太陽光発電の特徴と利点 - 目指せ！電気主任技術者～解説ノート～

太陽発電には太陽の光および熱を利用する太陽光発電と太陽熱発電の二つがある。

これらの発電方式は無限のエネルギーを利用でき，かつ，環境を保全するクリーンなエネルギーである。

しかし，自然現象に依存しているため，そのエネルギー密度にかぎりがあり，かつ，天候によって大きな影響を受けやすい特徴をもっている。

本稿では，太陽光発電について述べる。

太陽光発電

地上に降りそそぐ太陽光のエネルギー密度は約 1 kW/m² である。

地球が受け取る太陽エネルギーの総量は，地球全体が快晴で，その 64 % が吸収されると仮定すると約 1.1 × 10¹⁴ kW となり，1 時間の太陽エネルギー量は，全世界の年間のエネルギー利用量を上回る大きな値である。

太陽光発電は，この太陽から地上へ到来する放射エネルギーを太陽電池（solar cell）で，直接，電気に変換して出力を得る発電方式である。

シリコンを原材料とする太陽電池セルの変換効率は，現状（2010年度）では最高 20 [%] 程度である。

太陽電池の電流電圧特性についても，短絡電流が日射強度にほぼ比例して増加する等，日射強度により変化する。

このため日射強度が変動した場合には，電圧・電流を変化させ太陽電池の発電出力を最大化する必要がある。

太陽光電池発電には，そのために太陽電池の直流動作電圧を最適化し，発電出力を最大化する最大出力追従制御を備えるのが一般的である。

変換効率に関しては，太陽光の幅広い波長分布をできるだけ広く利用して変換効率を向上させる多接合型太陽電池などの技術開発も進められている。

MPPT 制御

MPPT（Maximum Power Point Tracking）方式とは，和訳すると最大電力点追従となり，その名の示す通り，気象条件等の変化で常に変動する最適動作点を追従しながら動作する機能である。

太陽光発電システムの構成

発電が可能な太陽電池（solar cell）*1の最小単位をセルといい，結晶系シリコン太陽電池では 1 枚の太陽電池セルの出力電圧は約 0.5 V である。

太陽光発電に用いられる太陽電池で最も多く使われているのは多結晶のシリコン系半導体で太陽電池全体の約 65 [%] を占めており，そのエネルギー変換効率はバルク状の太陽電池セルで 14 から 18 [%] 程度である（平成17年度に出題された数値）。

太陽電池を接続して必要な電圧が得られるように加工したものが太陽電池モジュールで，設置する場合の最小単位となる。

数十枚のセルを直並列に接続した必要な出力を得るが，これをモジュールといい，製品として流通する単位となる。

モジュールに直列に接続したものをストリングといい，これが並列に接続されてインバータへ直流電力を供給する。

一部のセルが木の葉などで日陰になると発電しなくなり高抵抗となる。

ここに電流が流れると発熱しモジュールを破損することがあるので，バイパス素子を設けて防止する。

太陽電池モジュールの絶縁性能

太陽電池モジュールは，次のいずれかに適合する絶縁性能を有すること。

最大使用電圧の 1.5 倍の直流電圧又は 1 倍の交流電圧（500 [V] 未満となる場合は，500 [V] ）を充電部分と大地との間に連続して 10 分間加えたとき，これに耐える性能を有すること。

使用電圧が低圧の場合の絶縁性能は，次によること。

日本工業規格 JIS C 8918 (1998)「結晶系太陽電池モジュール」の「6.1 電気性能」（JIS C8918 (2005)にて追補）又は日本工業規格 JIS C 8939 (1995)「アモルファス太陽電池モジュール」（JIS C8939 (2005)にて追補）の「6.1 電気的性能」に適合するものであること。
電路の電線相互間及び電路と大地との間の絶縁抵抗は，開閉器又は過電流遮断器で区切ることのできる電路ごとに，次の表の左欄に掲げる電路の使用電圧の区分に応じ，それぞれ同表の右欄に掲げる値以上でなければならない。

電路の電線相互間及び電路と大地との間の絶縁抵抗
電路の使用電圧の区分		絶縁抵抗値
300 [V] 以下	対地電圧（接地式電路においては電線と大地との間の電圧，非接地式電路においては電線間の電圧をいう。）が，150 [V] 以下の場合	0.1 [MΩ]
300 [V] 以下	その他	0.2 [MΩ]
300 [V] を超えるもの		0.4 [MΩ]

インバータ

太陽電池アレイから直流電力の利用に適した交流電力に変換する。

インバータは直流を交流に変換する役割を担い，現在稼働している太陽光発電の系統連系用途としては，IGBT が半導体スイッチとして最も多く用いられている。

インバータの制御に際しては，電力系統との連系点における有効・無効電力がそれぞれ目標値となるように交流側電圧が生成されている。

例えば無効電力出力は，インバータ出力点と連系点の電圧の大きさの差に大きく依存する。

系統連系装置

スイッチ機能，電力系統からの侵入サージのブロック，事故時の保護機能をもつ。

パワーコンディショナ

インバータと系統連系装置は通常一つにまとめられ，パワーコンディショナ（PCS）と呼ばれている。

パワーコンディショナは太陽光発電システムの運転と制御を行うが，異常発生時の保護リレーとして過電圧リレーなどが備えられている。

系統連系

太陽光発電を配電系統と接続する場合，太陽電池で発電した電力は直流なのでインバータで交流に変換し，系統保護装置を通してから系統に接続する。

この発電した電力が系統に送られることを逆潮流という。

太陽光発電は天候によりその出力が大きく変動するため，系統に接続する場合には注意が必要となる。

特に容量の小さい配電系統への接続では，配電系統の電圧変動に注意を払う必要がある。

低圧連系のこの装置には，受動的方式と能動的方式の単独運転検出装置を備えることになっている。

このうち，受動的方式は，一般に高速性に優れているが，不感帯領域がある点や，急激な負荷変動等による不要動作を避けることに留意する必要がある。

また，広範囲の瞬時電圧低下や急激な周波数の変化等により太陽光発電が一斉に停止又は解列すると，系統全体の電圧や周波数の維持に大きな影響を与える可能性があるため，そのような場合にも運転を継続できる能力が要請されている。

今後，供給力に占める太陽光発電の比率が一層増加すると同期化力が低下するため，電力系統における過渡安定性の対策が求められる。

電圧に関する考慮事項

低圧配電線に連系された太陽光発電設備の出力が，低圧需要家の消費電力を上回ると，電力は系統側へ流れる。

このため，低圧需要家の電圧が上昇し，電気事業法で定められた適正値（例えば，標準電圧 100 [V] に対しては 101 ± 6 [V] 以内）を逸脱するおそれがある場合には，太陽光発電設備の出力抑制や配電線の増強等が必要となる。

また，太陽光発電設備が単独運転となった場合には，当該設備を解列することになっている。

周波数に関する考慮事項

太陽光発電の出力は，天候に大きく左右されるが，この出力変動が，電力系統の負荷変動に加わると，系統周波数がさらに変動することになる。

わが国では，標準周波数からの偏差を ± 0.1 ～ 0.3 [Hz] 以内に維持するよう，数分から十数分の周期の変動に対しては，大容量貯水池式水力あるいは大容量火力等による負荷周波数制御を行っているが，太陽光発電設備が大量に系統連系される場合には，こういった周波数調整力の確保が課題となってくる。

electrical-engineer.hatenablog.jp

太陽電池発電設備の保安

電圧 600 V 以下，合計出力 50 kW 未満であって，同一の構内に他の発電設備がない太陽電池発電設備は，小出力発電設備である。
上記 1. の太陽電池発電設備のうち，電気事業法で定める一般用電気工作物に該当する太陽電池発電設備の設置者は，主任技術者の選任は必要でない。
上記 2. に該当しない太陽電池発電設備は，事業用電気工作物となるため，その設置者は保安規程の策定・届出，及び主任技術者の選任が必要であるが，出力 2 000 kW 未満であって，電圧 7 000 V 以下で連系されている自家用電気工作物の場合には，主任技術者の業務を，経済産業大臣又は産業保安監督部長の承認を得て，外部に委託することができる。