■太陽光発電入門

• 太陽電池と温水器の違い
  　
• 太陽光発電システムと用語
  
  
• 発電の仕組み
  　
• 系統連系型と独立型
  
  
• 住宅用太陽光発電システム
  
  
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温水器も太陽電池と同様、住宅の屋根に載せられますが、光によって起きるのは熱やお湯ではなく、電気であるのが温水器との違いです。
最近ではいずれも屋根と一体の外観をしたものがありますので外見上の区別が難しいのですが、太陽電池の載った屋根の多くは青または黒に見えます。
太陽電池の多くは”セル”と呼ばれるシリコンなどの半導体のスライスを並べたものからできています。セルは光を当てることで電気が起きる性質があります。（光電気変換素子）
おなじみのものでは電卓など蛍光灯下で用いるものもありますね。
ここでは主として太陽の光を用いるシステムについてご説明します。

太陽電池モジュールはそれ単体で用いられることは道路標識などの小型照明を除いてまれです。
大型のシステム（住宅用系統連系システムなど）では複数の太陽電池を直並列につなぐことでまとまった電力を取り出します。

• セル
  電気を起こす最小単位です。
• モジュール
  電気を取り出す最小単位です。畳の半分くらいの大きさです。
  以後、”パネル”と簡易に呼びます。
• アレイ
  直並列に組まれた複数のパネルをいいます。以後”アレイ”と呼びます。
• サブアレイ
  設置作業やメンテナンスの便宜のために数枚のモジュールをまとめた単位です。

アレイから取り出された電力は乾電池と同じような電気である直流です。
このままでは家庭用の機器は使いにくいので１００ボルトに変換するためのいくつかの機器があります。下記を住宅用系統連系に用います。

• 接続箱
  アレイからの各回路を一回路にまとめます。避雷素子もここに収めます。
• パワーコンディショナ
  太陽電池から取り出した電力を交流の１００Vに変換する電子機器です。

太陽電池は、電気的な性質が異なるｐ型とｎ型の半導体を、原子レベルの精密さで張り合わせてできるｐｎ接合と、電気を取り出すための電極と太陽電池の表面の反射を抑える反射防止膜でできています。
エネルギーをもった粒子としての太陽光はシリコン内部に吸収されて、＋と−の電子を発生させます。
セルの内部では、ｐｎ接合を境にして、ｐは+、ｎは-の電気を帯びるようになり太陽電池の表面と裏面の電極から「直流の電力」が取り出せます。

標準の状態（太陽光は1000W/ｍ２、AM1.5,セルは25℃の条件）では、約10センチ*10センチ１枚のセルで発電できる電力は直流で約0.5Ｖ、3Aです。
電流はセルの面積に、電圧はセルの直列数に比例しますので、セルを必要な大きさに切断し、必要な数、直列に接続すると目的に応じた出力値の太陽電池を構成することができます。
さらに太陽電池の発電効率を下げることなく、過酷な使用環境に十分耐えるよう、専用の材料でパッケージングしたものをモジュールと呼びます。

太陽光発電システムはその用途と構成の面から二通りにわけることができます。
必要とする電力を太陽電池のみに頼る独立系と電力会社と電力の売り買いをする系統連系です。
ここで肝心なことは、太陽電池は光を受けて発電するのですから、日中しか電気を起こさないという点です。また発電量は日射に比例しますので曇天の際には発電量が減ります。
さらに、太陽電池は”電池”と呼びこそするものの電気を蓄えることはできません。
したがって発電した電気はなんらかの器に蓄えてから使用するか、発電と同時に使用するか、二者択一を迫られることになります。

• 独立型
  
  かつてから灯台や無人島、山小屋で使われてきた形態です。電源のない僻地などで太陽電池で発電した電気をバッテリーに蓄えて使用します。晴れた日の日中は太陽電池からの電気を使用し、夜間や曇りにはバッテリーに蓄えた電気を使用します。
  電卓などもこの分類に入れることができますね。電力会社と無関係に動作するという意味で”独立”なのです。
  
  
  
• 系統連系型
  
  昨今では一般住宅の屋根に太陽電池を設置することが多くなりました。
  これらのほとんどが系統連系によるものです。（よくある誤記述は”系統連携””系統連係”）
  日中に太陽電池が発電した電力は主に宅内で消費されます。
  しかし、留守がちな家ですと電気が余りますし、日中でも電気をたくさん使う家ですと電気が足りなくなりますね？つまり過不足が生じるのです。
  よく晴れている場合は余った電力は行き場を失います。余った分だけ備蓄するにもバッテリーを用いた独立系システムは大変高価になるのが通例です。
  したがって余った分は電力会社に買い上げてもらい、不足する分は電力会社から購入するという方法が考えられました。これを系統連系といいます。
  系統とは電力会社の送電線を思い浮かべてください。
  
  
  

現在、国の補助金を得て住宅で活発になってきたシステムが上記の系統連系システムです。
これを特に住宅用太陽光発電システムと言います。
下記のイラストは使用する機器と昼と夜の電力の流れを示したものです。

日中は上記のように太陽電池で発電した電気が接続箱でまとめられ、インバータで交流に変換され、電力会社に販売されます。これを特に売電といい、電気の流れだけを取ってみた場合に逆潮流といいます。
もちろん、分電盤からは宅内の負荷をまかないますので
発電した電力-宅内で使った電力＝電力会社に販売する電力
という公式が成り立つわけです。

夜や日射の弱い時は電力会社から電気を買います。
つまり昼と夜で電気の流れが逆になります。太陽電池を設置していない場合の買電と電気の流れは同じです。

住宅用系統連系に使用する機器

太陽電池アレイ	直流の電力を発電します。
接続箱 （集電箱）	太陽電池からの複数回路から成る直流電力を一回路にまとめます。
インバータ （パワーコンディショナ）	接続箱からの直流電力を家庭で使う交流１００Ｖに変換します。 住宅用のものはさらにこの中に電力品質を確保するための保護協調装置が組み込まれた「パワーコンディショナ」というものを用います。
分電盤	インバータからの交流出力を家庭内または電力会社に送ります。
売電メータ （購入用ＷＨＭ）	発電した電力を電力会社に購入してもらうメータです。 括弧内は電力会社の立場から見た呼称です。 発電設備（住宅）から見た場合と立場が逆になるので呼称も逆になります。
買電メータ （売電用ＷＨＭ）	夜間や曇りの時など不足する電力を電力会社から購入するメータです。 括弧内は電力会社の立場から見た呼称です。 発電設備（住宅）から見た場合と立場が逆になるので呼称も逆になります。