住宅用太陽光発電の仕組みとは？必要な設備とメンテナンス
近年普及しつつある太陽光発電システム。よく耳にする言葉にはなってきましたが、ある程度の知識はあっても、詳しく知らない方が多いのではないでしょうか。とりあえず導入してみたはいいものの、専門用語が多く理解できない部分もあるかと思います。知らないままで使用していては、故障やメンテナンスを行う際にうまく対処することができなくなってしまいます。この記事では太陽光発電の仕組みや様々な機器の構造などを通して、太陽光発電システムについてより知識を深められる記事です。
太陽光発電の原理とは？
そもそも太陽光発電ってどんな仕組み？
太陽光発電は名前の通り太陽の光をエネルギー源にした発電方法です。太陽光に含まれる光エネルギーを半導体と呼ばれる物質にあてることによって電気が流れる仕組み（光起電力効果といいます。）になっています。この半導体を太陽電池と呼びます。電気をためることができる電池と誤解されますが、太陽電池には電気をためる機能はありません。
太陽電池によって作られた電気は、接続箱（接続ユニット）、パワーコンディショナー、分電盤を通って、家の照明設備や各コンセント、また電力会社の送配電設備へ流れていきます。
もっと詳しく、太陽電池の仕組みと種類
太陽電池にはシリコン系、化合物系、有機系と種類があり、基本的にはｎ型の半導体、ｐ型の半導体、電極によって構成されています。（例外もあります。）普及されている太陽電池はシリコン系と化合物系が多く、構造の違いや組み合わせによって、光エネルギーを電力に変える変換効率が変わります。
現在は比較的省エネで作れるうえ、変換効率が良い多結晶シリコン型が大きな市場シェアを持っていますが、技術の発展により大量生産しやすく、発電効率の良い薄膜シリコン型や量産性やデザイン性が高いCIGS系太陽電池、価格が安く製造において環境にやさしいCdTe太陽電池なども普及してきています。寿命や変換効率の低さから開発が進められている有機系の太陽電池には安い価格で量産できるものや塗布するだけで太陽電池になるもの等、将来的に期待されているものが多数あります。
太陽光発電システムに必要な機器とは？
次に太陽光発電システムに必要な機器を解説いたします。
ソーラーパネル
太陽光発電といえば一番に連想されるといっても過言ではないのがソーラーパネルです。ソーラーパネルは先ほど説明した太陽電池をあつめた機器です。太陽電池そのものをセルと呼び、セルを並べ樹脂や強化ガラスでパッケージ化したものをソーラーパネル（太陽電池パネルやモジュールといいます。）、ソーラーパネルを並べ接続したものをアレイと呼びます。ソーラーパネルの構造には種類があり、スーパーストレート構造、サブストレート構造、ガラスパッケージ構造等が存在します。
スーパーストレート構造は太陽電池をインターコネクタという回路でつなげ合わせたものを充填剤で固めます。その後、受光面のフロントカバーとバックカバーで挟み、両サイドをフレームで固定することで出来上がります。フロントカバーには強化ガラスが使われており、防水性など耐環境体制に優れているため、ほかの構造に比べ寿命が長いのが特徴です。住宅用に使用されているソーラーパネルのほとんどがこの構造です。
サブストレート構造はインターコネクタでつながった太陽電池を基盤の上にのせ、その上を透明樹脂で固めた構造になっています。充填剤とカバーの役割を封止材という透明樹脂のみで補っているため、非常に軽量です。しかし封止材が直接太陽光を受けるため、劣化しやすく、耐環境面ではスーパーストレート構造に劣ります。
ガラスパッケージ構造はインターコネクタでつないだ太陽電池を透明な充填剤で固め、両面をガラスで覆っている構造です。ガラスで覆っているため、シースルー化することが可能です。
接続箱（接続ユニット）
接続箱は各ソーラーパネルで発生した電力を集め、次のパワーコンディショナーに送る装置です。屋外に設置されることが多く、比較的濡れにくく、メンテナンスがしやすい屋根ヒサシ下の外壁に取り付けます。屋内に設置できる接続箱も存在しますがあまり普及はしていません。理由はソーラーパネルとつながっている線を通すため、大きな穴を外壁に空ける必要があるからです。
また、ソーラーパネルの枚数を自由に調整した際に起こる電圧の差を調整してくれる昇圧機能がついているモデルもあります。
パワーコンディショナー
パワーコンディショナーは発電した電力を安定した電圧、周波数で交流出力をする装置です。ソーラーパネルで発電した電力を最大限に利用するためには、適した性能のパワーコンディショナーが必要不可欠です。主に流通しているパワーコンディショナーにはトランスレス方式と高周波絶縁トランス方式があります。
トランスレス方式は変圧器を使用せず、コンバーターと呼ばれる装置によって電力を交流出力します。電力ロスが少なく、回路がシンプルなため価格が安いのがメリットです。
高周波絶縁トランス方式は設計がコンパクトな点や、絶縁が必ず行われることなどのメリットはありますが、価格の高さや変換効率の悪さからトランスレス方式に比べると普及していません。ただし、特別な電力での売電をする場合は高周波絶縁トランス方式のパワーコンディショナーが必要になります。
分電盤（ブレーカー）
分電盤は送られてきた電気を家庭内のコンセントなど様々な場所に電気を振り分ける機器です。分電盤の中にはブレーカーがついており、一か所での容量以上の電力使用や漏電が起きている場合に電気が供給されないようにする機器でもあります。
通常の住宅にも必ずついている分電盤ですが、太陽光発電システムを導入する際には交換もしくは増設が必要になります。太陽光発電システムに使用する分電盤にはパワーコンディショナーと接続するための回路や、余剰電力を電力会社に送電するための逆潮流機能がついています。
蓄電池
太陽光発電システムに必ずつける機器ではありませんが、比較的関連性が高い為解説します。電気を蓄えられる機器として有名な蓄電池。最近ではAIを搭載したモデルや電気自動車そのものを蓄電池として使えるものまで出てきています。通常の蓄電池も技術の発展により、年々コストが低下しています。現在主に上げられる蓄電池は4種類あります。鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、NAS電池です。
鉛電池は一番歴史が古く、寿命が約17年あります。値段も安価であるもののサイズが大きくスペースを取ってしまうという点や過放電によって劣化してしまうというデメリットがあります。
ニッケル水素電池はリチウムイオン電池が出る以前、乾電池やハイブリットカーのバッテリーとして使用されていました。温度変化や充放電状況によって、寿命が大幅に短くなってしまうため平均で5～7年使用できるといわれています。また充電できる回数もリチウムイオン電池には劣ります。
リチウムイオン電池は携帯やパソコンのバッテリーといった小さいものから、住宅用の蓄電池といった大きいものまで使用されています。様々な形状で作れるという点もありますが、充電回数が多いことがなによりもメリットです。現在では10年前後の寿命があり、今後技術の発展により、更なる性能の向上が期待されています。
NAS電池は大容量でありながらも、スペースをあまりとらない電池です。大規模施設のバックアップ用電源として使用されることが多く、寿命も15年ほどあります。しかし、仕組みに硫黄やナトリウムが使用されているため、取り扱いには注意が必要です。
現在家庭用で普及している蓄電池はリチウムイオン電池がほとんどで、商業用では各種すべての電池が使われています。
また、蓄電池は使い方を工夫することで様々なメリットがあります。例えば、災害時に非常用電源として使用することや、電気料金を抑えるために単価が安い夜間に充電し、貯めた電力を日中に使用することです。太陽光発電システムと併用することによって、電力の自給自足をすることも可能です。
以上太陽光発電システムの主要な設備の解説です。
太陽光発電システムの寿命と対策
太陽光発電システムは先ほど述べたように、様々な機器から成り立っています。どんな機械も必ず寿命があり性能が低下していきます。性能低下を抑え、長く使用する為にもメンテナンスは欠かせません。しかし、太陽光発電システムの機器は専門知識を必要とするものが多く、構造も複雑なため個人でメンテナンスをするには限度があります。専門業者に早めな対策を依頼するためにも、不具合や故障の前兆を見極めることは重要です。
太陽光発電の性能が低下する原因とは
特殊な検査装置を使わずに不具合や故障の前兆を判断する方法は太陽光発電の発電量を確認することです。天気によっても発電量が変わる太陽光発電ですが、天気が良いのに発電量が異常に少ない場合や、まったく発電されていない場合は故障を疑いましょう。主に不具合が起きやすい機器はパネルやパワーコンディショナーです。
詳しくはパネルやパワコンの耐久性に関しては「太陽光発電の寿命はどれくらい？ パネルやパワコンの耐久性について」を参照ください。
もちろん上記以外の機器も例外ではなく、接続箱の場合は異物混入やそもそもの設置ミスで性能の低下やひどい場合は焼損してしまうこともあります。また、分電盤から発熱や異音がしているときは何らかの異常が起きているサインです。
異常が見られた場合の対策
少しでも異常を確認した場合には早めにメンテナンス業者に相談しましょう。また、異常が見られなくても定期的なメンテナンスを実施することは効率的に太陽光発電システムを使用するために必要不可欠です。設置してからメンテナンスを一度もしたことがない方や、数年使用して性能の低下が気になる方はぜひメンテナンスをしてみてください。
