太陽光発電


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下記に参考資料

太陽光発電

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

太陽光発電（たいようこうはつでん、Photovoltaic power generation）は、太陽電池を利用し、太陽光のエネルギーを直接的に電力に変換する発電方式である。ソーラー発電とも呼ばれる。再生可能エネルギーの一種であり、太陽エネルギー利用の一形態である。

導入費用が高めな代わりに、昼間の電力需要ピークを緩和し、温室効果ガス排出量を削減できるなどの特長を有する。近年の競争によって性能が向上し、設置や保守が容易である等の利点や、低炭素社会の成長産業としての将来性を買われ、需要が拡大している。

砂漠に設置された大規模太陽光発電所（米国）
建物一体型の太陽光発電(BIPV)システム（スペイン）
一般家庭の屋根に載せた太陽光発電システム（米国）

この項では、主に発電方式としての太陽光発電について述べる。発電の原理や太陽電池の種類などについては、「太陽電池」の項を併せて参照されたい。

目次

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特徴 [編集]

太陽光発電は従来の集中型電源とは様々な点で異なる特徴を持つ。電源としては、昼間時のみに発電することが最大の特徴である。再生可能エネルギーの一種であり、二酸化炭素などの温室効果ガス（Greenhouse Effect Gas, GEG）の排出量削減に貢献し、運転用燃料の調達リスク（コスト）が無い。最大の欠点は商用電源として導入コストがまだ比較的高いことであり、価格低減や普及促進の政策を採る国が多い。一般に、下記のような長所や短所を有する。

利点・特徴

欠点・課題

発電可能な量 [編集]

資源量 [編集]

地球上の太陽光エネルギー資源量の分布（1991-1993年の平均、昼夜の変化や天候の影響含む）。黒点は、変換効率を8%と仮定して世界の主要エネルギー源を太陽光で十分賄うために必要な面積を表す。（英語版"Solar energy"より）
ドイツ、EU25カ国および全世界の需要と等しい電力を太陽エネルギーで発電するのに必要な面積[1]

太陽から地球全体に照射されている光エネルギーは膨大で、地上で実際に利用可能な量でも世界のエネルギー消費量の約50倍と見積もられている[2]。たとえばゴビ砂漠に現在市販されている太陽電池を敷き詰めれば、全人類のエネルギー需要量に匹敵する発電量が得られる計算になる[3]。日本においても、需要より遙かに多い量を置けるだけの場所があると見積もられている。

太陽光発電システムの生産に必要な原料も基本的に豊富であり、少なくとも2050年頃までに予測される需要は十分に満たせるとされる[4]。シリコンを用いる太陽電池では、資源量は事実上無限とされる。またシリコンを用いない太陽電池についてはインジウムなどの資源が将来的に制約になる可能性があるが、技術的に使用量を節約することで2050年以降も利用可能ではないかと見られている[4]。なお、太陽電池用シリコン原料の供給は2008年までは逼迫して価格も高止まりしていたが、各社の増産が追いつくことで2009年からは価格の低下が予測されている[5]。太陽電池専用のシリコン原料（ソーラーグレードシリコン）の生産技術も様々なものが実用化されており、精製に必要なエネルギーやコストも大幅に削減されると見られている。

太陽光発電の資源量も参照

設置可能な場所

太陽光発電は、設置する場所の制約が少ないのが特徴であり、腕時計から人工衛星まで様々な場所で用いられる。

地上に直接設置することも可能であるが、太陽光を十分に受けることができ、パネルの重量に耐えることができる場所であれば屋根や壁など建造物の様々な場所に設置が可能である[6][7]。また近年は軽量で柔軟なフレキシブル型太陽電池も開発されており、取り付けの自由度が高まっている[8]。

日本国内で導入可能な規模、導入効果の目安 [編集]

太陽光発電は集中型発電所などに比べれば比較的大きな設置面積を必要とするが、日本においても設置面積は不足せず、潜在的には必要量よりも桁違いに多い設備量（7984GWp = 約8TWp分）が導入可能と見積もられている。このため太陽光発電導入量は、安定電力供給の電源構成上の観点から決まるとされる[9]。そのような観点から導入可能な設備量は102GWp〜202GWp程度と言われる。その中では、建造物へのソーラーパネル設置により期待される導入量が多く、積極的に開発を進めた場合の将来の導入可能量は戸建住宅53GWp(ギガワットピーク)、集合住宅22GWp、大型産業施設53GWp、公共施設14GWp、その他が60GWpなどとなっている[10]。 ソーラーパネル普及後の太陽光発電による年間発電量が100GWp（=1億kWp）になれば、日本の年間総発電量の約10%に相当する（200GWpで約20%、8TWpで8倍の計算）。

太陽光発電の資源量も参照

温室効果ガス（GHG）の排出量とエネルギー収支 [編集]

太陽光発電のGHG排出量は化石燃料電源の排出量より格段に少なく、利用することでGHG排出量を削減できる[11]。またEPT（後述）やエネルギー収支の点でも実用水準であるとされる[12]。

主な影響要因 [編集]

太陽光発電の発電電力当たりのGHG排出量や投入エネルギー量は、システム製造工程と、設置環境において発電できる量でほぼ決まる。運転時は燃料を必要とせず、GHGを排出しない。メンテナンスや廃棄時に排出するGHGや投入エネルギー量も僅かである。

温室効果ガス（GHG）排出量 [編集]

太陽光発電は設備の製造時などに際してある程度の温暖化ガスの排出を伴うが、運転（発電）中は全く排出しない。採鉱から廃棄までのライフサイクル中の全排出量を、ライフサイクル中の全発電量で平均した値（排出原単位）は数十g-CO2/kWhのオーダーであり、化石燃料による排出量(日本の平均で690g-CO2/kWh[14]）よりも桁違いに少ない。

太陽光発電の環境性能も参照

エネルギー収支 [編集]

太陽光発電設備のエネルギー源としての性能を比較するとき、エネルギーペイバックタイム（EPT）やエネルギー収支比(EPR)が指標として用いられることがある。これらは設備の製造やそれに必要な原料の採鉱・精製、保守などに投入されるエネルギーに対して、どれだけの電力が得られるかを示す。ライフサイクルアセスメント(LCA)の一環である。

現状で一般的な値はそれぞれEPTが1〜3年程度、EPRが10〜30倍程度とされる[18][19]。

太陽光発電の環境性能も参照

発電コスト [編集]

太陽光発電のコストの相場は、いまのところ他の電源の数倍とも言われる。電力量あたりのコストでは価格競争力が不足するため、現時点では普及促進に際して助成が必要とされる[20]。普及に伴い、ほぼ経験曲線効果に従って価格が低下している[21]。2008年末の時点で比較的高出力（125Wp以上）のモジュールについては需要逼迫による価格の高止まりが数年間続いていた[22]が、2009年は結晶シリコン原料の生産量増加によって値下がりが見込まれている[5]。世界的には2012年頃には系統電力よりも安価になる（グリッドパリティに到達する）と見られている[23][24][25]。一部の薄膜太陽電池生産企業は既にそれに近い生産コストに到達したと表明している[26]。 こうしたことを踏まえ、”2030年ごろになっても経済的に自立できない”などとする主張は誤りであるとの指摘もなされている[24]。日本でも継続的な普及拡大とコスト低減が期待されているが、2005年頃から国内市場は逆に縮小・コスト増加傾向を示している[27][28]。促進政策の弱さが指摘され、新たな対策が策定されつつある（太陽光発電のコスト#政策を参照）。

太陽光発電のコストは、一般的に設備の価格でほぼ決まる。運転に燃料費は不要であり、保守管理費用も比較的小さい。エネルギーセキュリティ向上などの付加的なコスト上のメリットも有する。また特に昼間の需要ピークカットのコスト的メリットが大きいとされる（[29]P.131-132, [30]P.131など）。他電源に対するコスト競争力は比較条件にも依存し、用途などによっては現状でも価格競争力を有する。途上国で送電網が未整備な場合、消費電力に比して燃料輸送費や保守費が高い場所など（山地、離島、砂漠、宇宙等）では、現段階でも他方式に比較して最も安価な電源として利用されている。蓄電池を用いた独立型システムにおいても、今後の価格低下と途上国などでの普及拡大が予測されている[23]。

太陽光発電そのもののコストのほかに、火力発電の発電量の削減を進めるに伴い、需要と供給の各種変動のギャップを埋める費用の発生も見込まれている。これは風力発電や原子力発電など他の電源も関連する事項である。送電網の機能強化や需要側の制御も含めたスマートグリッドなどの総合的な対策が各国で検討・推進されている[31][32][33]。

太陽光発電のコストも参照

利用形態 [編集]

独立蓄電 [編集]

パーキングメーターへの利用例
街路灯で風力発電と併用される。

発電した電力を二次電池に蓄電してその場で利用し、外部送電網に接続しない形態。夜間や悪天候時の発電量低下時も太陽光発電にて電力を供給したい場合に利用される。後述の系統連系に比して、蓄電設備のコスト（金銭・エネルギー・CO2排出量）が増えるため、外部からの送電コストが上回る場合や、移動式や非常用の電源システムなどに用いられる。一般に消費電力が比較的少なく、送電網から遠い場合にメリットが大きくなる。また送電網にごく近い場合でも、送電電圧が高い場合はやはり太陽光発電による独立電源システムが安くなることがある。一般向けに、手の平程度の大きさの最大電力点追従装置(MPPT)に自動車用バッテリーを組み合わせる製品なども市販されている[34]。以下、利用例を幾つか列挙する。

携帯用小型機器では、電卓・ライト・腕時計など、消費電力の少ない携帯機器を一次電池や商用電源による充電不要で利用するために超小型のものが使用される。小型一次電池による電力が比較的高価なためコストの面でも効果がある。電気二重層コンデンサによる蓄電も行われる。
愛好家がハイブリッド車に載せるなどの例がみられたが[36]、2009年にはトヨタがプリウスに正式に搭載することを発表した[37]。
船舶の補助動力としての利用も検討されている。2008年、日本郵船と新日石が自動車運搬船で試験することを発表している[38]。
地球を回る人工衛星や、太陽に近い所を飛ぶ惑星探査機などに使われている。なお木星など遠距離の惑星へ行く惑星探査機は、太陽からのエネルギーが小さくなってしまうため太陽光発電は通常使われないが、ミッション内容次第では利用の可能性がある[39]。

系統連系 [編集]

集合住宅での利用例

太陽光発電システムを、電力会社の送電網に繋げる形態を系統連系という。太陽電池モジュール→パワーコンディショナー→商用電源という接続形態を取る。発電量が設置場所での利用量を上回る分は電力会社に買い取って貰う（売電）。また、売電電力を送電網に送ることを逆潮流と呼ぶ。夜間や悪天候時など、発電量を利用量が上回る時は系統側からの電力供給で補う。独立蓄電形態のような大容量の蓄電設備が不要なため、コスト・GEG排出量・ライフサイクル中の投入エネルギーが最小限で済む。近くに送電網が来ている場合は、通常この形態で利用する。

出力変動 [編集]

太陽光発電は天候によって出力が変動し、曇天時や雨天時は晴天時に比較して大幅に発電量が低下する。また夜間は発電しない。系統連系においては、変動が速すぎると他の電源による調整が追いつかなくなるおそれがある。この変動への対応は、大きく2種類の変動への対応に分けられる[40]。

比較的短い周期（数秒〜数十分）の変動について:: 太陽光発電のような分散型電源に於いては、規模が大きくなり、設置場所が分散するほど速い変動成分が平滑化され、電源網側での対処が容易となる。これはならし効果と呼ばれ、これによってある程度の導入量までは問題は無いとされる[40]。米国などにおける調査では、特別な対策をしなくても系統負荷の3割以上の設備容量の系統連系が可能とされている（[29]P.261）。その程度までの連系容量については、過去の大規模な実証試験において、変動は電力網側の調整余力で対応可能であり、送電網全体では送電コスト低減などによるメリットが上回ると報告されている（[29],P.300など）。連系する容量がある程度以上増加すると、それに応じた変動対策が必要になるとされる[40]。また将来的にはスマートグリッドなど、他の発電方式や電力需要側も含んだ系統全体での包括的対策が必要と考えられている（#発電コストを参照）。

比較的長い周期（数時間〜数日）の変動について: 系統連系が主体の導入形態の場合、導入量が少ない段階では、この変動については当面大きな心配は無いとされる[40]。普及が進んで昼間の電力が余るようになると、蓄電設備によって余剰分を他の時間帯に回すなどの対策の必要性が生じる。また独立形のシステムなどで電力の殆どを太陽光発電に頼る場合などは、何らかの蓄電装置を追加して需給の差を埋める（#独立蓄電を参照）。

モジュールを様々な方向に向けて設置している場合、個々の方向で出力が最大になる時間帯がずれるため、正午の瞬間最大出力が低くなる代わりに、他の時間帯の出力が増加する。一方、電力の需要量は時間帯によって変動し、一般的に午前よりも午後の方が大きい[41]。このため固定式のモジュールの場合、電力需要との整合性を取る観点からは、真南よりも多少西向きに設置するのが好ましい。米国サクラメント市における解析例では、20度の傾斜を持たせて設置する場合、真南から30度西にずらすと、総発電量は約1%減少するが、容量が系統に貢献する度合いは25%近く増加し、全体では経済的価値が大きくなると報告されている[42]。また冷房需要の多い地域では、日照と電力需要の相関関係が高くなるため、太陽光発電の価値が相対的に高くなる（[29],P.231など）。

発電部の解説 [編集]

セル、モジュール、アレイ [編集]

結晶シリコン型太陽電池セルの代表的構造
多結晶シリコン型太陽電池（セル）
セル
太陽電池素子そのものをセル（cell）と呼ぶ。素子中の電子に光エネルギーを吸収させ、光起電力効果によって直接的に電気エネルギーに変換する（詳しくは太陽電池の原理を参照）。1セルの出力電圧は通常0.5〜1.0V程度である。複数の太陽電池を積層したハイブリッド型や多接合型では1セルの出力電圧そのものが高くなる。必要な電圧を得られるよう、通常は複数のセルを直列接続して用いる。また幾つかの薄膜型太陽電池では、複数の直列接続されたセルを一枚の基板に作り込むことで、小型でも高電圧を発生でき、セルを直列接続する結線工程も省力化できる。
太陽光発電パネル群
モジュール
セルを直列接続し、樹脂や強化ガラス、金属枠で保護したものをモジュール（module, またはパネル panel）と呼ぶ。モジュール化により取り扱いや設置を容易にするほか、湿気や汚れ、紫外線や物理的な応力からセルを保護する。モジュールの重量は通常、屋根瓦の1/4〜1/5程度である。なお、太陽光発電モジュールはソーラーパネル（solar panel）と呼ばれることもあるが、この名称は太陽熱利用システム（太陽熱温水器など）の集熱器に対しても用いられる。
ストリング
モジュールを複数枚数並べて直列接続したものをストリング(string)と呼ぶ[43]。
アレイ
ストリングを並列接続したものをアレイ（array）と呼ぶ[43]。

特に工夫したモジュール製品の例 [編集]

用途や環境に応じて、下記のように様々な種類の製品が市販されている。

経年劣化と寿命 [編集]

表面が白く劣化した太陽電池パネル、設置後10余年。最下段中央は新品に交換されている。千葉県内にて2009年4月撮影

太陽光発電システムには大部分の製品が稼働できると推測される「期待寿命」と、メーカーが性能を保証する「保証期間」がある。メーカーの製造ミスなどで早期に出力低下などのトラブルが起こることもある。通常の経年劣化による出力低下は20年で１割未満と報告されている。

世界各国の状況 [編集]

セル製造シェア [編集]

2008年の世界市場での太陽電池セル製造メーカー上位各社のシェアはドイツのQセルズ社が前年に引き続き1位、欧米のFirstSolarが2位、中国のSuntechが3位である。日本のシャープは4位に後退した。[65]。 また国別生産シェアは中国が26%を生産して1位、2位はドイツである。日本はドイツに抜かれ、3位に後退している[65]。

中国 26%
ドイツ 19%
日本 18%
台湾 12%
アメリカ合衆国 6%

詳しくは太陽光発電の市場動向を参照。

太陽電池セル製造用装置メーカー [編集]

2008年の世界市場での太陽電池セル製造装置売上高トップはアプライド・マテリアルズであった[66]。以下Roth & Rau、Centrotherm、OC Oerlikon Balzers、アルバックと続く。詳しくは太陽光発電の市場動向を参照。

政策 [編集]

日本の状況 [編集]

詳しくは太陽光発電の市場動向を参照

日本はオイルショックを経験した1970年代から開発と普及に力を入れており、生産量や導入量で長らく世界一を誇っていた。しかし近年は他国に冠を奪われている。2004年頃には世界の約半分の太陽電池を生産していたが、2008年には世界シェアは18%まで低下している[60][65]。2007年度は国内生産量の8割近くを輸出している[73]。国内出荷量の9割近くが住宅向けである。個人宅向けが中心であるが、近年は集合住宅での導入例も見られる[74]、[75]P.18など）。 2005年に新エネルギー財団(NEF)による助成が終了すると、国内市場は縮小した。これに対応して2009年1月、経産省は緊急提言案に沿って補助金を復活させた（固定価格買い取り制度#日本における状況を参照）。

日本での助成策は電力会社による余剰電力買い取り制度(net metering)が主体であり、自主的に電気料金に近い価格で余剰電力を買い上げている。また他にも多くの助成制度が用いられている。2009年4月時点では、平均的な家庭では初期投資の回収までに20年以上かかるとされる[76]。2009年2月の環境省の報告書では、このような長い回収期間では普及速度が不足するため、回収期間を10年程度に短くする必要性が指摘された[77]。この報告書では太陽光発電を含めた再生可能エネルギー全体の普及費用を累計25兆円と見積もる一方、同期間の便益の合計が約60兆円におよび、費用よりも便益の方が大きいと予測された[77]。同年3月には経産省も太陽光発電について同様の試算を発表した[78]。また主要各政党も助成制度を強化する姿勢を打ち出した[79][80][81]。 こうした動きを受けて2009年4月現在、新エネルギー部会などにおいて制度の審議が進められている[82]。初期投資の回収期間を平均的な新築家屋のケースで10年程度とし、制度開始時点で既に設置されている設備も対象とする方針である[83]。詳しくは太陽光発電の市場動向#歴史的経過を参照のこと。

なおエネルギー収支やGEG排出量の面で考えると、通常は1〜数年で元が取れる（太陽光発電の環境性能を参照）。

公共施設での利用 [編集]

施設の通常時の電力供給用、および商用電源停電時の電源の確保・環境保護のために、災害の際の避難場所に指定されている公共またはそれに準じた施設に太陽光発電装置を設置することが行なわれている。導入時の負荷軽減のため、各省庁による各種の補助策も実施されている。補助策については太陽光発電の市場動向を参照。

日本の主な太陽光発電システムメーカー [編集]

2008年における日本の太陽電池生産企業は1位がシャープであり、以下京セラ、三洋電機、三菱電機と続く[65]。詳しくは太陽光発電の市場動向を参照。 上記以外にもセル生産や部材供給に関わる企業が多数存在する（例：[84]）。

太陽光発電に関する誤解例 [編集]

太陽光発電の環境性能および太陽光発電のコストも参照

太陽光発電に関しては、下記のような主張が見られることがある。いずれも誤り、もしくは都市伝説とされる。[85][19][86]

→ 通常は原料採鉱から廃棄までのライフサイクル中に必要とする全エネルギーの10〜30倍程度のエネルギーを供給できると見積もられる[85][19]。
→ 価格と使用エネルギーがどのような場合でも完全に比例するという前提に基づいていると思われるが、そのような主張は誤りである[85]。
→ 誤りである。太陽光発電は現在の平均的な系統電力の排出量よりも桁違いに少ないGHG排出量で済む[86][19]。
→ 現状と大きく異なる条件、もしくは不適切な手法で計算しているためである。エネルギー収支や温室効果ガス排出量の観点からは、２年前後でペイバックする[19][85]。
→ 1980年代からコストを数十分の１に減らしてきた実績があり、かつこれからもそれは継続する見込みである[86]。欧米ではグリッドパリティを達成した企業も出現しており、日本でも達成可能とされる（太陽光発電のコストを参照）。

宇宙太陽光発電 [編集]

宇宙太陽光発電衛星の想像図

詳細は宇宙太陽光発電を参照

太陽光発電は夜間には発電できず天候にも発電量が左右される。この欠点を回避するための構想として、宇宙で太陽光発電を行う構想が宇宙太陽光発電である。 宇宙に太陽光発電用の人工衛星を打ち上げ、太陽光のエネルギーをマイクロ波またはレーザー光に変換して地上の受信局に送信し、地上で再び電力に変換するという構想である。宇宙空間の太陽光は、大気に遮られる地上よりも強力である。また大気圏外で受光するため、天候（雲）に左右されない。 日本、アメリカ、欧州が中心となって研究が進められている。