太陽光発電の仕組みをわかりやすく解説！基礎知識やメリット・デメリットも紹介
最終更新日:2025.01.21 太陽光発電
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近年、環境への配慮や自家消費を目的として、住宅用太陽光発電を設置する一般のご家庭や企業が増えてきました。
太陽光発電が太陽の光で発電ができる仕組みだということは広く知られていますが、詳しい発電方法や仕組みについてはまだまだ知られていません。
人によっては、住宅用太陽光発電についてよくわからないために導入をためらっている方も多いかと思います。
そこで今回は、太陽光発電の仕組みと基礎知識について詳しく解説します。
これから太陽光発電の導入をしたいと考えている人や太陽光発電の仕組みや特徴を理解した上で検討を始めたい人などは、ぜひ目を通してみてください。
目次
太陽光発電で知っておくべき基礎知識
太陽光発電の仕組みを理解するためには、まずエネルギーと太陽光、電力といった3点について把握しておくことが大切です。
そこでまずは、太陽光発電で知っておくべき基礎知識として、エネルギーと太陽光、電力の意味と特徴についてわかりやすく解説していきます。
１：エネルギー
そもそもエネルギーとは、電気をはじめとしたさまざまな力のことです。
太陽光発電の場合には、電気のエネルギーや熱エネルギーなどをはじめとした、複数のエネルギーが関係しています。中でも注目すべきなのが、光エネルギーと電気エネルギーの2点です。
太陽光発電では、太陽から降り注がれている光エネルギーを太陽光パネルで吸収し、電気エネルギーへ変換する仕組みとなっています。そのため、光と電気エネルギーという点が、発電の仕組みやメリットなどを理解する上で重要といえます。
２：太陽光
太陽光発電では、太陽光も重要なポイントのひとつです。
太陽光とは太陽から降り注がれている日光のことです。日光の中に熱エネルギーや光エネルギーなどが含まれており、太陽光発電では光エネルギーを活用しています。
地球に降り注いでいる太陽光は1秒間に約42兆キロカロリーと膨大で、0.4％程度のエネルギーを活用するだけで日本の一次エネルギーをカバーすることが可能です。さらに、太陽光のエネルギーは半永久的に取り出せるため、今後のエネルギー・インフラを考える上で欠かせない資源といえます。
また、太陽光を太陽光発電に活用した場合、CO2を排出しません。環境という点で見た場合、化石燃料より負荷の少ないエネルギーです。
出典：「再生可能エネルギー普及の意義と本提言の内容」（環境省） （低炭素社会構築に向けた再生可能エネルギー普及方策について（提言））
３：電力・電力量
電力とは、1秒間（単位時間）に電気がどれだけ仕事を行えるかワット（W）で示したものです。また、電圧は、電流×電圧で求められます。
水と水車でたとえると、電流＝水の流れる量、電圧＝水を押し出す力、電力＝水車を動かす力といったイメージで考えることが可能です。
消費電力の高い家電製品は、より大きなエネルギーが必要ということです。また、太陽光発電の場合は、太陽光パネルのエネルギーを示す単位として電力（W）が使用されています。
具体的には、太陽光パネル1枚あたりの電力が、カタログなどに示されています。1枚あたり300Wであれば、瞬間的に300Wの力を出すことが可能です。電力が高い太陽光パネルは、その分少ない枚数でより多くの発電量を期待できます。
一方、電力量（Wh）は、電力をどれだけ使用したのか表したもので、電力×時間という計算式で求められます。
たとえば、1kWの太陽電池で1時間発電した場合は、1kWh×1時間＝発電量1kWhとなります。
電力と電力量の計算式と関係性を理解しておけば、太陽光発電の発電量やエネルギーを理解することが可能です。
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そもそも太陽光パネルとは？光を電気に変える仕組み
太陽光発電には、太陽光パネルという製品が搭載されています。住宅用太陽光発電を導入する場合は、自宅の屋根に固定した架台（太陽光パネルを固定するための土台）の上に太陽光パネルを設置します。
太陽光パネルの役割は発電です。
太陽光パネルには発電を行う太陽電池が組み込まれており、単結晶シリコン系や多結晶シリコン系、CIGS系などさまざまな種類にわかれています。中でも主流なのは、単結晶シリコンや多結晶シリコンといった、シリコン系の太陽電池です。
一般的なシリコン系太陽電池は、N型半導体とP型半導体という2種類の半導体を1つに接合（合わせている）しています。
太陽電池に光が当たると、以下のような流れで電気が発生します。
1．N型半導体に光が当たる
2．電子と正孔という物質が発生する
3．N型半導体に電子が集まり、P型半導体に正孔が集まる
4．それぞれの電極をつなげると電流が流れる
また、太陽光パネルから発電された電気は、直流の性質を持っています。家庭の電化製品や住宅設備などは交流の電気で作動するよう設計されているため、太陽光パネルから発電された電気をそのまま使用できません。
太陽光パネルの変換効率について
太陽光パネルにおける変換効率とは、太陽光パネルから吸収した光をどれだけ電気に変換できるのか％で表したものです。具体的には、1㎡あたりの変換効率をモジュール変換効率と呼びます。
モジュール変換効率の計算はモジュールの公称最大出力（Ｗ）×100÷モジュールの面積（㎡）×放射照度（Ｗ/㎡）という式で求められます。なお放射照度は1㎡につき1,000Wです。
太陽光パネルを構成するセル（太陽電池1個）1つあたりの変換効率は、セル変換効率と呼びます。セル変換効率の計算は、モジュールの公称最大出力（Ｗ）×100÷セル1つあたりの面積（㎡）×モジュール1つあたりのセル数×放射照度（Ｗ/㎡）という式で求められます。
変換効率は、太陽光パネルの性能を確認する上で重要な指標のひとつです。
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太陽光発電の仕組みとは？
太陽光発電の発電に関する仕組みは、以下の通りです。
1．太陽光パネルで太陽光の光エネルギーを吸収
2．太陽光パネル内の太陽電池で光を直流の電気へ変換
3．各パネルで発電された電気は接続箱で1つにまとめられる
4．接続箱からパワーコンディショナーへ送電
5．パワーコンディショナーで直流の電気を交流へ変換
6．パワーコンディショナーから分電盤を通して電気が分配される
7．各コンセントや住宅設備から自家消費したり蓄電池へ充電したりできるようになる
8．余った電気は売電・買電の電力量計を通して電力会社へ送電・売電される
太陽光発電システム（住宅用）は、太陽光パネルとパワーコンディショナー、接続箱、架台、配線ケーブル、太陽光発電用モニター、出力制御用機器などで構成されています。
架台とは、太陽光パネルを固定するための土台のことです。住宅用太陽光発電の場合は、自宅の屋根に架台を固定してもらいます。
そして、接続箱は、各太陽光パネルから発電された電気を1つにまとめる役割を担っており、複数のパネルを活用する上で欠かせません。
パワーコンディショナーは、直流の電気を交流へ変換したり発電量の最大化を含む制御関連を担ったりしており、特に重要な周辺機器のひとつといえます。つまり、パワーコンディショナーがあるおかげで、太陽光パネルから発電された電気を家庭用のコンセントや住宅設備で使用できるようになります。
太陽光発電でつくられる電気の量はどれくらい？
太陽光発電で発電される電気の量（発電量）は、太陽光発電協会（JPEA）によると出力1kWにつき年間約1,000kWhとされています。たとえば、出力5kWの太陽光発電を導入した場合は、年間5,000kWh程度の発電量を見込めます。
より具体的に計算した場合は、以下の計算式で求めることが可能です。
発電量の計算式は、年間の平均日射量（kWh/㎡/日）× 太陽光パネルの出力（kW）× 損失係数（一般的には0.7～0.8程度）× 365日という内容です。
実際の発電量は、日射量や太陽光パネルの出力だけでなく、パネルの傾斜や方角などでも変わるため、シミュレーションツールも活用しながら確認してみましょう。
太陽光発電でよく聞く「自家消費」「売電」「買電」とは
太陽光発電の運用時に見聞きする自家消費や売電、買電とは、電気の消費や売却、購入のことです。特に売電と買電は言葉が似ているため、混同しないよう注意しましょう。
まず買電は、電力会社から供給されている電気を消費＝購入する行動を指しています。つまり、家電製品を使用した場合は、その瞬間に買電しています。また、買電すればするほど、電気代の負担がかかります。
一方、太陽光発電における自家消費は、発電した電気を自宅の家電製品や住宅設備で消費する状態を指しています。電力会社から電気を購入していないため、買電とは異なり電気代がかかりません。そのため、電気代負担を直接削減することが可能です。
売電は、太陽光発電で発電した電気を電力会社へ売却した状態を指しています。売電すればするほど収益が得られるため、電気代の負担を間接的に軽減できます。
売電には、余剰買取と全量買取の2種類があります。余剰買取とは、発電した電気を自家消費したのち余った電気のみ売電可能な運用方式のことです。全量買取は、発電した電気を全て売電できます。
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太陽光発電と同時に用意すべき？蓄電池とは
太陽光発電を効率的に運用したいときは、蓄電池の導入についても検討した方がいいといえます。
中でも家庭用蓄電池は、電力会社から供給される電気もしくは太陽光発電の電気を充電・放電できる定置用蓄電池です。（定置用蓄電池：電力系統（電力会社の送配電網）に接続可能な蓄電池）
単に充放電の機能があるだけでなく、消費電力量や太陽光発電の発電量などに合わせて充電や放電（自家消費・売電）のタイミングなどを制御できます。そのため、日中に発電した電気のうち余った電気を貯めておき、夜間や消費電力量の多い時間帯に放電すれば、買電量をより削減することが可能です。
太陽光発電単体で運用する場合は、発電した電気をその場で自家消費しなければ売電もしくは損失してしまいます。そのため、自家消費で電気代を直接削減したいときは、蓄電池を併用するのがおすすめです。
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太陽光発電の発電効率は？
太陽光発電における発電効率は、太陽光に含まれるエネルギーをどれだけ電気へ変換できるのか％で表したものです。
つまり、太陽光発電全体（パワーコンディショナーや接続箱、配線ケーブルなど）で、光をどれだけ電気へ変換できるのか示したもので、メーカーのHPやカタログなどにも記載されています。
太陽光発電の発電効率は、一般的に20％前後で推移しています。
ちなみに前半で紹介した変換効率は、あくまで太陽光パネルの性能を示したもので、システム全体の性能を示すものではありません。変換効率と発電効率では、どの割合を示しているのかという点が異なります。
太陽光発電の発電効率に影響する主な要素
太陽光発電の発電効率は、太陽光パネルの性能や設置場所の環境などによって変わります。
太陽光パネルは、太陽光発電の発電量を左右する重要な機器で、発電効率にも影響を与える要素のひとつです。まず、変換効率が高ければ高いほど、発電効率の向上にもつながります。また、耐久性の高い太陽光パネルであれば設置直後の変換効率を保てるため、長期的に高い発電効率を維持することが可能です。
他には、太陽光パネル表面の汚れや影などが、発電量および発電効率を低下させてしまいます。設置後は、施工業者へ定期メンテナンス・清掃を行ってもらい、パネル表面の状態を良好に保てるようにしましょう。
設置場所の日射量などは、発電効率に影響を与える要素のひとつです。
以下に日射量を含む要素を紹介します。
● 太陽光パネルの設置角度、向き
●温度、パネルの表面温度
● 日射量
日射量（Ｗ/㎡）は、太陽光のエネルギー量を指す用語です。日射量が多ければ多いほど、その分発電効率を高められるため、電気代の効率的な削減につながります。
温度は、太陽光パネルの変換効率を左右する要素で、注意すべきポイントでもあります。なぜなら、太陽光パネルの変換効率は、表面温度が上がれば上がるほど低下していくからです。一般的には、パネルの表面温度25℃を超えたあたりから1℃上昇するごとに、発電量0.4％前後低下していく傾向です。
そのため、夏場の電気代削減効果は、温度上昇による発電量低下を見込んだ上で計算する必要があります。
また、太陽光パネルの設置角度や向きは、太陽光を効率よく吸収する上で重要なポイントです。効率よく光を吸収しやすい方角は南で、次いで南東・南西、東・西とされています。
理想的な設置角度については30度とされているものの、地域によって異なります。気になるときは、施工販売業者へ相談しながら準備を進めていきましょう。
太陽光発電の特徴とは？
太陽光発電の基礎知識や仕組みを把握したあとは、どのようなメリットやデメリット、注意点があるのか確認していきましょう。
太陽光発電は、環境に配慮されたエネルギーといった強みのほか、経済的な側面でメリットもあります。一方、費用面や発電の安定性などに注意点もあるため、それぞれの特徴を把握した上で検討を進めていくことが大切です。
太陽光発電のメリット・魅力
太陽光発電には、以下のようなメリットや魅力があります。
● 自家消費によって電気代を直接削減できる
●売電収入によって電気代の間接的な削減ができる
● 非常用電源としても活用できる
●環境負荷の少ない発電設備
近年、値上げ傾向の電気代負担を抑える上で、太陽光発電はメリットの多い設備といえます。まず、自家消費を行えばその分電気代を直接削減できるため、家計負担の軽減を見込めます。さらに、余った電気を電力会社へ売電した場合は、収益を得ることが可能です。電気代を含む光熱費にあてたり、その他家計負担の軽減に活用したりできるため、経済的メリットの大きなポイントといえます。
また、停電時には、自立運転モードへ切り替えるだけで通常通りに発電・自家消費を行えます。
化石燃料は不使用で、なおかつ発電時にCO2を排出しません。環境負荷を抑えたまま発電できるのは、脱炭素という点でも大きなメリットといえます。（脱炭素：二酸化炭素の排出量実質0を目指す取り組み、状態のこと）
より詳しいメリットについては、以下の記事を参考にしてみてください。
関連記事：【2024年最新】家庭用太陽光発電にメリットはある？デメリットや始め方についても解説 | エコでんち
太陽光発電のデメリット・注意点
太陽光発電には、さまざまなメリットがある一方、以下のようなデメリットもあります。
●初期費用の負担がかかる
● 発電量は天候に左右されてしまう
●売電収入に頼ると電気代削減効果が低下してしまう可能性
太陽光発電（住宅用）の初期費用は、経済産業省の「令和６年度以降の調達価格等に関する意見」によると1kWにつき28.4万円とされています。一般的な5kW程度の住宅用太陽光発電を導入した場合は、約142万円の費用がかかる計算です。費用負担が気になる方にとっては、デメリットに感じるところでしょう。
ただし、太陽光発電には補助金制度や初期費用負担0円のPPAサービスなどあり、費用負担を抑えながら導入することも可能です。
発電量に関しては天候に左右されやすく、変動してしまう点に注意が必要です。年間の発電量は、シミュレーションである程度計算できるため、収支の見通しを比較的立てやすいといえます。
また、運用時に気を付けるべきポイントのひとつが、売電収入です。住宅用太陽光発電では、FIT制度を活用して10年間余剰電力を固定単価で買い取ってもらえます。しかし、買取価格は年々下落しているため、後発組であればあるほど収益を伸ばしにくい状況です。
そのため、住宅用太陽光発電を導入する際は、自家消費＋蓄電池の併用をメインに検討してみましょう。
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太陽光発電の現在の普及状況と将来性
日本を含む太陽光発電の普及状況は、経済産業省の「今後の再生可能エネルギー政策について」によると以下の通りです。
【太陽光の総発電量に占める比率、各国の発電量（億kWh）】
| 国 | 太陽光の総発電量に占める比率 | 発電量 |
| 日本 | 8.3％ | 10,328億kWh |
| アメリカ | 3.4％ | 43,490億kWh |
| 中国 | 4.0％ | 85,010億kWh |
| イギリス | 4.0％ | 3,080億kWh |
| ドイツ | 8.5％ | 5,909億kWh |
| フランス | 2.7％ | 5,505億kWh |
| スペイン | 8.0％ | 2,709億kWh |
| インド | 4.4％ | 16,512億kWh |
アメリカや中国は太陽光発電の発電量が多いものの、総発電量に占める比率の低い状況です。
一方、日本の場合は、前述の２カ国より太陽光発電の導入率が高く、2位のドイツに対して約2倍もの水準です。また、国土面積に占める平地面積は13万k㎡（全体の34％）と他国より少ないものの、平地面積あたりの設備容量514kW/㎡と上記の中で最も多い状況です。
つまり、日本は、世界でも太陽光発電の普及が進んでいる国のひとつといえます。
太陽光発電の将来性については、今後も期待できる状況です。
まず、気候変動の原因として、二酸化炭素を含む温室効果ガスが挙げられています。
そこで世界では、解決策としてカーボンニュートラルを提唱しており、日本も同様の方向性で取り組みを進めています。カーボンニュートラルとは、CO2の排出量実質0を目指す取り組みや状態のことです。
再生可能エネルギーの太陽光発電は、火力発電と異なり化石燃料不要で発電できるほか、発電時にCO2を排出しません。そのため、日本は太陽光発電の導入を促進させる政策、支援などを行っています。また、住宅用太陽光発電に関しては自治体独自の補助金制度があり、費用負担を抑えながら導入を進められます。
出典：「今後の再生可能エネルギー政策について」（経済産業省）（052_01_00.pdf）
太陽光発電・蓄電池のことなら、エコでんち
エコでんちでは、環境省公的資格「うちエコ診断士」を取得したスタッフが、お客様のご要望に合った太陽光発電や蓄電池をご提案いたします。また、メーカー保証とは別に独自の自然災害補償10年、工事賠償保険・PL保険15年を付帯しているので、設置後のアフターサポートに関してもお任せください。
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太陽光発電の導入事例5選
エコでんちでは、太陽光発電や蓄電池を導入されたお客様からの声を公開しています。これから太陽光発電の検討を始める方などは、導入事例を参考にしながら調べてみるのもおすすめです。
そこでここからは、太陽光発電の導入事例を5つ紹介していきます。
シャープ 5.833kW
K様の場合は、シャープ製の太陽光発電システム5.833kW、蓄電池シャープ9.5kWhを導入しました。シャープ製の太陽光パネルには三角形タイプもあり、屋根形状に合わせて設置しやすいのがメリットのひとつです。導入後は、電気代を約1万円削減することできました。
カナディアンソーラー 6.18kW
T様は、カナディアンソーラーのCS6R-410MSを12枚、CS6RA-315MSを4枚、合計6.18kWもの設備を導入しました。また、長府工産のトライブリッド蓄電システム14.9kWhも併用されています。導入後は、夏場の電気代を1万円から1,000円台にまで抑えられている状況です。
カナディアンソーラー 6.56kW
K様は、出力6.56kWのカナディアンソーラー、蓄電池のニチコントライブリッド ES-T3S1/ES-T3L1、ES-T3M1/ES-T3X1、7.4kWhタイプを導入しました。トライブリッド蓄電システムは、一般的な蓄電池と異なり1台のパワーコンディショナーで太陽光発電と蓄電池、V2Hを制御できます。
長州産業太陽電池モジュール Bシリーズ 4.782kW
Y様は、長州産業太陽電池モジュール BシリーズのCS-223B81S /CS-109B81S /CS-109B81R、合計出力4.782kWもの太陽光発電と、家庭用蓄電池の長州産業スマートPVマルチ12.7kWhを導入しました。太陽光発電の導入後は、電気代3万円を8,000円程度まで抑えられています。
カナディアンソーラー5.67ｋW
N様は、出力5.67kWのカナディアンソーラーCS6RA-315MS、CS6RB-270MSと、家庭用蓄電池のニチコンES-T3M1、蓄電容量7.4kWhを導入しました。太陽光発電の導入後は、電気の使い方なども工夫したことで、電気代2万円台から6,000円台にまで負担が抑えられています。
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【まとめ】太陽光発電の仕組みを理解してお得に生活しよう！
太陽光発電は、光エネルギーを利用して発電する仕組みになっています。
そのため、ガソリンやガスなどの燃料は不要で、燃料コストのかからない発電設備です。また、CO2を排出しない再生可能エネルギーで、環境汚染が深刻化する今後はさらに太陽光発電が注目されていくでしょう。
発電した電気については、FIT制度の認定状況によって変わります。認定を受けている場合は、先に自家消費を行い、使いきれず余った電力を売電していく仕組みです。
FIT制度を受けていないもしくは適用期間が終了した場合は、発電した電気を全て自家消費したり余った電力を蓄電池に貯めたりしながら活用したりすることも可能です。また、新たに電力会社と契約し、卒FIT後も売電を継続できるようになっています。
光熱費の負担が気になっている方や停電時の電気をどう確保すべきか悩んでいる方は、今回の記事を参考にしながら住宅用太陽光発電を検討してみてはいかがでしょうか。
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