太陽光発電の概要

太陽光発電のご紹介

太陽光発電は、太陽電池（水晶ダイオードに似た半導体素子）の光起電力効果を利用して、太陽の放射エネルギーを直接電気エネルギーに変換して発電する方法であり、太陽光発電のエネルギー変換器は、太陽電池、光電池とも呼ばれます。 太陽光が太陽電池（P 型と N 型の 2 種類の均質な半導体材料で構成される）に当たると、光の一部が反射され、光の一部が吸収され、光の一部がセルを通過します。吸収された光エネルギー電子の束縛された高エネルギー状態を刺激し、内蔵電界の PN 接合で電子 - 正孔ペアが生成され、電子、正孔、および相互の移動が生じます (図 1-1 を参照)。正孔のN領域からP領域へ、電子のP領域からN領域へ太陽電池の光側が移動することで、多数の負電荷（電子）が蓄積され、多数の正電荷が蓄積されます。バッテリーのバックライト側に蓄積された電荷（ホール）。 セルの両端に負荷が接続されている場合、負荷に電流が流れ、光が点灯し続けると負荷に一定の電流が流れます。 単一の太陽電池セルは、半導体 PN 接合の薄いスライスであり、標準的な光条件では、定格出力電圧は 0.5 ～ 0.55 V です。より高い出力電圧とより大きな電力を得るには、実際のアプリケーションでは、図 1-2 に示すように、複数の太陽電池を接続してバッテリー パックを形成したり、複数のバッテリー パックを接続して太陽電池アレイを形成したりすることがよくあります。 太陽電池の出力電力はランダムであり、同じ太陽電池の出力電力は、時間、場所、光の強さ、設置方法が異なると異なります。

1-1 太陽電池の発電原理

1-2 セルとモジュールから PV アレイまで

太陽光発電のメリット

太陽光発電のプロセスはシンプルで、機械的な回転部品がなく、燃料消費がなく、温室効果ガスを含むいかなる物質も排出せず、騒音や公害もありません。 太陽エネルギー資源は広く分布しており、無尽蔵です。 したがって、太陽光発電は、風力発電やバイオマス発電などの新たな発電技術と比較して、最も持続可能な開発（最も豊富な資源と最もクリーンな発電プロセス）を特徴とする再生可能エネルギー発電技術であり、その主な利点は次のとおりです。次のように。

(1) 太陽エネルギー資源は無尽蔵であり、地球に照射される太陽エネルギーは現在人類が消費するエネルギーのほぼ6,{2}}倍であり、太陽エネルギーは地球上に広く分布している。地形や標高などの制限を受けずに太陽光発電システムを利用できる場所では光が必要です。

(2) 地球表面では、寸法の違い、気候条件の違いなどにより日射量にばらつきが生じますが、太陽エネルギー資源はどこにでも存在するため、発電、電力供給、電気の解決に近づくことができます。長距離を輸送する必要がないため、長距離の送電線への投資と電気エネルギーの損失を回避できます。

(3) 太陽光発電は光子から電子への直接変換であり、中間プロセス（熱エネルギーが機械エネルギーに変換される、機械エネルギーが電磁エネルギーに変換されるなど）や機械的動作がなく、機械的磨耗がありません。 。 熱力学解析によれば、太陽光発電は理論上の発電効率が最大80％以上と非常に高く、技術開発の可能性がある。

(4) 太陽光発電自体は燃料を使わず、温室効果ガスなどの排出物質の排出がほぼゼロ、騒音もなく、大気や水を汚さず環境に優しい。 エネルギー危機や燃料市場の不安定性の影響を受けない太陽エネルギーは、真のグリーン再生可能エネルギーです。

（５）太陽光発電は冷却水が不要であり、水のない砂漠やゴビでも設置可能である。 太陽光発電は、建物の屋根や壁と簡単に組み合わせて、屋根分散型または建物一体型太陽光発電システムを構築することもできます。これにより、別途土地を占有する必要がなく、貴重な土地資源を節約できます。

(6) 太陽光発電には機械的な伝達部分が無く、運転・保守が簡単で、安定・信頼性の高い運転が可能です。 一連の太陽光発電システムは、太陽があれば電池部品が発電することができ、自動制御技術の多用と相まって、基本的に無人化と低メンテナンスコストを実現します。

(7) 太陽光発電システムの性能は安定して信頼性が高く、耐用年数が長く（30 年以上）、結晶シリコン太陽電池の寿命は 25 ～ 35 年にもなります。 太陽光発電システムでは、合理的な設計と適切な選択を行えば、電池の寿命も10～15年と長くなります。

(8) 太陽電池モジュールの構造がシンプルで小型・軽量のため、輸送や設置が容易です。 太陽光発電システムの構築サイクルは短く、電力負荷容量に応じて大小を調整でき、便利で柔軟で、組み合わせ、拡張が非常に簡単です。

また、近年最も普及しているのが、住宅の屋根だけでなく、各種ビルや農業施設の屋根を利用して構築される分散型太陽光発電システムであり、上記と同様の利点に加え、また、以下のような優位性もあります。

（1）分散型太陽光発電は、基本的に土地資源を占有せず、送電線の有無や本数を減らして近隣で発電・供給できるため、送電コストが削減できる。 PV モジュールは、従来の壁や屋根の材料を直接置き換えることもできます。

(2) 分散型太陽光発電システムは、配電網に接続することで発電と電力の共存が可能です。 グリッド電力供給は発電のピーク期間にあり、効果的にピーク平準化の役割を果たし、都市の高価なピーク電力供給負荷を削減し、地方地域の電力消費の緊張をある程度緩和することができます。

太陽光発電のデメリット

(1) エネルギー密度が低い。 地球に対する太陽のエネルギーは非常に膨大ですが、地球の表面積も非常に大きく、地球の表面の大部分は海で覆われているため、実際の太陽エネルギーは地表に到達し、地球の範囲にまでしか到達できません。放射エネルギーは 10 パーセント程度で、土地の単位面積が太陽エネルギーに直接アクセスできるのは比較的小さく、通常、太陽の放射量は地球の表面の最高値である約 1.2kWh/m2 に相当します。大部分の地域とほとんどの日照時間は 1kWh/m2 未満です。 m2 であり、大部分の地域とほとんどの日照時間は 1kWh/m2 未満です。 太陽エネルギー利用は、実際には低密度エネルギーの収集、利用です。

(2) 広範囲をカバーします。 太陽エネルギー密度が低いため、太陽光発電システムは広い面積をカバーでき、10kWの太陽光発電でカバーできる面積は約70平方メートル、面積当たりの平均発電電力は約160Wです。 分散型太陽光発電の推進や太陽光発電ビル統合発電技術の成熟・発展により、建物や構造物の屋根やファサードに利用できる太陽光発電システムが増え、太陽光発電の欠点は徐々に改善されてきています。広い床面積を持つシステム。

(3) 変換効率が低下します。 太陽光発電の最も基本的な単位は太陽電池モジュールです。 太陽光発電の変換効率とは、光のエネルギーが電気に変換される割合を指します。 現在、結晶シリコン太陽電池の最高変換効率は21パーセント程度で、電池部品の変換効率は16パーセントから17パーセント、アモルファスシリコン太陽電池モジュールの変換効率は13パーセント以上に達します。 光電変換効率が低いため、太陽光発電システムの出力密度が低く、高発電システムを形成することが困難である。

(4) 断続的な作業。 地球の表面では、太陽光発電システムは昼間のみ発電でき、夜間は発電できず、人々の電気の使い方や習慣と矛盾しています。 宇宙に昼夜の区別がない限り、太陽電池は継続的に発電することができます。

(5) 自然条件および気候要因の影響を受ける。 太陽光発電のエネルギーは太陽光の照射から直接得られますが、自然条件や気候による地表への太陽光の照射は、一年の季節、昼夜の交替、地理的な緯度や高度などの自然環境に大きな影響を与えます。天候、曇り、晴天、雨、雪、霧、あるいは雲量の変化さえも、システムの発電状況に重大な影響を与えます。 さらに、環境要因の影響も非常に大きく、特に浮遊粒子（塵など）がバッテリーモジュールの表面に付着すると、光照射の一部が妨げられ、バッテリーの変換効率が低下します。モジュールが減少し、発電量が減少します。

(6) 強い地理的依存。 地理的位置が異なるため、地域ごとの太陽光資源も大きく異なります。 太陽光発電システムは、太陽エネルギー資源が豊富な地域にのみ適用されるため、投資収益率が高くなります。

(7) システムコストが高い。 太陽光発電の発電効率は比較的低く、これまでのところ、他の従来の発電方式（火力発電や水力発電など）に比べて太陽光発電のコストは依然として高いです。 これは、その広範な適用を制限する主な要因の 1 つでもあります。 しかし、太陽電池容量の継続的な拡大とセルチップの太陽電池効率の継続的な改善により、太陽光発電システムのコストは非常に急速に低下し、太陽電池モジュールの価格は以前よりも下がっていることを理解する必要があります。過去数年間で 1 ワットあたり 10 元を超え、現在では約 2.5 元/W まで増加しました。

(8) 結晶シリコン電池の製造プロセスは、汚染とエネルギー消費量が多くなります。 結晶シリコン電池の主原料は純粋なシリコンです。 ケイ素は酸素に次いで地球上で 2 番目に豊富な元素であり、主に砂 (シリカ) の形で存在します。 砂から含有量が99.9999パーセントを超える純粋な結晶シリコンに徐々に変化するには、複数の化学的および物理的プロセスが必要であり、大量のエネルギーを消費するだけでなく、特定の環境汚染を引き起こします。

太陽光発電の前述の欠点や欠点にもかかわらず、地球規模の化石エネルギーの漸進的な枯渇と、化石エネルギーの過剰消費による地球温暖化と生態環境の悪化は、人類の生存に大きな脅威となっています。 したがって、再生可能エネルギーの積極的な開発は、この問題を解決するための主要な対策の 1 つです。