太陽光発電

太陽光発電（たいようこう はつでん、またはソーラー発電、英: Photovoltaics, Solar photovoltaics、略してPVともいわれる）は、太陽光を太陽電池を用いて直接的に電力に変換する発電方式である。大規模な（特に設備容量が1メガワットを超える）太陽光発電所は「メガソーラー」とも呼ばれる。再生可能エネルギーである太陽エネルギーの利用方法の1つである。 技術的特徴として、発電電力量が日照（気候・天候や季節、地形による差が大きい）に依存し不随意に変化する一方、昼間の電力需要ピークを緩和できる。さらに火力発電では不可避の化石燃料消費量と温室効果ガス排出量をともに削減できる。放射性廃棄物の処理や事故が起きた場合の汚染被害といった課題を抱える原子力発電への依存度を下げる手段としても活用されつつある。さらに、発電装置はパネル状なので屋上にも設置でき、本来であれば太陽光発電専用の敷地を必要としない。だが、メガソーラー式では太陽光発電専用の敷地を用意している。 設備は1つ目として太陽電池、2つ目は電力として利用するために必要な電圧及び周波数を変換するインバータ（パワーコンディショナー）で構成される。発電が行われる時間帯・地域と電力需要が異なる場合には、蓄電池も組み合わせて調整される。 開発当初は極めて高価で、宇宙開発等限られた用途に使われた。近年は発電コストの低減が進み、多くの発電方法と比較して高コストながら、年間数十ギガワット単位で導入されるようになった（太陽光発電の市場動向を参照）。今後コスト低減や市場拡大が続くと見込まれ、各国で普及政策が進められると同時に、貿易摩擦に発展する例や、価格競争で倒産する企業が見られる。 SDGsの観点とパネルのコスト低下から目覚ましい勢いで普及しており、IAEAは太陽光発電が今後１０年の再生可能エネルギーの供給拡大をけん引すると予想している。ビロル事務局長は「太陽光が世界の電力市場の新たな王様になるとみている」と述べている。 装置 発電部（セル）に可動部分が無くソリッドステートであるため、原理的に機械的故障が起きにくい（太陽電池#原理を参照）。 規模を問わず発電効率が一定なため小規模・分散運用に向く。 発電時に廃棄物、排水・排気、騒音・振動が発生しない。 出力ピークが昼間電力需要ピークと重なり、需要ピーク電力の削減に効果がある。 設置位置 屋上に設置できるため、専用の敷地を必要としない 需要地に近接設置が可能で送電コストや損失を最小化できる。 蓄電池の利用で、非常用電源となりうる。 運搬・移動に適した小型製品がある。 他の発電方式と比較し設置制限が少ない。建築物の屋根や壁面に設置でき土地を占有せずに設置可能。 社会 エネルギー自給率を向上させる。 稼働に化石燃料を必要とせず、エネルギー安全保障上で有利（#エネルギー収支を参照）。 発電時に温室効果ガスを排出せず、設備製造等での排出も比較的少ない（#温室効果ガス (GHG) 排出量を参照）。 装置 送配電系統へ連結する場合、直流から交流へ、及び必要な商用電源周波数へ変換するためのインバータ装置が必要。 コスト 発電電力量当たりのコストが他の発電方法より割高である（#発電コストを参照）。 設置面積当たりの発電電力量が、集中型発電方式に比べて低い。 発電電力量に関してスケールメリットが効かず、規模を拡大しても発電効率が変わらない（コストにはスケールメリットがある）。 夜間には発電できず、昼間も天候等により発電電力量が大きく変動する。 発電環境 高温時に出力が落ちる（太陽熱発電と逆の特性。温度の影響参照）。 影やパネルの汚れ、火山灰、降雪等で太陽光を遮蔽されると、電力出力が落ちる。また、影はパネル全体にかからなくとも、部分的に影になるだけでも発電効率は大幅に低下する。 環境 十分な発電量を得るためには広い面積が必要であり、景観・自然環境への影響や災害リスクの増大が懸念される。具体的には、発電施設建設のため森林が伐採されることなどによる動植物の生息環境悪化や土砂災害の危険性が指摘されている。 人家近くに設置された場合、パネルで反射された太陽光による光害や熱中症が引き起こされる。 火災等で設備が破損した場合、日中はもちろんのこと夜間であっても、炎の光で発電が継続されてしまうため、設備が新たな発火の原因になったり、放水による漏電で消火作業中の消防隊員が感電したりする恐れがある。なお、消防隊員が残火確認中に感電した事例も報告されている。このため消火作業・鎮火宣言が遅れることがある。 太陽光パネルの損壊部から、鉛やセレン等の有害物質が流出し、土壌汚染を招く危険がある。破損したパネルを処理する場合は、排出事業者が処理責任を負う。 設置者は、感電の危険性や有害物質流出についての注意喚起し、災害時には安全のために立ち入り禁止としたり、破損部をシートで覆う等の危険防止策が必要となる。 経年劣化（後述）は避けられず、環境省の「太陽光発電設備のリサイクル等の推進に向けたガイドライン」によると、太陽光パネルの製品寿命は約25～30年とされる。日本国内だけでも2030年代以降、年間数十万トンの産業廃棄物が生じるものと推測されている。 気温の上昇 都市部ではヒートアイランドの原因になる可能性がある。ソーラーパネルの設置により、パネルの両面から大気へと顕熱輸送が生じるため、パネルが無い場合に比べて周囲の気温が高くなる可能性がある。太陽光パネルによる影のひさし効果を期待する意見もあるが、実際には屋上とパネルは離れており、屋上面積が2倍になるのと等しく放熱面積もパネルの裏表からの2倍となりパネル設置前よりも温度は上昇する。そのため大規模に設置された場合、気温を上昇させる可能性がある。 火災 火災時の消火が困難である。太陽光発電は光があたると自然に発電するため、通電を止めることができずに、消火時の水を通して消防隊員が感電するおそれがある。パネルの表面は滑りやすく隊員が屋根で消火活動する際に滑落の危険性がある。そのため、感電しないように噴霧注水ないし遠くからの棒状注水を行う、高い絶縁性能を持つ手袋及び靴を着用するなどの工夫が要るが、不可能というほどでもなく日本で消火の妨げになったことはない。また、配線の損傷によりアーク放電が発生し、延焼を広げる可能性がある。 感電リスク低減対策として、遮光して発電量を落とす事が必要とされる。方法として、遮光のあるシートなどで覆う方法や、黒色の水性ポリマーなど遮光性の塗料を吹きかける放射器などが開発されている。しかし、塗料は表面が濡れていると定着しにくいことや、遮光シートは作業に手間がかかることなど課題もある。 電波障害 パワーコンディショナ（GCPC）及びパワーコンバーター（DDPC）から発生した電波が無線機器に干渉し電波妨害や障害を起こす可能性がある。国の対応としてIEC（国際電気標準会議）に妨害波許容値設定モデルの提案をしている。 制約が少なく、腕時計から人工衛星にも用いられる。屋上、若しくは、地上に直接設置でき、太陽光を十分に受けられパネル重量に耐えられる場所であれば、建物の屋根や壁など様々な場所に設置可能である。 軽量柔軟なフレキシブル太陽電池では、重量や接地面形状の制約も減少する。剛性があるパネルであっても通常の半分程度まで軽量化し、耐荷重の制約を減らした製品も開発されている。 前述のように、人家近くや緑地を除去しての建設には弊害が大きい。波が穏やかな内水面に設置したり、海外では砂漠に建設したりする例もある。 主に以下の要素で構成する。 太陽電池 架台 接続箱 パワーコンディショナー インバータ 保護回路 （直流側／交流側 開閉器） （売電用電力メーター） （チャージコントローラー） （蓄電池） 太陽電池からの電力は接続箱経由で取り出す。独立型での接続箱とインバータやパワーコンディショナーとの間には直流側開閉器が備わる。系統連系型の接続箱とパワーコンディショナーとの間にも直流側開閉器があるが、送電網につながる分電盤との間に交流側開閉器を備える。（余剰電力を）売電する系統連系型設備では売電用の電力メーターが買電力用のメーターと直列につなげる（全量を売電する系統連系設備では、太陽電池に繋がる配線と建物内配線を分離する）。 未電化地域や宇宙、遠洋・離島などの遠隔地や道路標識等の小電力用途では系統に繋がず、蓄電池や他の電源を組み合わせた独立型や独立蓄電型で構成される。 一般住宅用の系統連系型では高価な大型蓄電池の設置は稀であるが、災害等での停電時に電力供給を可能とする家庭用大型蓄電池製品も存在する。独立蓄電型に商用電力を常時併用し災害停電発生時に必要最小限の電力を連続供給する大型のUPSが発売された。 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。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。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。 設備導入費用の内訳は太陽電池モジュール（パネル）以外の工事・流通・周辺機器の割合が比較的大きく、日本国内では2011年時点でパネル製造費割合が2割程度とされる。 発電設備自体のコスト以外では火力発電や原子力発電の発電電力量の削減を進めるに伴い、需要と供給の各種変動ギャップを埋める費用発生も見込まれる。風力発電等の電源も関連する。スマートグリッド等の総合的な対策が各国で検討推進されている。 開発当初は高価で用途も人工衛星等に限られたが経験曲線効果に従い価格が低下した。現時点でもコストが比較的高く普及促進に助成が必要とされる国や地域もあるが、条件の良い地域では既にグリッドパリティが達成されている。中長期的には、風力発電と共にコスト（均等化発電原価）が最も安い発電手段の一つになると予測されている。 グリッドパリティ達成はモジュール価格で1ドル/Wp以下が目安とされた。2012年時点でパネルの種類によっては0.5 - 0.9ユーロ/Wp前後になっている。更なるコスト低減を表明する企業もある。 フランス・ドイツ・イギリス等で2020年までに順次既存の火力発電とコストで競い始めると予測されている。また、米国の好条件地域では、2012 - 2014年頃に天然ガス等の発電コストよりも安くなり始めると予測されている。 日本では補助金が中断した2005年頃から一時的に価格が上昇したが、2008 - 2009年にかけて普及促進政策が施行されてからは低減を再開した。 さらに、2012年7月に施行された再生可能エネルギー特別措置法に基づく固定価格買い取り制度により、「メガソーラー（大規模太陽光発電所）」に代表される産業用の太陽光発電の導入が進み、コストの下落が加速した。 蓄電池を用いる独立型システムについても、今後の価格低下と途上国での普及拡大が予測されている。 経済産業省によると、個別の発電では太陽光のコストは低いものの、出力の変動をカバーするために火力との連動が必要なことから総合的なコストでは太陽光のコストが最も割高になると試算された。他にコストを押し上げる理由として、規制を逃れるために大規模な太陽光発電所を50kW未満の低圧システムに分割する「分割案件」が横行していることがあげられている。 発電した電力を二次電池に蓄電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のみの発電で電力供給する場合利用する。系統連系に比べ蓄電設備にかかる費用・エネルギー・CO2排出量が増加するが、外部からの送電費用が上回る場合のほか、移動式や非常用電源システムで用いる。消費電力が少なく送電網から遠い場合にメリットが大きいが、送電網に近くても送電電圧が高い場合には変電設備よりも独立電源設備が安いことがある。一般向けに、小型の最大電力点追従制御機能(MPPT)と自動車用バッテリーで構築する製品も市販されている。 携帯用小型機器 電卓・懐中電灯・腕時計など消費電力の少ない携帯機器を電池交換や充電せずに利用するために小型の太陽電池が内蔵されている。小型一次電池が比較的高価なためコスト面で有利である。 未電化地域での電源。 送電網がない地域の照明や家電の電源。 移動時の電源 ソーラープレーンやソーラーカー・電気自動車の電源。 砂漠移動時の電源 ラクダに積む場合がある。 船舶の補助電源 2008年から日本郵船と新日本石油（現：ENEOS）が自動車運搬船で実証試験を行った。2012年には商船三井、三菱重工業、パナソニックがリチウム蓄電池付きシステムを搭載した自動車運搬船を進水させた。 宇宙空間での電源 人工衛星や太陽から近い所を飛ぶ探査機で利用。 小規模電源 庭園灯や街路灯や駐車券発行機などメンテナンスや配線のコスト削減のために利用。 ポータブルバッテリーへの蓄電。 非常用電源。 無線通信網の中継局や航空管制局 軍用・アウトドア用の可搬式電源 自動車の換気用電源。 灯台用電源 海上保安庁は灯台への太陽光発電の設置を進めている。 電力会社の送電網に同期接続する形態が系統連系である。送電網が近傍にある場合は、売電するために系統連系して利用する場合が多い。太陽電池モジュール→パワーコンディショナー→商用電線路という接続形態を取る。再生可能エネルギーの固定価格買取制度（FIT制度）では発電量が設置場所での利用量を上回る分を電力会社に供給する（売電）。電力を送電網に送ることを逆潮流と呼ぶ。夜間や悪天候時に発電量を利用量が上回ると系統側から電力供給する。一般に独立型より発電規模が大きい。独立蓄電型のような大容量の蓄電設備が不要であり、その分、発電量あたりのコスト・温室効果ガス（Greenhouse Effect Gas：GEG）排出量・ライフサイクル中の投入エネルギーが独立型より小さい。 天候や気温で出力変動し曇天・雨天時は晴天時より大幅に発電量が低下し、夜間は発電できない。大規模な系統連系では変動が速すぎると他の電源による調整が追いつかない恐れがあるとされる。 比較的短い周期（数秒-数十分）の変動 分散型電源では大規模化と分散化により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り、これをならし効果と呼ぶ。ある程度の導入量まで問題ないとされる。米国での調査では特別な対策をしなくても系統負荷の3割以上の設備容量を系統連系可能とし、過去の大規模な実証試験で変動を電力網側の調整余力で対応でき送電網全体で送電コスト低減によるメリットが上回ると報告されている。さらに連系する容量が増加すると変動対策が必要になるとされる。将来的にスマートグリッドなど系統全体の包括的対策が必要とする。 比較的長い周期（数時間-数日）の変動 導入量が少ない段階では大きな心配はないとされる。昼間の電力が余ると余剰分の調整が必要である。独立型設備で電力を太陽光発電に頼る場合はバッテリーを追加して需給の差をバッテリー容量の範囲で埋める。二次電池を備えた蓄電所で変動を吸収する計画もある。 モジュールを複数の方向に向けて設置する場合個々の方向で最大出力になる時間帯がずれ、正午の瞬間最大出力が低くなる代わりに、他の時間帯に出力増加する。電力需要は時間帯で変動し一般に午後の方が多い。固定式設備の場合、電力需要との整合性の観点では真南よりも多少西向きに設置するのが好ましい一方で角度により発電量が減る場合がある。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%近く増加し全体で経済的価値が大きくなると報告された。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い。 最大電力点追従制御 (Maximum power point tracking、MPPT) は、インバーターが太陽電池からの電圧と電流の積である電力が最大になる出力電圧で電流を取り出すための制御機能である。使用することで日射量に応じて最適の条件で電力を供給できる。インバーターが直流/交流変換動作を行わない場合太陽電池の出力電流がゼロなら出力電圧は開放電圧 (Open circuit voltage; Voc) である。インバータの電流制御によって徐々に太陽電池の出力電流を増やした時にインバータを通過する電力が増えればさらに電流を増やし、逆に増やして電力が減れば電流を減らす方法によって最大電力点に到達する。この制御方法を山登り法と呼ぶ。住宅用太陽光発電用インバータでは太陽電池がアモルファス、結晶系など多様な電流・電圧特性を持つためいずれの特性の太陽電池に対しても安定に最大電力点に追従して運転することが求められることから最大電力追従のための一回の電流の変化幅と変化の速さ・頻度の選択が重要である。最大電力点追従制御は，インバーターでの直流運転電圧を太陽電池アレイと直流ケーブルを通した最大電力点の電圧に近付ける働きをする。最大電力点追従制御は太陽光発電システムの使用者による測定が困難でインバーターの直流／交流変換の効率と同じく製造者による性能表示が重要である。 太陽光発電設備の発電部は、多数の太陽電池素子で構成される。素子やその集合体には、規模や形態に応じて下記の様な呼称がある。 セル 太陽電池の単体の素子は「セル」(cell) と呼ばれる。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。（太陽電池#原理を参照） 1つのセルの出力電圧は通常 0.5-1.0V である。複数の太陽電池を積層したハイブリッド型や太陽電池#形態の観点による分類では1セルの出力電圧が高くなる。必要な電圧を得るために通常は複数のセルをハンダ付け等で直列接続する。薄膜型太陽電池では太陽電池を構成する薄膜の形成と並行して、セルの直列接続構造も造り込む（集積化）。 モジュール セルを直列接続し、樹脂や強化ガラスや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。モジュール化で取り扱いや設置を容易にし、湿気や汚れや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は屋根瓦の1/4-1/5程度である。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。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。 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。 セルとセルの間に隙間を作り光を透過させる機能も併せ持つもの（タミヤ製作所） 高効率で狭い面積で済むもの 高温環境対策品（温度の影響） 強風対策品 塩害対策品 低角度設置に対応し汚れを落ちやすくしたもの 反射光を軽減し周囲に配慮したもの 網目状セルの半透過型（窓やビル壁面で利用） 着色しデザイン性を持たせたもの 軽量で屋根への負担を軽減したもの 両面から光を取り入れ周囲からの反射散乱光も利用するもの 曲げられるフレキシブル型（持ち歩きが容易） 平面や曲面に接着剤で貼り付け設置できるもの 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で早期出力低下など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割未満とされる。 ソーラーパネルは税制面において、法定耐用年数が17年と定められている。ただし産業用として設置されたものについては、形態によっては製造設備の一部とみなされるため、設備としての耐用年数（3∼17年）が適用される。 屋外用大型モジュールの期待寿命は、過去の製品の結果から一般に20-30年以上とされる。期待寿命は明確に定められておらず、統一基準も無い。 モジュールは年月と共に徐々に性能低下する。世界各国の2000例近い各種太陽電池モジュールの経年劣化調査データのまとめでは、性能低下速度の中央値は0.5%/年、平均値は0.8%/年と報告されている。 経年劣化を調査する実証実験においてパネルの種類による経年劣化の違いを検証した結果をもとにすると、25年間に使用により単結晶シリコンパネルで出力が82 - 85%、多結晶シリコンパネルで86.8 - 89%、CISパネルで92.7 - 93.2%、ヘテロ接合（HITハイブリッドなど）パネルで90.4%、アモルファスシリコンパネルで74.6%に低下するという結果になる。なお、屋外用モジュールの出力保証として、各メーカーが10 - 25年の出力保証を付けているが、定格出力に対して保証される経年劣化による出力は25年で80%など、それぞれ実験結果と比べて低い基準でもうけられている。 モジュールの強化ガラスとセルとの間に通常EVA等の樹脂が充填される。昔の製品は樹脂が紫外線で黄変（browningまたはdarkening）し性能が急速に劣化する場合があったが樹脂の改良やガラスにセリウムを添加する等の対策で解決された。 経年劣化で発生する代表的変化としては、セルを固定するEVAなど樹脂がはがれたり（delamination)、湿気がモジュール内部に侵入し電極の腐食を起こす例が挙げられる。製造企業の技量不足から比較的早期に性能低下し交換対象になる例もある。 アモルファスシリコンを用いたモジュールは屋外光で劣化しやすかったが現在では長寿命化され、20年以上の性能を保証する製品もある。 太陽電池の型式により使用開始時に数%程度性能が低下しその後安定する挙動を示す（初期劣化）。定格値として初期劣化後の値（安定化効率）が用いられる。 製品寿命予測のための加速試験手法として塩水噴霧や紫外線照射、高温多湿 (Damp Heat)環境試験などを用いる。検証手段として実際に屋外の環境に晒すフィールドテストが1980年代から大規模に行われ、現在20数年分のデータが蓄積された。 パワーコンディショナーなど周辺機器に寿命（10年?）があり部品交換などメンテナンスが必要である。 人工衛星の電源など宇宙空間での利用では温度差200℃程度の周期的な温度変化、打ち上げ時の振動、放射線による劣化などに対応できる必要がある。このためモジュール（パドル）の構造、セルの材料や構造など各部にわたり対策が施される。 太陽光発電モジュールは長寿命なため、取り付ける架台や施工部分にも長寿命が求められる。一般の建築物同様に数年ごとの保守点検が推奨され、メーカーや代理店によっては定期保守点検プランを用意する場合がある。点検項目のガイドラインとして日本電機工業会が定めたものがある。 太陽は巨大な原子炉（半径7 x l0