公益社団法人日本技術士会近畿本部登録 近畿PE技術相談室

2018. 8. 6

LED 照明と太陽光発電技術士（電気電子・総監）

富田孟

近年、多くの方々の節電意識が高まり、LED 照明や太陽光発電の設置が増えてきた。前者は電気を光に変換するものであり、後者は逆に、光を電気に変換するものである。両者は、機能、形状、設置場所等において共通点はなく、全く別物であるとするのが通常の扱いであるが、動作原理的には、PN 接合型ダイオードの可逆動作であるのはとても興味深い所であり、更に太陽光発電のトラブル回避に役立つことを願って、浅学を省みず、両者を並べて書き記すものである。

１．LED 照明

1.1 ダイオード
ダイオードとは、一方向にのみ電流が流れる特性を持った 2 端子の半導体部品である。一般的に使われるのは、シリコンダイオードである。構造は P 型半導体と N 型半導体が結合したもので、外部から電圧をかけると、P 型半導体から N 型半導体の方向（順方向）には電流が流れるが、反対方向（逆方向）には流れない。この性質を利用して、電力分野では、交流を直流に変える整流器として使われる。また、電子機器においても小容量のダイオードが多数使われる。
ダイオードに電流が流れると、僅かながら電圧が下がる。（0.3 ～ 0.7V）それに伴って電力損失が起きる。ダイオードの抵抗値は一定ではなく、電流によって変わる。これを非線形特性という。

1.2 発光ダイオード
発光ダイオード（LED：Light Emitting Diode）は古くからあって、表示灯として使われていたが、最近になって照明器具として誰もが知る所となった。電気特性としては、前記のダイオードと全く同じであるが、ダイオードは通電時の内部電圧降下によって電気エネルギーが熱として失われるのに対して、LED は熱だけでなく、一部が光となって発光する。
以前からあった LED が発する色は、3 原色（赤、緑、青）のうちの 2 つ、赤色と緑色だけであった。青色はエネルギーレベルが高いために、従来の材料と技術では発光させることが出来なかったが、赤崎勇（名城大学教授）、天野浩（名古屋大学教授）、中村修二（米カリフォルニア大学教授）の 3 人の研究成果によって、ついに青色の発光に成功した。その成果はノーベル賞に値する画期的なものであった。

1.3 LED 照明の特徴
青色発光ダイオードの出現によって、LED を照明に使う道が開けた。多数の LED からなる LED 管球を使った照明器具が LED 照明器具である。一般に、LED 管球の平均寿命は約 4 万時間とされ、蛍光灯の約 6,000 時間、白熱灯の約 1,000 時間に比べて LED 管球が長寿命であることは間違いない。

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光の量を光束という。単位は[lm]（ルーメン）である。LED 管球の発光効率[lm ／ W]は、蛍光灯と大差は無いが、蛍光灯は全周囲に発光するのに対して、LED 管球は発光方向を限定できるので、照明器具としての実効効率は高く、約半分の電力で蛍光灯とほぼ同じ効果が期待できる。一般用途（白色、昼光色）には、青色 LED と蛍光塗料の組合わせで作られているが、3 原色の LED を使うと、制御装置によってあらゆる色相を発光することが出来るので、高度な演出が可能となる。舞台照明などで実用化されている。
初期の製品は輝度が高く、演色性において蛍光灯に劣るとされていたが、最近の LED 管球は蛍光灯と全く変わらず、見分けが付かない程である。。
現時点では価格が高いのが難点であるが、2019 年 3 月には、日本国内での蛍光灯の製造が中止の見通しなので、価格の低下と共に普及が加速するであろう。

1.4 蛍光灯から LED 照明への更新
既存の蛍光灯から LED 照明に変更する場合に次の選択肢がある。
(1) 器具ごと全部取替える(2) 蛍光灯器具の安定器と点灯管をはずして、管球を取替える(3) 蛍光灯器具の安定器は残したまま、点灯管をはずして、管球を取替える
費用は (1) が最も高く、(3) は器具の改造を必要としないので最も安い。
省エネ効果としては、(1) と (2) は同等であるが、(3) は蛍光灯の安定器の損失が残るため、効率が低くなる。また、蛍光灯の器具が古い場合は安定器の寿命が LED 管球よりも短い可能性がある
ので、一般社団法人日本照明器具工業会や各地の自治体では (3) の方法はなるべく採用しないよう勧告している。

２．太陽光発電2.1 太陽電池の原理
太陽光発電（PV：photovoltaics）は多数の太陽電池（solar cell ／ photovoltaic cell）とパワーコンデ
ィショナ（インバータの一種）から構成された発電設備である。太陽電池は乾電池や蓄電池の仲間ではない。太陽電池は前述の LED と同じく P 型半導体と N 型半導体からなるダイオードである。LEDとの違いは、エネルギーの流れが逆になっている。太陽電池に光を照射すると、N 型半導体には励起された電子が現れ、P 型半導体には電子が抜けた空洞（ホール）が生じる。これを電気回路として言い換えると、太陽電池に光が照射されると、＋極（P 型半導体側）に＋電荷、－極（N 型半導体側）に－電荷が生じて、＋極と－極の間に負荷をつなぐと負荷に電流が流れる。電流の流れる向きは、LEDとは逆方向となる。
負荷をつながずに光を照射すると、発生した電荷は行き場が無いので、内部で P 型半導体から N型半導体の方向に電流が流れる、すなわち、内部還流が生じて熱に変わる。したがって、通常の発電機とは異なり、太陽電池は無負荷の時に自己負担が最大となる。

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2.2 太陽電池の電圧・電流特性
太陽電池の電圧・電流特性は図 1 のような特性となる。光照射がない時の特性はダイオード及びLED と同じである。（青線）ただし、電流座標はダイオードの場合と±方向が逆に描かれている。
光が照射されると、グラフは照射量に比例して電流軸の＋側に平行移動する。（赤線）
等価回路は図 2 に示す通り、電流源とダイオードと２つの抵抗で構成できる。電流源とは内部抵抗がきわめて大きい電源で、照射された光量に対応した電流を発電する。無負荷起電力はほぼ一定であるが、温度が高くなると電圧は下がる傾向にある。

図1

図2

太陽電池の電圧・電流特性

太陽電池の等価回路

2.3 太陽電池モジュール（太陽光パネル）
太陽電池１セルの出力電圧は 0.5V 程度なので、多数の太陽電池を直列につないで、電圧を高くして、１枚のパネルに仕上げて製品としている。これをモジュールという。例えば、60 セルを直列にして 30V のモジュールとする。光照射量を 1[kW ／㎡]とした時、モジュール出力は、120 ～ 150[W／㎡]である。長年の研究開発にも関わらず、変換効率は余り向上していない。

2.4 太陽電池の劣化
太陽電池の寿命は 15 ～ 20 年と、結構長く使えるとされているが、出力は年月が経つにつれて低下する。経年劣化の度合いは様々なデータがあるが、大体、0.5[%／年]位を想定して計画するのが良いとされる。
経年劣化とは別に、2005 年から 2010 年頃に、中国や EU など、高電圧（DC1000V レベル）で構成される発電所において、短期間で急激に劣化する現象が起きて大問題となった。これを PID（PotentialInduced Degradation）現象という。発生メカニズムは、高温・多湿・高電圧の環境において、モジュール表面のガラス内のナトリウムがイオン化することで、ガラスに電気が流れ、電流漏れが起きるとされている。PID 現象は封止材とバックシート（保護材）の性能に起因するものであるから、日本国内の太陽光パネルメーカ各社は、PID 現象を起こしにくい封止材とバックシートを採用することで対処している。最近は外国製も多く使われているので、PID 対策の有無を確認した上で採用する必要がある。

2.5 太陽光発電所の水害対策
先般の豪雨によって、各地で太陽光発電所が大きな被害を蒙っている。日当たりの良い山の傾斜地

3などでは土砂崩れによって完全崩壊した箇所もある。また、河川付近では、水没により、屋外設置のパワーコンディショナが短絡事故によって全滅した例もある。これから新設する場合には、これらを教訓にして、立地を十分に検討することが肝要である。

以上

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