み

太陽光発電で発電した電気のうち、使いきれなかった分は電力会社に送り、買い取ってもらうことができます。これを「売電」といいます。

太陽光発電の売電は国が決めた制度に基づいて行われます。ここでは、太陽光発電の売電について定める「FIT制度」について解説しましょう。

太陽光発電の売電収入について、下記の記事で収益化の仕組みや、いくら儲かるのか詳しく解説していますので、ぜひご覧ください。

 

太陽光発電の売電収入について詳しく知りたい方はこちら
▶︎︎太陽光発電の売電収入はどれくらい? 確定申告が必要な場合の手続きも解説

 

FIT制度

FIT制度とは、固定価格買取制度(Feed-in Tariff)のことで、太陽光発電で作った電気を、あらかじめ決められた価格で買い取るよう、電力会社に義務づける制度です。固定価格での買取期間が10年間と定められており、たとえば、2022年3月にFIT制度の適用を受けた場合、2032年2月中まで同じ価格で売電できます。

FIT制度は事業者や一般家庭に対し、再生可能エネルギーの導入を促す目的で設けられました。

FIT制度により保障される売電価格は毎年見直されていて、2021年は10kW未満の家庭用設備の場合、19円/kWhです。2020年が21円/kWh、2019年が24円/kWhですから、売電価格は年々低下傾向にあると言えるでしょう。

なお、FIT制度を利用して買い取ってもらえる電力は、「自宅で必要な電気を利用したあとの余剰分のみ」「太陽光発電設備を設置してから10年間」と定められています。

 

 

太陽光発電における自家消費

太陽光発電の仕組み

画像:iStock.com/sl-f

 

太陽光発電で作られる電気には、メガソーラーのように最初から売電を目的としている「全量買取型」と、家庭や一般企業に設置して電力消費にあてる「自家消費型」の2種類があります。

一般的に、家庭に導入されるのは自家消費型です。自家消費型の太陽光発電は、以下のふたつのタイプに分かれます。

・売電を行わない全量自家消費タイプ
・余った電気を売電する余剰売電タイプ

それぞれ詳しく解説します。

全量自家消費タイプ

全量自家消費とは、自宅に設置した太陽光発電システムで作られた電気をすべて自宅で使い、売電を行わない方法です。全量自家消費タイプの太陽光発電では、蓄電池などを利用して余剰電力を貯め、夜間や天気が悪い日に利用することで自家消費率を高めます。

また、売電価格は年々低下していますが、反対に、電気を電力会社から購入する際の電気代は、燃料価格の高騰により上昇傾向にあります。そのため、積極的に売電するよりも、すべてを自宅で消費したほうが効率よく太陽光発電を利用できる可能性もあるでしょう。一方で、発電能力のすべてを自家消費できない場合、売電できないというロスが発生する可能性もあります。

また、災害時や荒天時に備えられる点も蓄電池のメリットです。一方、デメリットとしては、設置費用がかかる点や、年々蓄電容量が経年劣化していくことなどが挙げられます。

蓄電池を導入するときは、メリットとデメリットを踏まえ、家庭の災害に対する考え方や、導入予定の蓄電池の性能、電気の使い方なども考慮しましょう。

余剰売電タイプ

太陽光発電の余剰売電タイプでは、余った電力を電気会社に売却できます。売電価格が下がっているとはいえ、10年間は国が定めた価格での売電が見込めることから、一定の売電収入が期待できるでしょう。電力消費量が少ない家庭であれば、電気代以上の収入を得られる可能性もあります。住宅用の太陽光発電では、現状、余剰売電タイプが一般的だと考えられます。

蓄電池の設置やその他の電化製品の使用によって自家消費を高めることで、売電よりも最終的なメリットが大きくなる可能性もあります。また、太陽光発電や蓄電池には、災害時などの電源確保といったメリットもあります。前述のとおり、太陽光発電設備や蓄電池に補助金が活用できればイニシャルコストの低減も可能です。

いずれにしても、太陽光発電や蓄電池の設置にあたっては、費用負担や各家庭のライフスタイルによりメリットやデメリットなどを十分に検討しましょう。太陽光発電の設置事業者に相談して、シミュレーション等を出してもらうのもおすすめです。

 

東京電力グループの新電化生活

 

売電収入を増やす方法

ライフスタイルなどによっては、「自家消費よりも売電収入を増やしたい」ということもあるでしょう。そこで、本項では売電収入を増やすためのポイントを紹介します。

効率よく発電する

太陽光発電の発電量が増えれば、それだけ売電収入も増やせます。屋根に取り付けるソーラーパネルの発電能力が最大になるように、パネルのメーカー、種類、形状、量、向きなどを事前に十分検討・試算して設置しましょう。また、試算内容を確認する際は、試算条件などもしっかりとチェックしてください。

省エネで無理なく自家消費量を抑える

太陽光発電の売電収入を増やためには、省エネを心掛けて太陽光発電の自家消費量を減らすことも効果的です。

統一省エネラベルなどを参考に、電化製品を省エネ性能の高い機器へ買い替えたり、エアコンの設定温度や使用方法を見直したりして、省エネな暮らしを目指しましょう。また、必要に応じて断熱リフォームなどを行うのも効果的です。6)省エネな暮らしは、売電収入だけではなく、エコや太陽光発電が利用できない時の電気料金の節約などにもつながりますから、ぜひ実践してみてください。

蓄電池を活用する

太陽光発電の仕組み

 

蓄電池の活用により売電収入を増やすことも可能です。たとえば、売電単価より安い単価で夜間に蓄電池に蓄電し昼間に使用することで(単価の差額×蓄電量)分が計算上では売電収入の増となります。

ただし、蓄電池の設置コストやメンテナンス費用などメリットとデメリットを十分に検討して判断する必要があるでしょう。

 

 

 

 

太陽光発電のメリット・デメリット

太陽光発電は、設置時にまとまった費用が必要ですし、メンテナンスや機器交換、取り外しにもお金がかかります。導入を検討する際は、メリットとデメリットの両面を理解しておきましょう。

 

 

メリット

太陽光発電を自宅に導入するメリットは、おもに下記の5つです。

 

太陽光発電を自宅に導入する5つのメリット

・電気代を節約できる
・売電収入を得られる
・環境保全に貢献できる
・停電時も電気が使える
・エコキュートと相性がよい

 

エコキュートと相性がよいということについて説明します。

エコキュートとは、電気を利用しヒートポンプにより空気の熱でお湯を沸かす高効率給湯機です。家庭で使用されるエネルギーの用途で給湯の占める割合は約3割ですが、この給湯を高効率なエコキュートにすることで太陽光発電を効率よく自家消費でき、エコにもつながります。7)

仮に、エコキュートの使用電力量をすべて太陽光発電の自家消費でまかなうと、給湯のためのCO2排出量はゼロになります。電気でお湯を沸かす手段には、エコキュート以外にヒーター式の電気給湯機がありますが、エコキュートに比べ効率が低く、太陽光発電の自家消費効率も同様に低くなりますから、エコキュートのほうが太陽光発電との相性がよいと言えるでしょう。

また、エコキュートは貯湯式なので災害時の生活用水にも使用できます。

 

太陽光発電で、実際に電気代をいくら節約できるのか詳しく知りたい方はこちら
▶︎︎太陽光発電で電気代はゼロになる? 蓄電池やEVとの組み合わせも検証

 

デメリット

太陽光発電を導入する前はメリットだけでなくデメリットも押さえておきましょう。

太陽光発電のデメリットはおもに下記の4つです。

 

太陽光発電の4つのデメリット

・設置費用がかかる
・発電量が天気に左右される
・機器交換・メンテナンスが必要になる
・屋根などのメンテナンスに影響がある

 

太陽光発電には、月々の電気代を抑えられるというメリットがある反面、初期費用や定期的なメンテナンス費用が必要といったデメリットもあります。ただし、先述のように補助金やエネカリ/エネカリプラスのように初期費用などの導入コストが不要※なサービスもありますので、工夫次第で金額面でのデメリットを解消することも可能です。

 

東京電力グループの新電化生活


※エネカリプラスは別途足場代等の費用がかかる場合があります。

 

 

 

まとめ

太陽光発電は、災害時の備えにもなるクリーンなエネルギー源で、一般家庭への設置件数も年々増加しています。ただし、太陽光発電の仕組みや売電に関する制度について、正しく理解していないと、導入後のトラブルや後悔を招く可能性があるでしょう。

お住まいの地域や、住宅によって得られるメリット・デメリット、費用対効果は変わってくるのでまずは専門の業者に相談することをおすすめします。なお相談する際は複数の業者に依頼するのが賢明です。見積もりや対応を比較検討して信頼できる業者を選びましょう。

 

この記事の著者
EV DAYS編集部
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