太陽光発電

太陽光発電（たいようこうはつでん、またはソーラー発電、, Solar photovoltaicsWhat is Solar Photovoltaics (PV)? | CanSIA、略してPVともいわれる）は、太陽光を太陽電池を用いて直接的に電力に変換する発電方式である。大規模な（特に設備容量が1メガワットを超える）太陽光発電所は「メガソーラー」とも呼ばれる。再生可能エネルギーである太陽エネルギーの利用方法の1つである。

概要 250px|thumb|ISSの太陽電池パネル 250px|thumb|灯台の電源として用いられる太陽光発電設備技術的特徴として、発電電力量が日照（気候・天候や季節、地形による差が大きい）に依存し不随意に変化する一方、昼間の電力需要ピークを緩和できる。さらに火力発電では不可避の化石燃料消費量と温室効果ガス排出量をともに削減できる。放射性廃棄物の処理や事故が起きた場合の汚染被害といった課題を抱える原子力発電への依存度を下げる手段としても活用されつつある仏、太陽光発電に3兆円原発依存率引き下げへ産経新聞ニュース（2017年12月12日）2018年4月20日閲覧。さらに、発電装置はパネル状なので屋上にも設置でき、本来であれば太陽光発電専用の敷地を必要としない。一方、メガソーラー式では太陽光発電専用の敷地を用意している。発電量を最大化するためには、太陽光が直角に当たるような最適傾斜角に合わせてソーラーパネルを設置する必要があるが、太陽光の角度は1年を通して変化するため、可動式の機構を設けない限りは、年平均の最適傾斜角に合わせる必要がある。

設備は1つ目として太陽電池、2つ目は電力として利用するために必要な電圧及び周波数を変換するインバータ（パワーコンディショナー）で構成される。発電が行われる時間帯・地域と電力需要が異なる場合には、蓄電池も組み合わせて調整される。

開発当初は極めて高価で、宇宙開発等限られた用途に使われた。近年は発電コストの低減が進み、年間数十ギガワット単位で導入されるようになった（太陽光発電の市場動向を参照）。今後コスト低減や市場拡大が続くと見込まれIEA, Energy Technology Perspectives 2010, Chapter3, Table 3.2 - 3.5 、各国で普及政策が進められると同時に、貿易摩擦に発展する例や、価格競争で倒産する企業が見られる。

国際エネルギー機関（IEA）は太陽光発電が今後10年の再生可能エネルギーの供給拡大を牽引すると予想している。ビロル事務局長は「太陽光が世界の電力市場の新たな王様になるとみている」と述べている。

長所装置発電部（セル）に可動部分が無くソリッドステートであるため、原理的に機械的故障が起きにくい（太陽電池#原理を参照）。規模を問わず発電効率が一定なため小規模・分散運用に向く。発電時に廃棄物、排水・排気、騒音・振動が発生しない。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Solaranlagen liefern Spitzenlaststrom, Statement Prof. Bruno Burger, Fraunhofer ISE, Freiburg, Juni 2011 （ドイツにおける太陽光と風力発電の発電実績の例（独語））。設置位置屋上に設置できるため、専用の敷地を必要としない需要地に近接設置が可能で送電コストや損失を最小化できる。蓄電池の利用で、非常用電源となりうる。運搬・移動に適した小型製品がある。他の発電方式と比較し設置制限が少ない。建築物の屋根や壁面に設置でき土地を占有せずに設置可能。社会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せず、エネルギー安全保障上で有利（#エネルギー収支を参照）。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（#温室効果ガス (GHG) 排出量を参照）。

短所装置送配電系統へ連結する場合、直流から交流へ、及び必要な商用電源周波数へ変換するためのインバータ装置が必要。コスト発電電力量当たりのコストが他の発電方法より割高である（#発電コストを参照）。設置面積当たりの発電電力量が、集中型発電方式に比べて低い。発電電力量に関してスケールメリットが効かず、規模を拡大しても発電効率が変わらない（コストにはスケールメリットがある）。夜間には発電できず、昼間も天候等により発電電力量が大きく変動する出力変動と緩和策（産総研太陽光発電工学研究センター）。発電環境高温時に出力が落ちる実環境における発電量（産総研太陽光発電工学研究センター）（太陽熱発電と逆の特性。温度の影響参照）。影やパネルの汚れ、火山灰、降雪等で太陽光を遮蔽されると、電力出力が落ちる住宅用太陽光発電システム Q&A、三洋電機（メーカー解説例、2011年6月27日閲覧）荒尾博、失敗しない家づくり教室第28回太陽光発電と日影規制、日経住宅サーチコラム、2011/3/2（解説記事例）。また、影はパネル全体にかからなくとも、部分的に影になるだけでも発電効率は大幅に低下する。

環境十分な発電量を得るためには広い面積の土地が必要であり、景観・自然環境への影響や災害リスクの増大が懸念される。具体的には、発電施設建設のため森林が伐採されることなどによる動植物の生息環境悪化や土砂災害の危険性が指摘されている。人家近くに設置された場合、パネルで反射された太陽光による光害や熱中症が引き起こされる【関西の議論】「太陽光パネルで熱中症」〝室温52度〟わが家は地獄に変わった!?再生可能エネルギーは迷惑施設なのか産経WEST（2016年1月19日）2018年4月20日閲覧。火災等で設備が破損した場合、日中はもちろんのこと夜間であっても、炎の光で発電が継続されてしまうため、設備が新たな発火の原因になったり、放水による漏電で消火作業中の消防隊員が感電したりする恐れがある。なお、消防隊員が残火確認中に感電した事例も報告されている消防庁消防研究センター「太陽光発電システム火災と消防活動における安全対策」消防庁、2014年3月独立行政法人産業技術総合研究所太陽光発電研究センターシステムチーム「太陽光発電火災発生時の消防活動に関する技術情報」独立行政法人産業技術総合研究所、2014年2月。このため消火作業・鎮火宣言が遅れることがある。太陽光パネルの損壊部から、鉛やセレン等の有害物質が流出し、土壌汚染を招く危険がある太陽光発電設備の廃棄処分等に関する実態調査、総務省、平成29年9月。破損したパネルを処理する場合は、排出事業者が処理責任を負う廃棄物処理法第3条。設置者は、感電の危険性や有害物質流出についての注意喚起し、災害時には安全のために立ち入り禁止としたり、破損部をシートで覆う等の危険防止策が必要となる熊本地震により被災した太陽光発電設備の保管等について、環境省通知、平成28年5月16日。経年劣化（後述）は避けられず、環境省の「太陽光発電設備のリサイクル等の推進に向けたガイドライン」によると、太陽光パネルの製品寿命は約25～30年とされる。日本国内だけでも2030年代以降、年間数十万トンの産業廃棄物が生じるものと推測されている。気温の上昇 thumb|ヒートアイランド各種対策導入後の気温差グラフ都市部ではヒートアイランドの原因になる可能性がある。ソーラーパネルの設置により、パネルの両面から大気へと顕熱輸送が生じるため、パネルが無い場合に比べて周囲の気温が高くなる可能性がある。太陽光パネルによる影のひさし効果を期待する意見もあるが、実際には屋上とパネルは離れており、屋上面積が2倍になるのと等しく放熱面積もパネルの裏表からの2倍となりパネル設置前よりも温度は上昇する。そのため大規模に設置された場合、気温を上昇させる可能性がある。火災火災時の消火が困難である。太陽光発電は光があたると自然に発電するため、通電を止めることができずに、消火時の水を通して消防隊員が感電するおそれがある。パネルの表面は滑りやすく隊員が屋根で消火活動する際に滑落の危険性がある。そのため、感電しないように噴霧注水ないし遠くからの棒状注水を行う、高い絶縁性能を持つ手袋及び靴を着用するなどの工夫が要るが、不可能というほどでもなく日本で消火の妨げになったことはないと言われていたが、2024年3月におきた鹿児島県伊佐市のメガソーラー火災では、放水すると感電や爆発の恐れがあるとして消火活動はされず自然鎮火するのを待つことしかできず鎮火まで20時間以上を要した、また同年4月宮城の火災でも直接の放水ができず鎮火に22時間を要するなど、どちらも直接放水が困難で鎮火に時間を要している。また、配線の損傷によりアーク放電が発生し、延焼を広げる可能性がある。感電リスク低減対策として、遮光して発電量を落とす事が必要とされる。方法として、遮光のあるシートなどで覆う方法や、黒色の水性ポリマーなど遮光性の塗料を吹きかける放射器などが開発されている。しかし、塗料は表面が濡れていると定着しにくいことや、遮光シートは作業に手間がかかることなど課題もある。電波障害パワーコンディショナ（GCPC）及びパワーコンバーター（DDPC）から発生した電波が無線機器に干渉し電波妨害や障害を起こす可能性がある。国の対応としてIEC（国際電気標準会議）に妨害波許容値設定モデルの提案をしている。

設置場所制約が少なく、腕時計から人工衛星にも用いられる。屋上、若しくは、地上に直接設置でき、太陽光を十分に受けられパネル重量に耐えられる場所であれば、建物の屋根や壁など様々な場所に設置可能である公共施設における導入事例(JPEA)Photo Gallery of PV-installations (IEA PVPS)。

軽量柔軟なフレキシブル太陽電池では、重量や接地面形状の制約も減少するフレキシブルなアモルファスシリコン太陽電池の例（富士電機システムズ株式会社F-Wave）。剛性があるパネルであっても通常の半分程度まで軽量化し、耐荷重の制約を減らした製品も開発されている独自の軽量ガラスを活用してメガソーラー、屋根に負担をかけずにパネルを設置、ITMedia スマートジャパン、2012年10月02日。

前述のように、人家近くや緑地を除去しての建設には弊害が大きい。波が穏やかな内水面に設置したり東京センチュリーと京セラ、千葉・市原に国内最大規模の水上メガソーラー『日刊工業新聞』2018年3月21日（2018年4月19日閲覧）、海外では砂漠に建設したりする例もある丸紅のUAE太陽光天然ガスより安く、発電コスト2円台日本経済新聞ニュースサイト（2017年6月19日）2018年4月20日閲覧。スイスでは鉄道の線路に設置する実証実験もされている。

太陽光発電を他のインフラや農地と共同で土地利用することや、送粉者に配慮した設置方法により、土地利用の競合という短所を回避し、長所に変えられることが指摘されている。

装置構成 thumb|right|300px|住宅用太陽光発電設備(系統連系型)の構成例主に以下の要素で構成する太陽光発電協会編 (2011) Solar Cells and their Applications Second Edition, Lewis Fraas, Larry Partain, Wiley, 2010, ISBN 978-0-470-44633-1 , Figure 10.2。

太陽電池架台接続箱パワーコンディショナー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）（チャージコントローラー）（蓄電池）集光型ではフレネルレンズや放物面鏡などサムネイル|168x168ピクセル|南中高度の変化に応じる不動型焦線集光太陽電池からの電力は接続箱経由で取り出す。独立型での接続箱とインバータやパワーコンディショナーとの間には直流側開閉器が備わる。系統連系型の接続箱とパワーコンディショナーとの間にも直流側開閉器があるが、送電網につながる分電盤との間に交流側開閉器を備える。（余剰電力を）売電する系統連系型設備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げる（全量を売電する系統連系設備では、太陽電池に繋がる配線と建物内配線を分離する）。

未電化地域や宇宙、遠洋・離島などの遠隔地や道路標識等の小電力用途では系統に繋がず、蓄電池や他の電源を組み合わせた独立型や独立蓄電型で構成される。

一般住宅用の系統連系型では高価な大型蓄電池の設置は稀であるが、災害等での停電時に電力供給を可能とする家庭用大型蓄電池製品も存在する住宅用大容量蓄電池をパナソニックが製品化、容量1.6kWhと3.2kWh。アットマークアイティ・モノイスト2011年10月。ドコモが太陽光蓄電システム家庭向け10万円以下。2012年にも発売。日経新聞、2011年10月27日。。独立蓄電型に商用電力を常時併用し災害停電発生時に必要最小限の電力を連続供給する大型のUPSが発売された信越電気防災ソーラーUPS。

発電コスト 200px|right|thumb|欧州での太陽光発電の発電コスト見通しSolar Photovoltaics competing in the energy sector - On the road to competitiveness, EPIA, Sep 2011, Figure 7 thumb|200px|設備容量あたりの各種発電所建設単価予測 (2050年) 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。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ロビンス (2005), pp. 131-132.Solar Revolution / The Economic Transformation of the Global Energy Industry, Travis Bradford, The MIT press, ISBN 978-0-262-02604-8。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。

設備導入費用の内訳は太陽電池モジュール（パネル）以外の工事・流通・周辺機器の割合が比較的大きく、日本国内では2011年時点でパネル製造費割合が2割程度とされるAn Economic Analysis of Photovoltaics Versus Traditional Energy Sources: Where Are We Now and Where Might We Be in the Near Future?, Michael Woodhouse, Ted James, Robert Margolis, David Feldman, Tony Merkel, Alan Goodrich, NREL/CP-6A20-50714, July 2011。

発電設備自体のコスト以外では火力発電や原子力発電の発電電力量の削減を進めるに伴い、需要と供給の各種変動ギャップを埋める費用発生も見込まれる。風力発電等の電源も関連する。スマートグリッド等の総合的な対策が各国で検討推進されている経済産業省、スマートグリッド・スマートコミュニティ（関連情報の集積ページ例）SmartGrids Technology Platform（欧州のスマートグリッド開発推進機構）A Vision for the Modern Grid(NETL) U.S. Energy Independence and Security Act of 2007。

開発当初は高価で用途も人工衛星等に限られたが桑野 (2011), pp. 38, 89.、経験曲線効果に従い価格が低下したSolar Photovoltaics competing in the energy sector - On the road to competitiveness, EPIA, Sep 2011, Figure 3,4。現時点でもコストが比較的高く普及促進に助成が必要とされる国や地域もあるがIEA, Deploying Renewables 2011 、条件の良い地域では既にグリッドパリティが達成されているNew Study: Solar Grid Parity Is Here Today, Greentech Media, Dec 7 2011。2024年には、風力発電と共にコスト（均等化発電原価）が最も安い発電手段になっている。

グリッドパリティ達成はモジュール価格で1ドル/Wp以下が目安とされた。2012年時点でパネルの種類によっては0.5 - 0.9ユーロ/Wp前後になっているCurrent price index of solar PV modules, SolarServer.com。更なるコスト低減を表明する企業もあるFirst Solar analyst day post-mortem, Part I: 52 cents manufactured cost per watt seen by 2014, PV-tech.org, 30 June 2009。

フランス・ドイツ・イギリス等で2020年までに順次既存の火力発電とコストで競い始めると予測されている, Figure 12。また、米国の好条件地域では、2012 - 2014年頃に天然ガス等の発電コストよりも安くなり始めると予測されているGTM Research, Cost and LCOE by Generation Technology, 2009 - 2020, P.5。

日本では補助金が中断した2005年頃から一時的に価格が上昇したがIEA PVPS, Indicative module prices in national currencies per watt in reporting countries、2008 - 2009年にかけて普及促進政策が施行されてからは低減を再開した家電Watch、藤本健のソーラーリポート再生エネ法成立でソーラー市場が一気に拡大〜2020年までに発電コストは商用電力以下に、2011年8月。さらに、2012年7月に施行された再生可能エネルギー特別措置法に基づく固定価格買い取り制度によりなっとく！再生可能エネルギー|資源エネルギー庁、「メガソーラー（大規模太陽光発電所）」に代表される産業用の太陽光発電の導入が進み、コストの下落が加速した太陽光発電の未稼働案件｜固定価格買い取り制度｜なっとく！再生可能エネルギー。

蓄電池を用いる独立型システムについても、今後の価格低下と途上国での普及拡大が予測されているW.Hoffman(EPIA),R.Kubis(EUROBAT),The role of Energy Storage in the future development of photovoltaic power, Intersolar, 12 June 2008。

経済産業省によると、個別の発電では太陽光のコストは低いものの、出力の変動をカバーするために火力との連動が必要なことから総合的なコストでは太陽光のコストが最も割高になると試算された。他にコストを押し上げる理由として、規制を逃れるために大規模な太陽光発電所を50kW未満の低圧システムに分割する「分割案件」が横行していることがあげられている。

2021年において日本の太陽光発電のコストは1キロワット時13.5円（1ドル＝114円換算）である。これは5円の中国や6.5円のアメリカの2倍以上である。フランスとドイツはそれぞれ7.3円と7.6円でありいずれも日本より大幅に安い。日本は平地が少ないために整備費が嵩む傾向にある。

利用形態独立蓄電

発電した電力を二次電池に蓄電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の発電で電力供給する場合利用する。系統連系に比べ蓄電設備にかかる費用・エネルギー・CO排出量が増加するが、外部からの送電費用が上回る場合のほか、移動式や非常用電源システムで用いる。消費電力が少なく送電網から遠い場合にメリットが大きいが、送電網に近くても送電電圧が高い場合には変電設備よりも独立電源設備が安いことがある。一般向けに、小型の最大電力点追従制御機能(MPPT)と自動車用バッテリーで構築する製品も市販されているhttp://www.morningstarcorp.com/。

携帯用小型機器電卓・懐中電灯・腕時計など消費電力の少ない携帯機器を電池交換や充電せずに利用するために小型の太陽電池が内蔵されている。小型一次電池が比較的高価なためコスト面で有利である。未電化地域での電源。送電網がない地域の照明や家電の電源。移動時の電源ソーラープレーンやソーラーカー・電気自動車の電源。砂漠移動時の電源ラクダに積む場合がある。船舶の補助電源 2008年から日本郵船と新日本石油（現：ENEOS）が自動車運搬船で実証試験を行った海での取組み、日本郵船。2012年には商船三井、三菱重工業、パナソニックがリチウム蓄電池付きシステムを搭載した自動車運搬船を進水させた航海中に太陽光で充電最新鋭の自動車運搬船公開、MSN産経ニュース2012年6月25日。宇宙空間での電源人工衛星や太陽から近い所を飛ぶ探査機で利用。小規模電源庭園灯や街路灯や駐車券発行機などメンテナンスや配線のコスト削減のために利用。ポータブルバッテリーへの蓄電。非常用電源。無線通信網の中継局や航空管制局http://www.pvsystem.net/mongolia/mngpvabs2.html 軍用・アウトドア用の可搬式電源自動車の換気用電源SolarElectricalVehicles ハイブリッド車に太陽電池を装備新型プリウスオプション装備に京セラの太陽電池パネル、日経トレンディネット2009年05月20日。灯台用電源海上保安庁は灯台への太陽光発電の設置を進めている灯台にも太陽光発電とLED…長崎、読売新聞2012年2月10日常神岬灯台。

系統連系 thumb|right|220px|集合住宅での利用例電力会社の送電網に同期接続する形態が系統連系である。送電網が近傍にある場合は、売電するために系統連系して利用する場合が多い。太陽電池モジュール→パワーコンディショナー→商用電線路という接続形態を取る。再生可能エネルギーの固定価格買取制度（FIT制度）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（平成二十三年八月三十日法律第百八号）最終改正：平成二七年九月一一日法律第六六号。なお改正案が平成28年2月9日に閣議決定され国会に提出されている（平成29年4月1日施行予定）。では発電量が設置場所での利用量を上回る分を電力会社に供給する（売電）。電力を送電網に送ることを逆潮流と呼ぶ。夜間や悪天候時に発電量を利用量が上回ると系統側から電力供給する。一般に独立型より発電規模が大きい。独立蓄電型のような大容量の蓄電設備が不要であり、その分、発電量あたりのコスト・温室効果ガス（Greenhouse Effect Gas：GEG）排出量・ライフサイクル中の投入エネルギーが独立型より小さい。

出力変動天候や気温で出力変動し曇天・雨天時は晴天時より大幅に発電量が低下し、夜間は発電できない。大規模な系統連系では変動が速すぎると他の電源による調整が追いつかない恐れがあるとされる。

比較的短い周期（数秒-数十分）の変動分散型電源では大規模化と分散化により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り、これをならし効果と呼ぶ。ある程度の導入量まで問題ないとされる出力変動と緩和策（産業技術総合研究所）。米国での調査では特別な対策をしなくても系統負荷の3割以上の設備容量を系統連系可能としロビンス (2005), p. 261.、過去の大規模な実証試験で変動を電力網側の調整余力で対応でき送電網全体で送電コスト低減によるメリットが上回ると報告されているロビンス (2005), p. 300 など。。さらに連系する容量が増加すると変動対策が必要になるとされる。将来的にスマートグリッドなど系統全体の包括的対策が必要とする。比較的長い周期（数時間-数日）の変動導入量が少ない段階では大きな心配はないとされる。昼間の電力が余ると余剰分の調整が必要である。独立型設備で電力を太陽光発電に頼る場合はバッテリーを追加して需給の差をバッテリー容量の範囲で埋める。二次電池を備えた蓄電所で変動を吸収する計画もある。

モジュールを複数の方向に向けて設置する場合個々の方向で最大出力になる時間帯がずれ、正午の瞬間最大出力が低くなる代わりに、他の時間帯に出力増加する。電力需要は時間帯で変動し一般に午後の方が多い日本における一日の電力需要の変化の例：電力の需要量の変化とその対応。固定式設備の場合、電力需要との整合性の観点では真南よりも多少西向きに設置するのが好ましい一方で角度により発電量が減る場合がある。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%近く増加し全体で経済的価値が大きくなると報告されたH.Wengerら, 1996年。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いロビンス (2005), p. 231 など。。

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ための制御機能である。これにより、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場合、太陽電池の出力電流がゼロなら出力電圧は開放電圧 (Open circuit voltage; Voc) である。ある時点でインバータの電流制御によって太陽電池の出力電流を増やした時、インバータを通過する電力が増えれば次回はさらに電流を増やし、電流が増えて逆に電力が減れば次回は電流を減らす方法により、常に最大電力点を維持する。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・電圧特性を持つため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ことから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・頻度の選択が重要である。最大電力点追従制御は，インバーターでの直流運転電圧を太陽電池アレイと直流ケーブルを通した最大電力点の電圧に近付ける働きをする。最大電力点追従制御は太陽光発電システムの使用者による測定が困難でインバーターの直流/交流変換の効率と同じく製造者による性能表示が重要である

pwm制御に比べると制御回路は高額となるが、発電効率が高まって売電収入が増えるため、初期費用の回収期間は短くなる。

発電部の構成と特殊な製品例太陽光発電設備の発電部は、多数の太陽電池素子で構成される。素子やその集合体には、規模や形態に応じて下記の様な呼称がある。

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