太陽光発電は実際にどのような仕組みで発電が行われるのでしょうか？ ここでは、ソーラーパネルが太陽の光を電気に変えるまでの仕組みを詳しく解説します。簡単なキーワードを押さえながら、イラストを使って詳しく説明するため、読めばきっと太陽光発電の仕組みがわかるようになるはずです。
※この記事は2022年4月19日に公開した内容をアップデートしています。
【図解】太陽光（ソーラー）発電とは？
太陽光発電とは、太陽の光を使った発電の方法です。主に「ソーラーパネル」と呼ばれる機器を用いて、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換して電気を作ります。
ソーラーパネルで電気が作られる仕組み【構造図で解説】
上図は、ソーラーパネルを構成する「太陽電池」の仕組みを示したものです。太陽電池は「n型半導体」「p型半導体」が張り合わされた構造で、この2つの半導体は表と裏の両面から「導線」によって結ばれています。
太陽電池には「電池」という名前がついていますが、電気を貯める働きはなく、電気を作る役割を担っています。
では、太陽電池がどのように電気を作るのかを具体的に見ていきましょう。ソーラーパネルに太陽の光が当たると、「n型半導体」にマイナスの性質をもつ「電子」が多く集まります。一方、「p型半導体」にはプラスの性質をもつ「正孔」がたくさん集まっていくのです。
そして、このマイナスの「電子」は「導線」を通ってプラスの「正孔」へと移動します。太陽光発電では、こうした電子の流れを利用することによって電気を作り出しているのです。
太陽光発電（自家発電）に必要な機器
太陽光発電を住宅に導入するときには、さまざまな機器が必要になります。まず、電気を作り出すソーラーパネルが必要です。しかし、ソーラーパネルで作った電気が「直流」である一方で、家電製品などで使う電気は「交流」です。そのため、発電した電気をそのまま使うことは難しいのです。
そこで、電気を直流から交流に変換する「パワーコンディショナー」という機器を設置する必要があります。また、変換した電気を住宅内で振り分けるための「分電盤」や、電力会社などへ電気を売る場合には電力量をカウントするための「電力量計」も必要となります。
太陽光発電はいつから始まった？
太陽光発電は近年になって大きく注目されていると思われていますが、実は、約180年前から太陽光発電に関する研究が行われてきたのです。
1839年に、太陽の光を金属の板に当てると電気が発生するのを世界で初めて発見したのは、フランスのアレクサンドル・エドモン・ベクレルという科学者であるとされています。続いて1883年には、米国の発明家チャールズ・フリッツが太陽電池のもとになるものを開発しましたが、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が低く、製品化には至らなかったといわれています。
国内では、1955年に初めて太陽電池が作られ、その3年後には太陽光発電システムとして実用化されました。世界で太陽光発電の研究が盛んになったのは1970年代ごろからで、現在は、世界中のさまざまな場面で太陽光発電システムが活用されています。
太陽光発電の売電と自家消費の仕組み
住宅で太陽光発電を利用するときには、作った電気を自分で使い、余った電気を電力会社などに売る（売電する）ことができます。発電した電気を自分で使うことを「自家消費」と呼びます。電力会社などに売電するときには、国の補助制度である「FIT制度」を活用することもできます。
太陽光発電は、自家消費する分だけ電気料金を削減できる効果が期待されます。
一方で、売電収入を増やすには、パワーコンディショナーにあらかじめ搭載されている「売電優先」などのモードを選択する方法や、省エネを行うことで自家消費の量そのものを減らすという手段も考えられます。
太陽光発電システムそのものには電気を貯める機能がないため、蓄電池を設置していない場合には、発電したらすぐに電気を使う必要があります。
太陽光発電のメリット・課題
堺太陽光発電所
次に、太陽光発電のメリットや課題について解説します。そして、太陽光発電のもつ課題に対してどのような対策が取られているかについても併せてご紹介します。
メリット
まず、太陽光発電のメリットは、発電するときに二酸化炭素（CO2）が発生しないということが挙げられます。太陽光を用いて電気を作り出すため、燃料を燃やす必要がなく、発電を通じてCO2が発生しないのです。
地球温暖化の原因は、人間活動による温室効果ガスの増加である可能性が極めて高いと考えられています。その大部分を占めるCO2を出さずに発電することができる太陽光発電は大きなアドバンテージを持っているのです。
地球温暖化のメカニズムについては、こちらの記事で詳しく説明しています。
また、石油や石炭、液化天然ガス（LNG）といった化石燃料は、いずれ枯渇してしまうと考えられていますが、太陽光発電には燃料の枯渇リスクがないことも大きな強みだといえます。
さらに、太陽光は日本国内に存在するエネルギーであるため、普及すれば日本のエネルギー自給率を向上させることにつながるのです。エネルギー自給率とは、必要なエネルギーのうち国内でまかなうことのできる割合のこと。安定したエネルギー供給につながる重要なメリットといえるでしょう。
課題と対策
数多くのメリットがある一方で、太陽光発電には課題もあります。その一つが、発電量が自然環境に左右されてしまうことです。例えば、晴れた日にはたっぷりと発電しますが、雨が降ってしまうとほとんど発電できなくなってしまいます。電気は貯めることができず、私たちが利用するタイミングに合わせて必要な分だけ発電量を確保することが難しいため、ほかの発電方法によるカバーなどが必要になるのです。
こうした太陽光の課題を補うと期待されているのが、蓄電池をはじめとする電気を貯める機能をもつ蓄電システムです。住宅などに設置する定置型蓄電池のほか、バッテリーを搭載した電気自動車（EV）も蓄電システムだといえるでしょう。
蓄電システムは、電気を貯める充電と電気を取り出す放電の両方を行うことができます。そのため、太陽光発電が、電気の需要を超えて多く発電するときには充電し、逆に、雨天など太陽光発電が発電しないときには放電して電気をまかなうことができるのです。
住宅でも、太陽光発電だけでなく蓄電池やEVといった蓄電システムを併せて導入することで、太陽光発電の自家消費を増やすことができると考えられています。
もう一つの課題は広い土地が必要な点です。郊外などに、太陽光パネルがずらっと並んでいる光景を目にしたことがあるかもしれません。太陽光発電で多くの電気を作るには、発電所の面積もそれだけ大きくなってしまうのです。
国土に山地が多く十分な広さの土地を確保しにくい日本では、同じ面積あたりでどれくらい発電できるかを表す「エネルギー密度」の低さが太陽光発電普及の難点になっています。その中で、より効率的に発電設備を設置する技術や、発電効率を高める技術を進化させることでこうしたデメリットの解消が期待されています。
太陽光発電をはじめとする再生可能エネルギーのメリットや課題は以下の記事でより詳しく解説しています。併せてご覧ください。
太陽光発電はCO2を出さないクリーンな発電方法
太陽電池の半導体の働きによって電気を発生させる太陽光発電。石油や石炭といった燃料を燃やす必要のない、クリーンな発電方法だといえます。また、化石資源の枯渇のリスクのない持続可能な発電方法として脚光を浴びています。
しかし、その一方で、発電量が天候に左右される変動性や広い土地が必要な点にはまだ課題が残されていることもわかりました。こうした課題に対しては、蓄電システムとの併用や、発電効率の向上などが解決策になると考えられています。
だいちゃん
技術の進化によって導入量も近年着実に伸びてきていますね。今後のさらなる発展に期待です！
