太陽光発電パネルが太陽光を利用可能な電気に変換することは誰もが知っていますが、そのプロセスの背後にある実際の科学を知っている人はほとんどいません。 今週のブログでは、ソーラーの裏にある細かな科学をご紹介します。 複雑に見えるかもしれませんが、すべては光起電力効果、つまり光を浴びることで物質が電子を放出する能力に集約されます。
分子レベルの話に入る前に、発電の基本的な流れを見てみましょう。
太陽光発電と送電の基本的なステップ
- 太陽光がソーラーパネルに当たり、電界を発生させます。
- 発生した電気は、パネルの端に流れ、導電性のワイヤーに流れます。
- この導電性ワイヤーが電気をインバーターに運び、直流から建物の電力に使われる交流に変換します。
- 別のワイヤーがインバーターから敷地内の電気パネル（ブレーカーボックスとも呼ばれる）に交流の電気を運び、必要に応じて建物全体に電気を分配します。
- 発電時に必要のない電気は、電力会社のメーターを通って電力網に流れます。
- 発電時に必要のない電気は、メーターを通って電力網に流れます。電気がメーターを通過すると、メーターが逆回転し、お客様の所有地に余剰発電分が計上されます。
太陽光発電の発電と流れについて基本的な理解ができたところで、太陽光発電パネルの科学についてもう少し詳しく見てみましょう。
太陽光発電セルの科学
太陽光発電パネルは、多数の小さな太陽光発電セルで構成されています。
太陽光が太陽電池内の半導体に当たると（高レベルのレビューのステップ1）、光子の形で光のエネルギーが吸収され、いくつかの電子が放たれ、それらは電池内を自由に漂います。 太陽電池は、正と負の電荷を帯びた半導体を挟み込んで電界を発生させるように設計されている（左図参照）。 この電界によって、流れている電子は一定の方向、つまりセルを並べている導電性の金属板に向かって流れます。 この流れは「エネルギー流」と呼ばれ、その強さによって各細胞が生み出す電気の量が決まる。
太陽電池パネルが電流を発生させると、そのエネルギーは何本もの電線を通ってインバーターに送られます（上記ステップ3）。 ソーラーパネルは直流（DC）の電気を発生させますが、電力需要者の多くは建物を動かすために交流（AC）の電気を必要とします。
使える状態（交流電力）に変換された電気は、インバーターから電気パネル（ブレーカーボックス）に送られ、必要に応じて建物内に分配されます。
ブレーカーボックスで消費されなかった電気は、ユーティリティーメーターを通して電力網に送られます（上記の最後のステップ）。 電力会社のメーターは、電力会社からお客様の家までの電気の流れを測定します。 太陽光発電システムの発電量がお客様の使用量を上回っている場合、このメーターは実際には逆回転しており、ネットメータリングのプロセスを通じて、発電された余剰電力がお客様に請求されます。 太陽光発電システムの発電量よりも多くの電力を使用している場合は、このメーターを介してグリッドから電力を補い、メーターを正常に動作させます。 蓄電システムを使って完全なオフグリッドを実現しない限り、特にソーラーアレイが発電していない夜間には、グリッドからある程度のエネルギーを引き出す必要があります。
太陽光発電の詳細は非常に科学的ですが、企業や不動産所有者に太陽光発電設備がもたらすメリットを伝えるのに科学者は必要ありません。