太陽光発電とは
太陽光発電（たいようこうはつでん、Photovoltaic power generation）は、太陽電池を利用し、太陽光のエネルギーを直接的に電力に変換する発電方式である。ソーラー発電とも呼ばれる。再生可能エネルギーの一種であり、太陽エネルギー利用の一形態である。
太陽光発電装置は一般に導入時の初期費用が高額となるが、メーカー間の競争によって性能向上と低価格化や施工技術の普及も進み、運用と保守の経費は安価であるため、世界的に需要が拡大している。昼間の電力需要ピークを緩和し、温室効果ガス排出量を削減できるなどの特長を有し、低炭素社会の成長産業として期待されている。
このサイトは、太陽光発電が我々国民にどのように関係してくるのか？今後、自然エネルギーとしてどの程度期待できるのか？様々な角度から太陽光発電を観察していきたい。
2012年度には太陽光発電が大きく、我々国民と関係してくる。それは、「太陽光発電 余剰電力買取制度」の変更があるためである。
この項では、主に発電方式としての太陽光発電について述べる。発電の原理や太陽電池の種類などについては、「太陽電池」の項を併せて参照されたい。
太陽光発電は従来の集中型電源と異なる下記のような長所や短所を有する。
太陽光発電 長所 装置
太陽光発電装置に可動部分が無く、磨耗等による機械的な故障が起きない
太陽光発電規模に関わらず発電効率が一定であるため小規模発電でも不利とならず、新設・増設が容易である
太陽光発電時に廃棄物・温排水・排気・騒音・振動などの発生がない
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
太陽光発電 長所 設置位置
需要地に近接して設置できるため、送電のコストや損失を最小化できる
分散型電源のため運搬に適すほか非常用の電源となりうる
建築物の屋根や壁面にも設置できるため、土地を占有せずに設置することが可能。他の発電方式と比較して設置制限が少ない
太陽光発電 長所 社会
構成材料の大部分がリサイクル可能
輸出産業として利益が見込める
設置国の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しないのでエネルギー安全保障上有利になる
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
太陽光発電 短所
2007年時点で電気的・機械的部品の寿命と総発電量を用いて計算した場合、発電電力量当たりのコストが他の発電方法に比べて2〜3倍である
発電量が天候や気温等により大きく変動する
夜間は発電しない
配電系統へ連系する場合、設備量の増加に伴って系統インフラの改造（スマートグリッド等）が必要
設置面積当たりの発電量が既存の発電方式に比べて低い
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）
汚れると太陽光が遮られ出力が落ちる
太陽光発電 設置場所
太陽光発電は設置する場所の制約が少ないのが特徴であり、腕時計から人工衛星まで様々な場所で用いられる。
地上に直接設置することも可能であるが、太陽光を十分に受けることができ、パネルの重量に耐えることができる場所であれば屋根や壁など建造物の様々な場所に設置が可能である。また近年は軽量で柔軟なフレキシブル型太陽電池も開発されており、取り付けの自由度が高まっている。
太陽光発電 装置構成
太陽光発電装置は主に以下の要素から構成される。
太陽電池パネル
架台
接続箱
パワーコンディショナ
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）
太陽光発電装置は家庭用を含む小型のものや離島のような遠隔地などの運用では、電力会社の電力網に逆潮流として売電も行う連係を行わない「独立型」が主流であるが、家庭用でも規模の大きめのものから太陽光発電ファームのような本格的な発電所では電力会社の電力網や送電線網に接続される「系統連係型」になる。太陽電池パネルの出力は接続箱を経由して取り出される。独立型のインバータやパワーコンディショナでは接続箱との間に直流側開閉器が備わり、系統連係型のパワーコンディショナでは接続箱との間に直流側開閉器が、分電盤との間に交流側開閉器が備わっている。売電するシステムでは、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がっている。
太陽光発電 発電コスト
太陽光発電の発電コストは他の電源の数倍とも言われる。電力量あたりのコストでは価格競争力が不足するため、現時点では普及促進に際して助成が必要とされる。普及に伴い、ほぼ経験曲線効果に従って価格が低下している。2008年末の時点で比較的高出力（125Wp以上）のモジュールについては需要逼迫による価格の高止まりが数年間続いていたが、2009年からは再び低減傾向である。世界的には2012年頃には、条件の良い地域から順次グリッドパリティ（系統電力との等価）を達成し、価格競争力を有し始めると見られている。
一部の薄膜太陽電池生産企業はそれに見合う生産コストに既に到達し、さらに安くできると表明している。 技術的検討からは、現行技術の延長で可能な範囲でも公称容量あたりのモジュール単価は65円/Wp程度までコストダウンが可能と見られている。 こうしたことを踏まえ、太陽光発電は”2030年ごろになっても経済的に自立できない”などとする主張は誤りであるとの指摘もなされている。日本でも継続的な普及拡大とコスト低減が期待されているが、2005年頃から国内市場は逆に縮小・コスト増加傾向を示した。このため2009年から新たな普及促進政策が施行され、2009年の国内市場は再び拡大し始めた（太陽光発電のコスト#政策も参照）。
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。また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。他電源に対するコスト競争力は比較条件にも依存し、用途などによっては現状でも価格競争力を有する。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。蓄電池を用いた独立型システムにおいても、今後の価格低下と途上国などでの普及拡大が予測されている。
太陽光発電そのもののコストのほかに、火力発電の発電量の削減を進めるに伴い、需要と供給の各種変動のギャップを埋める費用の発生も見込まれている。これは風力発電や原子力発電など他の電源も関連する事項である。送電網の機能強化や需要側の制御も含めたスマートグリッドなどの総合的な対策が各国で検討・推進されている
太陽光発電 利用形態
太陽光発電 独立蓄電
発電した電力を二次電池に蓄電してその場で利用し、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で電力を供給したい場合に利用される。後述の系統連系に比して、蓄電設備のコスト（金銭・エネルギー・CO2排出量）が増えるため、外部からの送電コストが上回る場合や、移動式や非常用の電源システムなどに用いられる。一般に消費電力が比較的少なく、送電網から遠い場合にメリットが大きくなる。また送電網にごく近い場合でも、送電電圧が高い場合はやはり太陽光発電による独立電源システムが安くなることがある。一般向けに、手の平程度の大きさの最大電力点追従装置(MPPT)に自動車用バッテリーを組み合わせる製品なども市販されている。以下、利用例を幾つか列挙する。
太陽光発電 携帯用小型機器
携帯用小型機器では、電卓・ライト・腕時計など、消費電力の少ない携帯機器を一次電池や商用電源による充電不要で利用するために超小型のものが使用される。小型一次電池による電力が比較的高価なためコストの面でも効果がある。電気二重層コンデンサによる蓄電も行われる。
送電網が未熟な国々や地域で民生用電化製品の電源として利用
無線通信網の中継局や航空管制局
燃料の輸送や冷却水の確保が難しい地域の電源として利用
庭園灯や街路灯、駐車券発行機などでメンテナンスや配線のコスト削減のために利用
非常時の電源確保
軍用、キャンプ用（可搬式）
自動車のバッテリー補助
愛好家がハイブリッド車に載せるなどの例がみられる。2009年にはトヨタがプリウスがソーラーパネルによる換気システムを搭載できるようになる。
太陽光発電 船舶のエネルギー源
船舶の補助動力としての利用も検討されている。2008年、日本郵船と新日本石油（現：JX日鉱日石エネルギー）が自動車運搬船で試験することを発表している。
太陽光発電 宇宙空間での利用
地球を回る人工衛星や、太陽に近い所を飛ぶ惑星探査機などに使われている。なお木星など遠距離の惑星へ行く惑星探査機は、太陽からのエネルギーが小さくなってしまうため太陽光発電は通常使われないが、ミッション内容次第では利用の可能性がある。
太陽光発電 系統連系
太陽光発電システムを、電力会社の送電網に繋げる形態を系統連系という。太陽電池モジュール→パワーコンディショナー→商用電源という接続形態を取る。発電量が設置場所での利用量を上回る分は電力会社に買い取ってもらう（売電）。また、売電電力を送電網に送ることを逆潮流と呼ぶ。夜間や悪天候時など、発電量を利用量が上回る時は系統側からの電力供給で補う。独立蓄電形態のような大容量の蓄電設備が不要なため、コスト・GEG排出量・ライフサイクル中の投入エネルギーが最小限で済む。近くに送電網が来ている場合は、通常この形態で利用する。
太陽光発電 出力変動
太陽光発電は天候や気温によって出力が変動し、曇天時や雨天時は晴天時に比較して大幅に発電量が低下する。また夜間は発電しない。系統連系においては、変動が速すぎると他の電源による調整が追いつかなくなるおそれがある。この変動への対応は、大きく2種類の変動への対応に分けられる。
比較的短い周期（数秒-数十分）の変動について
太陽光発電のような分散型電源に於いては、規模が大きくなり、設置場所が分散するほど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る。これはならし効果と呼ばれ、これによってある程度の導入量までは問題は無いとされる。米国などにおける調査では、特別な対策をしなくても系統負荷の3割以上の設備容量の系統連系が可能とされている。その程度までの連系容量については、過去の大規模な実証試験において、変動は電力網側の調整余力で対応可能であり、送電網全体では送電コスト低減などによるメリットが上回ると報告されている。連系する容量がある程度以上増加すると、それに応じた変動対策が必要になるとされる。また将来的にはスマートグリッドなど、他の発電方式や電力需要側も含んだ系統全体での包括的対策が必要と考えられている（#発電コストを参照）。
比較的長い周期（数時間-数日）の変動について
系統連系が主体の導入形態の場合、導入量が少ない段階では、この変動については当面大きな心配は無いとされる。普及が進んで昼間の電力が余るようになると、蓄電設備によって余剰分を他の時間帯に回すなどの対策の必要性が生じる。また独立形のシステムなどで電力の殆どを太陽光発電に頼る場合などは、何らかの蓄電装置を追加して需給の差を埋める。
モジュールを様々な方向に向けて設置している場合、個々の方向で出力が最大になる時間帯がずれるため、正午の瞬間最大出力が低くなる代わりに、他の時間帯の出力が増加する。一方、電力の需要量は時間帯によって変動し、一般的に午前よりも午後の方が大きい。このため固定式のモジュールの場合、電力需要との整合性を取る観点からは、真南よりも多少西向きに設置するのが好ましい。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、全体では経済的価値が大きくなると報告されている。ま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くなるため、太陽光発電の価値が相対的に高くなる。
最大電力点追従制御
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制御機能である。この機能を使用することにより太陽光の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状態では，太陽電池の出力電流がゼロで，出力電圧は開放電圧(Open circuit voltage;Voc)である。インバータが変換動作を行うと太陽電池から電流が流れるとともに太陽電池の電圧が下がる。インバータの電流制御によって除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・電圧特性を持つので，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。そのために，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・頻度を選ぶことが重要である。
太陽光発電 発電部の構成と特殊な製品例
セル、モジュール、アレイ
2010年現在は、発電部分に用いられる太陽電池は小さな素子であるため、これを多数平面状に配列することで発電パネルは構成される。この配列は以下のような階層構造になっていることが一般的である。
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（詳しくは太陽電池の原理を参照）。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多接合型では1セルの出力電圧そのものが高くなる。必要な電圧を得られるよう、通常は複数のセルを直列接続して用いる。また幾つかの薄膜型太陽電池では、複数の直列接続されたセルを1枚の基板に作り込むことで、小型でも高い電圧を発生でき、セルを直列接続する結線工程も省力化できる。
モジュール
セルを直列接続し、樹脂や強化ガラス、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。モジュール化により取り扱いや設置を容易にするほか、湿気や汚れ、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、屋根瓦の 1/4-1/5程度である。なお、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が、この名称は太陽熱利用システム（太陽熱温水器など）の集熱器に対しても用いられる。
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。
太陽光発電 モジュール製品の例
用途や環境に応じて、下記のように様々な種類の製品が市販されている。
* 太陽電池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（タミヤ製作所の項を参照）
* 高効率で、より少ない設置面積で済むもの
* 高温環境でも性能の落ちにくいもの（温度の影響の項を参照）* 強風対策品
* 塩害対策品
* 低角度設置に対応して、特に汚れが落ちやすくしたもの
* 反射光を軽減して周囲に配慮したもの
* 網目状のセルを使用し、ある程度の光を透過させるもの（半透過型；窓やビル壁面などに利用）
* 着色して意匠性を持たせたもの
* 軽量にして屋根への負担を特に軽減したもの
* 裏面からも光を取り入れ、周囲からの反射・散乱光も利用して発電するもの
* フレキシブルで持ち歩きが容易なもの
* 建造物の平面や曲面に接着剤で貼り付けるだけで設置できるもの
太陽光発電 経年劣化と寿命
太陽光発電システムには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などで早期に出力低下などの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割未満と報告されている。
* 屋外用大型モジュールの場合、過去の製品の結果などから、一般的には期待寿命は20-30年以上と考えられている。なお一般の家電製品同様、期待寿命は明確に定まっているわけではなく、統一された基準も無い。
* メーカー等による屋外用モジュールの保証期間としては、10-25年ぐらいの性能保証を付けて市販される例が見られる。
* モジュールは年月と共にゆっくりと性能が低下する。低下量は結晶シリコン等の場合、多くの製品は20年間で1割未満と報告されている。
* モジュールの強化ガラスとセルとの間には通常EVA等の樹脂が充填される。昔の製品ではこの樹脂が紫外線で黄変（browningまたはdarkening）して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などの対策で解決された。
* 経年劣化によって発生する代表的な変化としては、セルを固定しているEVAなどの樹脂がはがれたり（delamination)、湿気がモジュール内部に侵入して電極の腐食を起こすなどの例が挙げられる。製造企業の技量不足により、比較的早期に発生して交換の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、これも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出現している。太陽電池の項も参照。
* 太陽電池の型式によっては、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）。定格値としては初期劣化後の値（安定化効率）が用いられる。
* 製品の寿命を予測するための加速試験手法としては塩水噴霧や紫外線照射、高温多湿（Damp Heat）環境試験などが用いられる。検証手段としては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ている。
* パワーコンディショナーなどの周辺機器にも寿命（10年〜）があり、部品交換などのメンテナンスが必要である。参考データの項も参照。
* 人工衛星の電源など宇宙空間での利用においては、温度差200℃程度の範囲に及ぶ周期的な温度変化、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って対策が施される。
* 太陽光発電モジュールは長寿命であるため、それを取り付ける架台および施工部分にも長寿命が求められる。また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のプランを用意している場合もある。点検項目のガイドラインとしては日本電機工業会が定めたものなどがある。
日本国内で導入可能な規模、導入効果の目安
太陽光発電は集中型発電所などに比べれば比較的大きな設置面積を必要とするが、日本においても設置面積は不足せず、潜在的には必要量よりも桁違いに多い設備量（7984GWp = 約8TWp分）が導入可能と見積もられている。このため太陽光発電の導入量は、安定電力供給の電源構成上の観点から決まるとされる。そのような観点から導入可能な設備量は102GWp-202GWp程度と言われる。その中では、建造物へのソーラーパネル設置により期待される導入量が多く、積極的に開発を進めた場合の将来の導入可能量は戸建住宅53GWp(ギガワットピーク)、集合住宅22GWp、大型産業施設53GWp、公共施設14GWp、その他が60GWpなどとなっている。 太陽光発電の累計導入設備量が100GWp（=1億kWp）になると、その発電量は日本の年間総発電量の約10%に相当する（200GWpで約20%、8TWpで8倍の計算）。
世界的に見ると、日本における平均年間日照量は最も日照の多い地域の半分程度である。アメリカ合衆国の平均とほぼ同等であり、また導入量世界一のドイツより多い（右上図参照）。国内で見ると、冬期に晴天が少なく積雪の多い日本海側では日照量・発電量が少なく、太平洋側で多くなる。
温室効果ガス（GHG）の排出量とエネルギー収支
太陽光発電のGHG排出量は化石燃料電源の排出量より格段に少なく、利用することでGHG排出量を削減できる。またEPT（後述）やエネルギー収支の点でも実用水準であるとされる。
主な影響要因
太陽光発電の発電電力当たりのGHG排出量や投入エネルギー量は、システム製造工程と、設置環境において発電できる量でほぼ決まる。運転時は燃料を必要とせず、GHGを排出しない。メンテナンスや廃棄時に排出するGHGや投入エネルギー量も比較的少ない。
* システム製造時のGHG排出量や投入エネルギー量は、システムに用いる太陽電池の型や、量産に用いる技術、量産規模などに影響される。一般に単結晶シリコン型が最も多く、これに多結晶シリコン型が続く。薄膜型（アモルファス、CdTe、CIGS、積層型など）は比較的少ない。また生産規模の影響については、例えば年間生産量が10MWから1GWになると、設備容量あたりの投入エネルギー量が半分以下になると計算されている。
* 実際の設置地域で寿命までに発電できる量は日照時間や温度などの影響を受ける。緯度や気候のデータ、過去の実績などから大まかな予測が可能である。
温室効果ガス（GHG）排出量
太陽光発電は設備の製造時などに際してある程度の温暖化ガスの排出を伴うが、運転（発電）中は全く排出しない。採鉱から廃棄までのライフサイクル中の全排出量を、ライフサイクル中の全発電量で平均した値（排出原単位）は数十g-CO2/kWhであり、化石燃料による排出量(日本の平均で690g-CO2/kWh）よりも桁違いに少ない。
* 日本における排出原単位は、現状の一般家庭の場合で29-78g-CO2/kWh（稼働期間20年の場合。30年に単純換算するとその2/3）と算出されている。削減効果の目安は660g-CO2/kWhとされる
* 欧州南部での見積もりでは、結晶シリコン太陽電池は現状で25-32g-CO2/kWh、将来は約15g-CO2/kWhに減少すると予測されている
太陽光発電 エネルギー収支
太陽光発電設備のエネルギー源としての性能を比較するとき、エネルギーペイバックタイム（EPT）やエネルギー収支比(EPR)が指標として用いられることがある。これらは設備の製造やそれに必要な原料の採鉱・精製、保守などに投入されるエネルギーに対して、どれだけの電力が得られるかを示す。ライフサイクルアセスメント(LCA)の一環である。エネルギー収支や環境性能について実用性を否定する意見は、いずれも都市伝説などとして否定されている。
現状で一般的な値はそれぞれEPTが1-3年程度、EPRが10-30倍程度とされる。
電気事業者による再生可能エネルギー電気の調達に関する特別措置法案について
笑えない話ですが、東北地方太平洋沖地震が起きた平成23年3月11日(金)に下記の法案が提出されています。原子力発電からの脱却を図る切り札的な法案です。
経済産業省は、「電気事業者による再生可能エネルギー電気の調達に関する特別措置法案」を第１７７回通常国会に提出することといたしました。
本法律案は、エネルギー安定供給の確保、地球温暖化問題への対応、環境関連産業の育成等の観点から重要な再生可能エネルギーの利用拡大を図るため、再生可能エネルギーの固定価格買取制度を導入するためのものです。
資源エネルギー庁 省エネルギー・新エネルギー部 新エネルギー対策課
平成23年3月11日(金)
だいたいさ、太陽光発電なんてまだ無理無理。