太陽光発電

太陽光発電

太陽光発電（PV）電力は、太陽光発電効果を発揮する半導体を使用して、太陽エネルギー放射を直流電力に変換することにより電力を生成する方法です。太陽光発電は、再生可能で持続可能なエネルギー源です。太陽光発電は現在、世界的に設置された容量の観点から、水力発電および風力発電に次いで3番目に重要な再生可能エネルギー源です。科学者によって太陽電池とも呼ばれる太陽電池は、太陽エネルギーを直接電気に変換します。 PVの名前は、光（光子）を電気（電圧）に変換するプロセスに由来します。これは「光起電力（PV）効果」と呼ばれます。光起電力効果とは、電子をより高いエネルギー状態に励起する光の光子を指し、電子を電流の電荷担体として機能させることができます。 PV効果は、1839年にAlexandre-Edmond Bequerelによって最初に観察されました。光起電力という用語は、デバイスを流れる電流が完全に変換された光エネルギーによるフォトダイオードのバイアスのない動作モードを意味します。事実上すべての光起電力デバイスは、ある種のフォトダイオードです。シリコン（砂に含まれる元素）のPV効果は、ベルテレフォンの科学者が日光にさらされるとシリコンが電荷を生成することを発見した1954年に発見されました。

太陽エネルギーは地球上で最も豊富なエネルギー資源です。太陽電池で太陽エネルギーを電力に直接変換することは、3つの太陽エネルギー技術の1つです。他の2つの技術は、「集光型太陽光発電（CSP）」と「冷暖房用太陽熱集熱器（HSC）」です。今日、PVは全世界のエネルギー生成の0.1％以上を供給しています。それはまた有望な未来を持っています。世界のPV容量は、2000年以降平均年間成長率40％以上で増加しており、今後数年間で長期的な成長の大きな可能性を秘めています。太陽光発電は、市販されている信頼性の高い発電技術です。太陽光発電は、温室効果ガス排出量の大幅な削減に貢献するだけでなく、エネルギー供給の安全性と社会経済開発の面でもメリットをもたらします。再生可能エネルギー源の需要が高まっているため、太陽電池と太陽光発電の製造は近年大幅に進歩しています。

太陽電池は太陽光から直流電気を生成し、これを使用して機器に電力を供給したり、バッテリーを充電したりできます。太陽光発電の最初の実用的な用途は、軌道を回る衛星やその他の宇宙船に電力を供給することでしたが、現在、太陽光発電モジュールの大部分はグリッド接続された発電に使用されています。この場合、インバーターを使用して、直流（DC）を交流（AC）に変換します。

発電に使用されるソーラーパネルは、通常、約40個のセルを保持するモジュールに結合された太陽電池から作られています。多くのソーラーパネルを組み合わせて、ソーラーアレイと呼ばれるシステムを作成しました。銅製ソーラーケーブルは、モジュール（モジュールケーブル）、アレイ（アレイケーブル）、およびサブフィールドを接続します。一般的な建物では、電力需要を満たすために約10〜20枚のソーラーパネルを使用します。大規模な電力会社や産業用アプリケーションでは、何百ものソーラーアレイが相互接続されて大規模なユーティリティ規模のPVシステムを形成します。

最高のパフォーマンスを得るために、太陽光発電パネルは、より高い発電のために太陽に直面する時間を最大化することを目指しています。ソーラートラッカーは、PVパネルを動かして太陽を追跡することでこれを実現します。これにより、ほとんどの日光を取り込むことができます。増加は、冬には最大20％、夏には最大50％になる可能性があります。静的にマウントされたシステムは、太陽の経路を分析することで最適化できます。パネルは緯度に等しい角度である緯度傾斜に設定されることがよくありますが、夏季と冬季の角度を調整することでパフォーマンスを向上させることができます。一般に、他の半導体デバイスと同様に、室温を超える温度では太陽電池の性能が低下します。

太陽電池は、半導体材料の層で構成されています。セルに光が当たると、層全体に電界が発生し、電気が流れます。光の強度が大きいほど、電気の流れが大きくなります。ただし、太陽光発電システムは曇りの日にも発電できます。動作するのに明るい日光は必要ありません。太陽電池の性能は、太陽光を電気に変える効率の観点から測定されます。効率が12.5％の太陽光発電モジュールは、モジュールに当たる太陽光の8分の1を電気に変換することを意味します。

太陽光発電の電力容量は、「Wp」（ワットピーク）の標準化されたテスト条件（STC）での最大電力出力として測定されます。特定の時点での実際の出力は、地理的な場所、時刻、気象条件、およびその他の要因に応じて、この標準化された、または「定格」の値よりも小さいか大きい場合があります。太陽光発電アレイのプラント負荷率（PLF）は通常25％未満であり、他の多くの産業用電力源よりも低くなっています。

太陽電池

従来の太陽電池はシリコンから作られています。それらは通常平板であり、一般的に最も効率的です。セルは環境からの保護が必要であり、通常はガラスシートの後ろにしっかりと梱包されています。太陽光発電技術は、次の種類の太陽電池を使用しています。

• 結晶シリコン太陽電池–これらは最も効率的な太陽電池であり、「ソーラーグレードのシリコン」から作られています。この技術は最初に開発され、今日ではソーラーパネルのアプリケーションの大部分を占めています。セルは、シリコンの単結晶（単結晶シリコンc-Si）またはシリコン結晶のブロック（多結晶または多結晶シリコンpoly-Siまたはmc-Si）のいずれかから切り取られた薄いスライス（ウェーハ）から作られています。単結晶ウェーハセルは、円筒形のインゴットから切り出されるため、高価になる傾向があります。それらは、精製されたシリコンの実質的な浪費なしに、正方形の太陽電池モジュールを完全にカバーするわけではありません。通常、単結晶で作られたセルの四隅には覆われていないギャップがあります。多結晶または多結晶シリコンセルは、慎重に冷却および固化された溶融シリコンの大きなブロックである鋳造正方形インゴットから作られています。 Poly-Siセルは、単結晶シリコンセルよりも製造コストが低くなりますが、効率は低下します。
• 薄膜太陽電池–これらは第2世代の太陽電池であり、ガラス、ステンレス鋼、プラスチックなどの低コストの裏地に感光性材料の非常に薄い層を堆積させることによって作られています。使用される感光性材料は、アモルファスシリコンと、テルル化カドミウム（Cd-Te）、セレン化銅インジウムガリウム/硫化物（CIGS）などの非シリコン材料です。薄膜太陽電池は、わずか数マイクロメートルの厚さの半導体材料の層を使用します。製造コストの低下は、このテクノロジーの効率の低下と釣り合います。それらは、柔軟性、軽量化、統合の容易さなどの低コストと利点により、ウェーハシリコンと比較して人気が高まっています。典型的な薄膜製造プロセスには、（i）透明な導電層による基板のコーティング、（ii）化学的/物理的蒸着などのさまざまな技術による活性層の堆積、（iii）レーザーを使用した裏面金属化（接触）が含まれます。スクライビングまたは従来のスクリーン印刷、および（iv）ガラスポリマーケーシングへのカプセル化。ロールツーロール技術は、生産時間とコストを削減するために、柔軟な基板でよく使用されます。

• その他のセルタイプ–他のいくつかのタイプのPV技術が今日開発されているか、商品化され始めています。これらは、従来の印刷機技術を使用したソーラーインク、ソーラー染料、導電性プラスチックなど、さまざまな新素材から製造されている第3世代の太陽電池です。一部の新しい太陽電池は、プラスチックレンズまたはミラーを使用して、太陽光を非常に小さな高効率PV材料に集中させます。 PV材料はより高価ですが、必要なものがほとんどないため、これらのシステムは公益事業や業界での使用に費用効果が高くなっています。ただし、レンズは太陽に向ける必要があるため、集光コレクターの使用は、最も日当たりの良い部分に限定されます。

さまざまな技術の変換効率を表1に示します。太陽電池の寿命は25年です。しかし、その効率、ひいては発電量は時間とともに低下します。劣化は最初の10年間で10％、次の15年間でさらに10％です。

太陽光発電の用途

太陽光発電システムは、屋上に設置することも、地上に設置することもできます。これらは、グリッド接続された発電所でも、オフグリッドシステムでもかまいません。グリッドに接続すると、生成された余剰電力をグリッドに転送し、太陽がないために電力が生成されていないときに電力をインポートできます。オフグリッドシステムは、遠隔地に電力を供給します。オフグリッドシステムは、地方の電化にも使用できます。太陽光発電は消費財にも使用できます。太陽光発電プラントの概略図を図1に示します。

図1太陽光発電プラントの概略図

太陽光発電の利点

• 地球の表面に届く太陽光は豊富で、世界の一次エネルギー源になる可能性があります。
• 太陽光発電は使用中の汚染がありません。
• PVの設置は、メンテナンスがほとんどなく、寿命が長くなります。
• PV設備の運用コストは非常に低くなっています。
• グリッド接続された太陽光発電はローカルで使用できるため、送電/配電の損失を減らすことができます。

太陽光発電のデメリット

• 初期投資は高額です。
• 広いスペースが必要です
• 太陽光が利用できないときは発電がありません
• グリッド接続発電所の最大プラントサイズは10MWに制限されています。






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