太陽電池の仕組みや種類、用途とは?太陽エネルギーに必要な電池

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“エネルギー”は私たちが生活するために必要不可欠なものです。
現在、日本ではほとんどのエネルギーを化石燃料から得ています。
しかし、化石燃料には資源に限界があるので問題になっているのです。
そこで、新しいエネルギーとなる「太陽電池」の仕組みについて説明します。
今あがっている問題を解決できる太陽電池には、一体どのような種類、用途があるのでしょうか。
これから、太陽電池の仕組み、種類、効率や寿命など詳しく説明していきます。
太陽電池について知りたい人はぜひ参考にしてください。

  1. 太陽電池の仕組み
  2. 太陽電池の種類
  3. 太陽電池の効率やコスト
  4. まとめ

1.太陽電池の仕組み

資源に限界のある化石燃料はさまざまな問題があがっています。
問題点を解決してくれるのが「太陽電池」です。
それでは、太陽電池の仕組みについて詳しく見ていきましょう。

1‐1.太陽の光をエネルギーに換える「変換素子(へんかんそし)」

石炭や石油を使用した化石燃料や原子力には、環境破壊・資源の限界など懸念(けねん)材料がたくさんあります。
日本は資源に豊富とは言えません。だからこそ、自然の力を利用した「自然エネルギー」が必要になります。
太陽電池は自然エネルギーの1つ「太陽エネルギー」をつくるためのものです。
太陽電池がなければ太陽エネルギーを得ることはできません。
太陽の光を吸収してエネルギーに変える「変換素子(へんかんそし)」の役割を持っているのです。
主に、太陽電池はシリコンと言った“半導体”で構成しています。
半導体に太陽光が当たると反応して光をエネルギーに変換するのです。

1‐2.太陽電池は「半導体」がポイント

太陽の真下にい続けると徐々に熱くなっていくでしょう。
通常の物質に太陽光が当たると熱を生み出します。
熱になったエネルギーは空気や周囲にあるものに伝わっていくのです。
よって、アスファルト道路も太陽光で熱くなります。
一方、太陽電池はまったく異なる仕組みです。
太陽電池は太陽のエネルギーが熱に変わる前に電力として有効活用します。
太陽電池の仕組みは「半導体」が大きなポイントです。熱に換わる前、瞬間的に光から電力へとシフトします。
基本的に、太陽光が当たっているときしか太陽電池は発電しません。
また、太陽電池は充電する必要もないです。とても環境にやさしい発電方法と言えるでしょう。

1‐3.「電子」と「光」の関係

太陽電池についてもっと詳しく掘りさげていきましょう。
私たちのまわりにある物質には「電子」が存在しています。
物質に含んでいる電子の数は非常に多いです。電子は光に敏感な性質を持っています。よって、電子が光を受けると反射・吸収するのです。
光のエネルギーを吸収した電子はエネルギーを周囲にばらまこうとします。ばらまいたエネルギーは熱になって物質を温めるのです。
以上の「電子」と「光」の関係が太陽電池に大きく働いています。
半導体で構成した太陽電池に光が当たると、電子がエネルギーを吸収するでしょう。
そして、放出するエネルギーを電気回路に押し出します。
まさに、電子を押し出す力が“電力”です。
太陽電池は電子と半導体の力を上手に利用している方法になります。

2.太陽電池の種類

2‐1.太陽電池の大きさ

太陽発電所は日本各地に存在しています。
発電所は太陽電池の中でも非常に大きいタイプです。
基本的に、太陽電池の大きさは設置する場所によって異なります。
太陽電池が大きければ大きいほど、たくさんのエネルギーを得ることができるのです。太陽電池の中での最小単位は「セル」と呼ばれています。
シリコンの薄い板でできているものです。
標準の状態における太陽エネルギーは、10cm×10cmのセル1枚でおよそ0.5V、3Aになるでしょう。
セルの面積は電流、直列数は電圧に比例しています。
よって、セルの数・直列によって目的ごとに異なる太陽電池が構成できるのです。
セルを何枚かつないだものを「モジュール」、さらにモジュールを並べたものを「アレイ」と言います。

2‐2.種類によって特徴・用途が異なる

太陽電池にはさまざまな種類があります。
最も古くからある太陽電池と言えば「単結晶シリコン太陽電池」でしょう。
単結晶シリコン太陽電池は高い性能を持ち、熱交換率を必要とする場合に使います。
現在、最も使用率が高いのは「多結晶シリコン太陽電池」です。
単結晶とは違い、細かいシリコン結晶がたくさん集まっています。
熱交換率も非常にいいのでさまざまな場面で使用しているでしょう。
多結晶シリコン太陽電池の中でも、理想どおりのモジュールが構成しやすい「球状シリコン太陽電池」など種類が豊富です。
そして、自由なデザイン、量産可能な「GIGS系太陽電池」、製造が簡単な「色素増感太陽電池」などさまざまな種類があります。
以上のように、種類によって特徴・用途が異なるので要チェックです。

3.太陽電池の効率やコスト

3‐1.太陽電池の用途と効率

太陽電池の用途は非常に幅広いです。
発電所だけでなく、電卓や腕時計、道路標識、街路樹、携帯電話の充電器など私たちの身のまわりにあるものも太陽電池を使用しています。
また、地球の環境を守るために「温室効果ガス排出量削減用」として使うケースもあるのです。
時間帯によっては電力が足りなくなるときもあるでしょう。そこで、「需要ピーク時の補助電力用」として太陽電池を使います。
ほかにも、可搬式・非常用電源、山岳・海洋地帯の観測機器、宇宙ステーションまで用途はさまざまです。
エネルギーを電力に交換するパーセンテージを「熱交換率」と言います。
交換率が高ければ高いほど大きい電力を得ることができるでしょう。
基本的に、太陽電池の効率は種類によって異なります。
さまざまな企業や機関で研究が続き、CIS系薄膜太陽電池においてはおよそ22.3%を達成しました。
これから、少しずつ効率が向上していくでしょう。

3‐2.太陽電池のコスト

太陽電池のコストは非常に高いイメージがあるでしょう。
確かに、昔は太陽電池を設置するだけで多額の費用が必要でした。2008年時点では1kW当たり数千万円もかかったのです。
しかし、近年は太陽エネルギーの注目度が高くなりつつ、コストは低くなってきています。
自然エネルギーを広めようと自治体や国でもさまざまな取り組みが始まっているようです。
平成25年度までは、経済産業省からの補助金が出ていました。
また、太陽電池の設置によって余った電力は電力会社に売ることができます。
平成27年度では1kWhあたりおよそ33円で売却できました。
設置費用はある程度必要になりますが、長期的に考えると非常にお得です。
定期的にメンテナンスをしていけば寿命も長くなるでしょう。

4.まとめ

太陽電池の仕組みや種類、用途と効率、コストについて説明しましたが、いかがでしたでしょうか。
自然エネルギーの1つである太陽エネルギーには太陽電池が必要不可欠です。
「半導体」で構成している太陽電池が太陽の光を吸収して電力に変換します。
太陽電池の大きさや種類によって設置場所、用途、目的が変わるでしょう。
効率的に太陽電池を活用するには、それぞれの特徴を把握しておかなければなりません。
日本はエネルギーとなる資源にとぼしいので、太陽電池などの自然エネルギーが今後を支えてくれるでしょう。
太陽電池は今後も注目度があがる発電方法と言えます。
電気工事施工管理技士を目指している人は、太陽電池の仕組みをきちんと理解しておいてください。

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