太陽光発電

香港の屋上太陽光発電
スペインのソルノバ太陽光発電所の最初の3基の集光型太陽光発電（CSP）ユニットが手前にあり、背景にはPS10とPS20の太陽光発電タワーが見える。

太陽光発電（太陽光発電とも呼ばれる）は、太陽光エネルギーを電気に変換する技術です。太陽光発電は、太陽光発電（PV）を直接利用する場合と、集光型太陽熱発電（CSP）を間接的に利用する場合があります。太陽光パネルは、光起電力効果を利用して光を電流に変換します。[ 2 ] CSPシステムは、レンズまたはミラーと太陽追尾システムを用いて、広範囲の太陽光をホットスポットに集光し、蒸気タービンを駆動します。

太陽光発電（PV）は当初、単一の太陽電池で稼働する電卓から、オフグリッドの屋上設置型PVシステムで稼働する僻地の住宅まで、小規模および中規模の用途向けの電力源としてのみ利用されていました。商業用集光型太陽光発電所は1980年代に初めて開発されました。その後、太陽光パネルのコストが下落するにつれて、系統接続型太陽光発電システムの容量と生産量は約3年ごとに倍増しています。新規発電容量の4分の3は太陽光発電であり[ 3 ]、数百万の屋上設置型太陽光発電所とギガワット規模の太陽光発電所の両方が建設され続けています。

2024年には、太陽光発電は世界の電力の7％と一次エネルギーの1％以上（代替法では2.7％）を生成し、石炭の2倍の新規電力を追加します。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]陸上風力発電 とともに、実用規模の太陽光発電は、ほとんどの国で新規設備の均等化発電原価が最も安い電源です。[ 7 ] [ 8 ]中国は世界の太陽光発電の約半分を保有しています。[ 9 ] 2022年に設置された太陽光発電のほぼ半分は屋根に設置されました。[ 10 ]

電化と気候変動の抑制のためには、より多くの低炭素電力が必要です。[ 3 ]国際エネルギー機関は2022年に、送電網の統合と政策、規制、資金調達の課題の緩和にさらなる努力が必要であると述べました。[ 11 ]しかし、太陽光発電はエネルギーコストを大幅に削減する可能性があります。[ 5 ]太陽光発電はエネルギー安全保障にとって重要です。[ 12 ]

潜在的

地理は太陽エネルギーの潜在的利用度に影響を与えます。なぜなら、場所によって日照時間が異なり、特に赤道に近い地域では一般的に日照時間が長くなります。しかし、太陽の位置を追尾できる太陽光パネルは、赤道から遠い地域でも太陽エネルギーの潜在的利用度を大幅に高めることができます。[ 13 ]日中の雲の覆いは、太陽電池に利用できる光量を減少させる可能性があります。また、土地の利用可能性も利用可能な太陽エネルギーに大きな影響を与えます。

テクノロジー

太陽光発電所では、次の 2 つの技術のいずれかが使用されます。

太陽電池

系統接続型住宅用太陽光発電システムの概略図[ 16 ]

太陽電池の光起電力効果は、光を電流に変換する。最初の太陽電池は1880年代にチャールズ・フリッツによって作られた。 [ 17 ]ドイツの実業家エルンスト・ヴェルナー・フォン・ジーメンスは、この発見の重要性を認識していた人の一人だった。[ 18 ] 1931年、ドイツの技術者ブルーノ・ランゲは、酸化銅の代わりにセレン化銀を使った光電池を開発したが、[ 19 ]プロトタイプのセレン電池は入射光の1%未満しか電気に変換できなかった。 1940年代のラッセル・オールの研究に続き、研究者ジェラルド・ピアソン、カルビン・フラー、ダリル・チャピンが1954年にシリコン太陽電池を開発した。 [ 20 ]これらの初期の太陽電池はワット当たり286ドルで、効率は4.5～6%に達した。[ 21 ] 1957年、モハメド・M・アタラはベル研究所で熱酸化によるシリコン表面パッシベーションのプロセスを開発しました。[ 22 ] [ 23 ]表面パッシベーションプロセスはそれ以来、太陽電池の効率にとって非常に重要なものとなっています。[ 24 ]

2022年現在、市場の90%以上は結晶シリコンです。[ 25 ]太陽光発電システム（PVシステム）のアレイは、太陽光の強度に応じて変動する直流（DC）電力を生成します。実用化するには、通常、インバータを使用して交流（AC）に変換する必要があります。[ 16 ]複数の太陽電池がパネル内部に接続されています。パネルは配線されてアレイを形成し、インバータに接続されます。インバータは、必要な電圧で電力を生成します。ACの場合は、必要な周波数/位相で電力を生成します。[ 16 ]

多くの住宅用太陽光発電システムは、特に市場規模の大きい先進国では、利用可能な場合には系統に接続されています。[ 26 ]これらの系統接続型太陽光発電システムでは、エネルギー貯蔵はオプションです。衛星、灯台、あるいは発展途上国などの特定の用途では、バッテリーや追加の発電機がバックアップとして追加されることがよくあります。このような独立型発電システムは、夜間や日照時間が限られている時間帯でも稼働できます。

「垂直型アグリボルタイクス」システムでは、農地に太陽電池を垂直に設置することで、農作物の栽培と再生可能エネルギーの生成の両方を行うことができる。[ 27 ]その他の構成としては、浮体式太陽光発電ファーム、駐車場の上にソーラーキャノピーを設置すること、屋上ソーラーなどがある。[ 27 ]

薄膜太陽電池

薄膜太陽電池は、ガラス、プラスチック、金属などの基板上に、 1層または複数層の光起電材料（薄膜（TF））を堆積させることによって製造される第2世代の太陽電池です。薄膜太陽電池は、テルル化カドミウム（CdTe）、銅インジウムガリウム二セレン化物（CIGS）、アモルファス薄膜シリコン（a-Si、TF-Si）など、いくつかの技術で商業的に利用されています。[ 28 ]

ペロブスカイト太陽電池

ペロブスカイト太陽電池（PSC）は、ペロブスカイト構造の化合物、最も一般的にはハイブリッド有機-無機鉛またはスズハロゲン化物ベースの材料を光捕集活性層として含む太陽電池の一種です。 [ 29 ] [ 30 ]メチルアンモニウム鉛ハロゲン化物や全無機セシウム鉛ハロゲン化物などのペロブスカイト材料は、生産コストが安く、製造が簡単です。

これらの材料を使用した実験室規模のデバイスの太陽電池効率は、単接合アーキテクチャでは2009年の3.8% [ 31 ]から2025年には27% [ 32 ] [ 33 ]に、シリコンベースのタンデムセルでは34.85% [ 32 ] [ 34 ]に向上し、単接合シリコン太陽電池で達成された最大効率を超えています。したがって、ペロブスカイト太陽電池は、2016年時点で最も急速に進歩している太陽光発電技術です。[ 29 ] より高い効率と非常に低い製造コストを達成できる可能性があり、ペロブスカイト太陽電池は商業的に魅力的になっています。主な問題と研究課題には、長期安定性、[ 35 ]湿気に対する高い感受性、[ 36 ]鉛を使用した場合の毒性などがあります。[ 37 ] PSC 内の有毒な鉛の管理は不可欠です。 PSC は新興技術であるため、鉛の毒性が広範な採用と商業化への大きな障害となっています。

集光型太陽光発電

放物面集光器は太陽光をその焦点にあるチューブに集中させます。

集光型太陽光発電（CSP）は「集光型太陽熱」とも呼ばれ、レンズや鏡、追跡システムを使って太陽光を集光し、その熱を利用して従来の蒸気駆動タービンで発電する。[ 38 ]

2021年現在、 CSPからの均等化発電コストはPVの2倍以上である。[ 39 ] 2022年現在、太陽光発電の1%未満がCSPから供給されている。

ハイブリッドシステム

ハイブリッドシステムは、太陽光発電とエネルギー貯蔵、あるいは他の1つ以上の発電方法を組み合わせたものです。水力発電[ 40 ] [ 41 ] 、風力発電[ 42 ] [ 43 ]、バッテリー[ 44 ]は、一般的に太陽光発電と組み合わせられます。これらの組み合わせにより、システムは需要に応じて出力を変化させたり、少なくとも太陽光発電の変動を平滑化したりすることが可能になります。[ 45 ] [ 46 ]世界中に多くの水力発電施設があり、既存の貯水池の上または周囲に太陽光パネルを追加することは特に有用です。なぜなら、水力発電は通常、風力発電よりも柔軟性が高く、大規模に導入するとバッテリーよりも安価であり、[ 47 ]既存の送電線を利用できる場合もあるからです。[ 48 ] [ 49 ]

開発と展開

一人当たりの太陽光発電使用量
太陽光発電によるエネルギーの割合

初期の頃

1860年代に始まった太陽光発電技術の初期開発は、オーギュスタン・ムーショの実験に見られるように、石炭がまもなく枯渇するという予測によって推進されました。[ 50 ]チャールズ・フリッツは1884年、ニューヨーク市の屋根に、効率1%のセレン電池を用いた世界初の屋上太陽光発電パネルを設置しました。 [ 51 ]しかし、20世紀初頭、石炭と石油の入手可能性、経済性、有用性の向上に直面し、太陽光発電技術の開発は停滞しました。[ 52 ]ベル電話研究所の1950年代の研究では、薄いホウ素コーティングを施したシリコンウエハーが使用されました。「ベル太陽電池」は効率6%とされ、1平方ヤードのパネルで50ワットの電力を発電しました。[ 53 ]太陽電池を搭載した最初の衛星は1957年に打ち上げられました。[ 54 ]

1970年代になっても、太陽電池パネルは衛星以外ではあまり高価ではありませんでした。[ 55 ] 1974年には、北米全体で機能的な太陽光発電システムによって完全に暖房または冷房されている民家はわずか6軒と推定されました。[ 56 ]しかし、1973年の石油禁輸と1979年のエネルギー危機により、世界中のエネルギー政策の再編が起こり、太陽光発電技術の開発に新たな注目が集まりました。[ 57 ] [ 58 ]

展開戦略は、米国の連邦太陽光発電利用プログラムや日本のサンシャインプログラムなどのインセンティブプログラムに重点を置いていました。その他の取り組みには、米国（SERI、現在のNREL）、日本（NEDO）、ドイツ（フラウンホーファーISE）における研究施設の設立が含まれていました。[ 59 ] 1970年から1983年の間に、太陽光発電システムの設置が急速に増加しました。米国では、ジミー・カーター大統領が2000年までに米国のエネルギーの20％を太陽光発電で生産するという目標を設定しましたが、後継者のロナルド・レーガン大統領は再生可能エネルギーの研究への資金提供を中止しました。[ 55 ] 1980年代初頭の原油価格の下落により、1984年から1996年にかけて 太陽光発電の成長は鈍化しました。

  • 大陸別の年間太陽光発電量
    大陸別の年間太陽光発電量
  • 有利な政策とモジュールコストの低下の恩恵を受けて、太陽光発電設備の設置は着実に増加している。[60][61] 2023年には、中国は世界の新規容量の60％を追加した。[62]
    有利な政策とモジュールコストの低下の恩恵を受けて、太陽光発電設備の設置は着実に増加している。[ 60 ] [ 61 ] 2023年には、中国は世界の新規容量の60％を占めることになる。[ 62 ]
  • 1996年以降の太陽光発電の半対数成長
    1996年以降の太陽光発電の半対数成長
  • 電力源別発電量
    電力源別発電量

1990年代半ばから2010年

1990年代半ばには、石油や天然ガスの供給問題、地球温暖化への懸念、他のエネルギー技術に比べたPVの経済性の向上により、住宅用と商業用の屋上太陽光発電や公益事業規模の太陽光発電所の開発が再び加速し始めた。 [ 55 ] [ 63 ] 2000年代初頭には、再生可能エネルギーに電力系統上での優先権を与え、発電された電気に対して固定価格を定める政策メカニズムである固定価格買い取り制度の導入により、投資の安全性が高まり、欧州におけるPV導入数が急増した。

2010年代

数年間、太陽光発電の世界的成長は欧州の導入によって牽引されてきたが、その後アジア、特に中国と日本へと移行し、世界中の多くの国と地域に広がっていった。中国の太陽光発電機器メーカーは最大の企業に成長した。[ 64 ] [ 65 ]集光型太陽熱発電の容量は10倍以上に増加したものの、全体に占める割合はごくわずかであった。[ 66 ] :51 これは、実用規模の太陽光発電のコストが2010年から2020年の間に85%低下したのに対し、CSPのコストは同じ期間に68%しか低下しなかったためである。[ 67 ]

2020年代

2024年上半期から2025年上半期にかけての太陽光発電と風力発電の伸びは、電力需要全体の伸びを上回り、化石燃料への依存を減らし、温室効果ガスの排出抑制に貢献するだろう。[ 68 ]

2021年から2022年にかけての世界的エネルギー危機の間、ポリシリコンなどの材料費が上昇したにもかかわらず、[ 69 ]天然ガスなど他のエネルギー源のコスト上昇により、多くの国では依然として大規模太陽光発電が最も安価なエネルギー源であった。[ 70 ] 2022年には、世界の太陽光発電容量が初めて1TWを超えた。[ 71 ]しかし、化石燃料の補助金により、太陽光発電容量の伸びは鈍化している。[ 72 ]

現在の状況

設置容量の約半分は公益事業規模のものである。[ 73 ]

世界銀行の太陽光資源地図

予測

2002年から2016年までの太陽光発電の年間導入実績とIEAによる予測値の比較。予測値は実際の成長率を大きく、そして一貫して過小評価している。

太陽光は2020年代末までに水力発電の出力を上回り、再生可能エネルギーの最大の供給源になると予測されている。[ 74 ] 2050年までにサハラ以南のアフリカを除くすべての地域で、公益事業規模の電力が最大の供給源になると予測されている。 [ 73 ]

太陽光発電所

太陽光発電所
ドイツ、プリグニッツにある40.5MWのヤナースドルフ太陽光発電所

太陽光発電所は、ソーラーパーク、ソーラーファーム、または太陽光発電プラントとも呼ばれ、商用電力の供給を目的として設計された、大規模な系統接続型太陽光発電システム（PVシステム）です。これは、地域のユーザーではなく、公益事業レベルで電力を供給するため、ほとんどの建物設置型やその他の分散型太陽光発電とは異なります。この種のプロジェクトは、公益事業規模太陽光発電と呼ばれることもあります。

このアプローチは、もう一つの主要な大規模太陽光発電技術である集光型太陽熱発電（CSP）とは異なります。集光型太陽熱発電は、熱を利用して様々な従来型発電システムを駆動します。どちらのアプローチにも長所と短所がありますが、現在では様々な理由から、太陽光発電技術の方がはるかに広く利用されています。2019年時点で、公益事業規模の太陽光発電容量の約97%はPVです。[ 75 ] [ 76 ]

一部の国では、太陽光発電所の銘板容量はメガワットピーク（MW p）で定格されており、これは太陽電池アレイの理論上の最大DC電力出力を指します。他の国では、メーカーは面積と効率を記載しています。ただし、カナダ、日本、スペイン、米国では、他の形態の発電とより直接的に比較できる尺度であるMW ACで変換されたより低い公称電力出力を使用して指定することがよくあります。ほとんどのソーラーパークは、少なくとも1 MW pの規模で開発されています。2018年の時点で、稼働中の世界最大の太陽光発電所は1ギガワットを超えました。2019年末時点で、約9,000のソーラーファームが4 MW AC （ユーティリティスケール）を超え、総容量は220 GW ACを超えました。[ 75 ]

既存の大規模太陽光発電所のほとんどは独立系発電事業者によって所有・運営されているが、地域密着型や公益事業会社が所有するプロジェクトの関与が増加している。[ 77 ]以前は、ほぼすべての発電所が固定価格買い取り制度や税額控除などの規制上のインセンティブによって少なくとも部分的にサポートされていたが、2010年代に均等化発電コストが大幅に低下し、ほとんどの市場でグリッドパリティが達成されたため、通常は外部インセンティブは必要ない。

集光型太陽光発電所

3つのタワーすべてに負荷がかかっているイヴァンパ太陽光発電システム
カリフォルニア州サンバーナーディーノ郡北部にある354MWの太陽エネルギー発電システム（SEGS）パラボリックトラフ太陽光発電施設の一部

商業用集光型太陽熱発電所（CSP）は、「太陽熱発電所」とも呼ばれ、1980年代に初めて開発されました。カリフォルニア州モハーベ砂漠に位置する377MWのイヴァンパ太陽光発電所は、世界最大の太陽熱発電所プロジェクトです。その他の大規模なCSP発電所には、スペインにあるソルノバ太陽光発電所（150MW）、アンダソル太陽光発電所（150MW）、エクストレソル太陽光発電所（150MW）などがあります。CSPの主な利点は、蓄熱を効率的に追加できるため、最大24時間にわたって電力供給を可能にすることです。電力需要のピークは通常午後5時頃に発生するため、多くのCSP発電所は3～5時間の蓄熱を使用しています。[ 78 ]

経済

ワットあたりのコスト

多くの国では、太陽光発電は最も低コストの電力源です。[ 79 ]太陽光発電の一般的なコスト要因には、モジュール、モジュールを保持するフレーム、配線、インバータ、人件費、必要な土地、送電網への接続、メンテナンス、およびその場所が受ける太陽放射量が含まれます。

太陽光発電システムは燃料を必要とせず、モジュールの寿命は通常25年から40年です。[ 80 ]そのため、初期資本と資金調達コストが太陽光発電コストの80%から90%を占め、[ 81 ] :165 これは、一部のアフリカ諸国など、契約が履行されない可能性のある国では問題となります。[ 5 ]一部の国では価格上限を検討していますが、[ 82 ]差額契約を好む国もあります。[ 83 ]

設置価格

高出力帯の太陽電池モジュールの費用は、時間の経過とともに大幅に減少しました。1982年以降、1kWあたりのコストは約27,000米ドルでしたが、2006年には約4,000米ドルまで低下しました。1992年の太陽光発電システムのコストは1kWあたり約16,000米ドルでしたが、2008年には約6,000米ドルまで低下しました。[ 84 ] 2025年には、米国における住宅用太陽光発電のコストは約2.50米ドル/ワットになります[ 85 ]（ただし、ソーラーシングルははるかに高価です）。[ 86 ] 2025年現在、公共事業用太陽光発電のコストは約25米セント/ワットです[ 87 ] 。

地域別の生産性

地域における太陽光発電の生産性は太陽放射照度に依存します。太陽放射照度は日や年によって変化し、緯度や気候の影響を受けます。PVシステムの出力電力は、周囲温度、風速、太陽スペクトル、地域の土壌条件などの要因にも依存します。

陸上風力発電は北ユーラシア、カナダ、米国の一部、アルゼンチンのパタゴニアでは最も安価な電力源となる傾向がある一方、世界の他の地域では主に太陽光発電（または頻度は低いが風力、太陽光、その他の低炭素エネルギーの組み合わせ）が最適であると考えられている。[ 88 ] : 8 エクセター大学のモデル化によると、2030年までに一部の北欧諸国を除いてどこでも太陽光発電が最も安価になると示唆されている。[ 89 ]

年間太陽放射量が最も高い地域は、乾燥した熱帯および亜熱帯地域です。低緯度に位置する砂漠は通常、雲が少なく、1日に10時間以上日照を受けることができます。[ 90 ] [ 91 ]これらの高温の砂漠は、世界を囲むグローバルサンベルトを形成しています。このベルトは、北アフリカ、南アフリカ、南西アジア、中東、オーストラリアの広大な地域と、北米と南米のはるかに小さな砂漠で構成されています。[ 92 ]

したがって、太陽光は、中央アメリカ、アフリカ、中東、インド、東南アジア、オーストラリア、およびその他のいくつかの地域全体で最も安価なエネルギー源である（またはそうなると予測されている）。[ 88 ]：8

太陽放射照度のさまざまな測定値（直達法放射照度、全球水平放射照度）が以下にマッピングされています。

  • 北米
    北米
  • 南アメリカ
    南アメリカ
  • ヨーロッパ
    ヨーロッパ
  • アフリカと中東
    アフリカと中東
  • 南アジアと東南アジア
    南アジアと東南アジア
  • オーストラリア
    オーストラリア
  • 世界
    世界

自家消費

太陽光発電を自家消費する場合、投資回収期間は系統から購入しない電力の量に基づいて計算されます。[ 93 ]しかし、多くの場合、発電と消費のパターンは一致せず、エネルギーの一部または全部が系統に送り返されます。電力は販売され、系統からエネルギーが使用される他の時期には電力が購入されます。得られる相対的なコストと価格は経済性に影響を与えます。多くの市場では、販売されたPV電力に支払われる価格は購入電力の価格よりも大幅に低く、これが自家消費を奨励しています。[ 94 ]さらに、ドイツやイタリアなどでは、別個の自家消費インセンティブが使用されています。[ 94 ]系統相互作用規制には、PV容量の設置量が多いドイツの一部の地域で系統への固定価格買い取りの制限も含まれています。[ 94 ] [ 95 ]自家消費を増やすことで、電力の無駄になる出力抑制を行わずに系統への固定価格買い取りを制限することができます。 [ 96 ]

発電と消費の良好なマッチングは、高い自家消費の鍵となる。このマッチングは、バッテリーや制御可能な電力消費によって改善できる。[ 96 ]しかし、バッテリーは高価であり、収益性を確保するには、自家消費の増加に加えて、停電の回避など、他のサービスも提供する必要がある場合がある。[ 97 ]ヒートポンプや抵抗加熱器による電気加熱式貯湯タンクは、太陽光発電の自家消費のための低コストの貯蔵装置を提供することができる。 [ 96 ]食器洗い機、回転式乾燥機、洗濯機などのシフト可能な負荷は、ユーザーへの影響が限定的な制御可能な消費を提供できるが、太陽光発電の自家消費への影響は限られる可能性がある。[ 96 ]

エネルギー価格、インセンティブ、税金

太陽光発電に対するインセンティブ政策の当初の政治的目的は、太陽光発電のコストがグリッドパリティを大幅に上回る場合でも、初期の小規模導入を促進して産業の成長を促進し、グリッドパリティ達成に必要な規模の経済性を達成できるようにすることでした。グリッドパリティ達成以降、国家のエネルギー自立[ 99 ] 、ハイテク雇用の創出[ 100 ] 、そしてCO2排出量の削減[ 99 ]を促進するための政策が実施されています。

ネットメータリング

ネットメータリングは住宅用太陽光発電の価格設定方法であり、生産された電気の価格は消費者に供給される価格と同じであり、消費者は生産と消費の差額に基づいて請求されます。[ 101 ]

コミュニティソーラー

ウィスコンシン州ウィートランドのコミュニティソーラーファーム[ 102 ]

コミュニティソーラープロジェクトとは、個人、企業、非営利団体、その他の投資家を含む複数の顧客から資本を受け入れ、出力クレジットと税制優遇措置を提供する太陽光発電施設です。参加者は通常、遠隔地における一定量のkW容量またはkWh発電量に投資または加入します。[ 103 ]

税金

一部の国では輸入太陽光パネルに関税（輸入税）が課せられます。 [ 104 ] [ 105 ]

グリッド統合

太陽光やその他の再生可能エネルギーは、位置エネルギーに変換され、電池や高所の貯水池などの装置に蓄えられます。蓄えられた位置エネルギーは、後に電力に変換され、元のエネルギー源が利用できない場合でも、電力網に供給されます。
塩タンクは熱エネルギーを貯蔵する役割を果たし[ 106 ]、日没後も出力を供給できるようにし、需要に合わせて出力を調整することができます[ 107 ] 。280MWのソラナ発電所は、6時間のエネルギー貯蔵を可能にするように設計されています。これにより、発電所は年間を通じて定格出力の約38%を発電することができます[ 108 ] 。
熱エネルギー貯蔵。アンダソルCSPプラントは、溶融塩のタンクを使用して太陽エネルギーを貯蔵します。
揚水発電（PSH）。ドイツのゲーストハハトにあるこの施設には、太陽光発電パネルも設置されています。

変動性

世界中で生産される電力の圧倒的多数は、従来の発電機が需要に適応でき、貯蔵は通常より高価であるため、すぐに消費されます。太陽光発電と風力発電はどちらも変動性のある再生可能エネルギー源であり、利用可能なすべての出力を地元で使用するか、送電線で他の場所で使用するか、あるいは貯蔵（例えばバッテリー）する必要があります。太陽エネルギーは夜間には利用できないため、継続的な電力供給を確保するために貯蔵することは、特にオフグリッドアプリケーションや将来の100%再生可能エネルギーシナリオにおいて重要な課題となる可能性があります。[ 109 ]

太陽光発電は、昼夜サイクルや変動する気象条件により断続的に発生します。しかし、太陽光発電は時間帯、場所、季節によってある程度予測可能です。電力会社に太陽光発電を導入する際の課題は、地域によって大きく異なります。夏が暑く冬が穏やかな地域では、太陽光発電は日中の冷房需要によく適合する傾向があります。[ 110 ]

エネルギー貯蔵

集光型太陽光発電所では、高温溶融塩などの蓄熱装置を用いて太陽エネルギーを貯蔵することがあります。これらの溶融塩は低コストで比熱容量が高く、従来の発電システムと互換性のある温度で熱を供給できるため、効果的な蓄熱媒体です。 [ 111 ]

独立型太陽光発電システムでは、従来、余剰電力を蓄電するためにバッテリーが使用されています。系統接続型太陽光発電システムでは、余剰電力を電力系統に送ることができます。ネットメータリングと固定価格買い取り制度により、これらのシステムは発電した電力に対してクレジットを付与されます。このクレジットは、システムが需要を満たせない場合に電力系統から供給される電力を相殺し、余剰電力を蓄電するのではなく、実質的に電力系統と取引することになります。[ 112 ]風力と太陽光が電力系統の電力のごく一部を占める場合は、他の発電技術で出力を適切に調整できますが、これらの変動電力が増加するにつれて、電力系統の需給バランスをさらに調整する必要があります。価格が急速に低下するにつれて、PVシステムは夜間に使用するために余剰電力を蓄電するために充電式バッテリーを使用するケースが増えています。系統連系蓄電に使用されるバッテリーは、ピーク負荷を数時間にわたって平準化することで電力系統を安定化させます。 [ 113 ]

今日の家庭用太陽光発電システムで使用されている一般的なバッテリー技術には、ニッケルカドミウム、鉛蓄電池、ニッケル水素、リチウムイオンなどがあります。[ 114 ] [ 115 ]リチウムイオンバッテリーは集中的に開発されており、テスラギガファクトリー1などの大規模生産施設による規模の経済により価格が下がることが期待されているため、近い将来、鉛蓄電池に取って代わる可能性があります。さらに、プラグイン電気自動車のリチウムイオンバッテリーは、車両から電力網へのシステムの将来のストレージデバイスとして機能する可能性があります。ほとんどの車両は平均95%の時間駐車されているため、そのバッテリーを使用して、電気を車両から電力線に、そして電力線から車両に流すことができます。

使用済みの電気自動車（EV）のバッテリーは再利用することができます。[ 116 ]分散型PVシステムに使用されている他の充電式バッテリーには、溶融塩とフロー電池の2つの主要なタイプであるナトリウム-硫黄電池とバナジウムレド​​ックス電池があります。[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]

欧州における風力および太陽光発電の設備利用率の季節変動を、理想的な仮定に基づいて示している。この図は、季節スケールにおける風力および太陽光発電の需給バランス効果を示している（Kaspar et al., 2019）。[ 120 ]

その他の技術

太陽光発電所は出力抑制が可能ですが、通常は可能な限り多くの電力を出力します。そのため、十分な電力系統エネルギー貯蔵システムを持たない電力システムでは、他のエネルギー源（石炭、バイオマス、天然ガス、原子力、水力）による発電量は、太陽光発電の増減と需要変動に応じて変動する傾向があります（負荷追従型発電所を参照）。

従来型水力発電ダムは太陽光発電と非常によく連携しており、必要に応じて貯水池から水を貯めたり放流したりできます。適切な地形がない場合は、揚水式水力発電が利用できます。晴天時には太陽光発電を利用して高所の貯水池に水を汲み上げ、夜間や悪天候時には水力発電所を経由して低所の貯水池に放水することでエネルギーを回収し、再び循環を始めます。[ 121 ]

水力発電所や天然ガス発電所は負荷変動に迅速に対応できるのに対し、石炭火力発電所、バイオマス発電所、原子力発電所は通常、負荷への対応にかなりの時間を要し、予測可能な変動に合わせてスケジュールを組むことしかできない。地域状況にもよるが、総発電量の約20～40%を超えると、太陽光発電などの系統接続型間欠電源は、系統連系、エネルギー貯蔵、需要側管理のいずれかを組み合わせた投資が必要となる傾向がある。オーストラリアのように太陽光発電量が多い国では、太陽光発電量が多い日中に電気料金がマイナスになる場合があり、そのため新たな蓄電池の導入が促進される。[ 122 ] [ 123 ]

風力発電と太陽光発電を組み合わせると、それぞれのシステムのピーク稼働時間が日中や年間を通して異なる時間帯に発生するため、2つの電源が互いに補完し合うという利点があります。[ 124 ]そのため、このような太陽光ハイブリッド発電システムの発電量は、2つの構成サブシステムのそれぞれよりも一定で変動が少なくなります。[ 125 ]太陽光発電は季節性があり、特に赤道から離れた北部/南部の気候では、水素や揚水発電などの媒体に長期間の季節貯蔵を行う必要があることを示唆しています。[ 126 ]

環境への影響

エネルギー源ごとの温室効果ガス排出量。太陽光発電は、温室効果ガス排出量が最も少ないエネルギー源の一つです。
ドイツ東部、ゼンフテンベルク市近郊の旧露天掘り鉱山跡地に位置するゼンフテンベルク・ソーラーパーク太陽光発電所の一部。78MWのフェーズ1は3ヶ月以内に完成しました。

太陽光発電は化石燃料からの電気よりもクリーンであり、[ 25 ]物を燃やすよりも環境に優しい。[ 127 ] [ 128 ]太陽光発電は稼働中に有害な排出物を発生させないが、パネルの製造段階では多少の汚染が発生する。製造時の炭素排出量は1kg CO 2 /Wp未満であり、[ 129 ]メーカーがより多くのクリーンな電力とリサイクル材料を使用するにつれて、この値は低下すると予想される。[ 130 ]太陽光発電は生産を通じて環境に初期費用を負担し、2022年時点で炭素回収期間は数年かかるが、[ 130 ]残りの30年間の耐用年数にわたってクリーンなエネルギーを提供する。[ 131 ]

太陽光発電所のライフサイクル全体の温室効果ガス排出量は1キロワット時（kWh）あたり50グラム（g）未満であるが、 [ 132 ] [ 133 ] [ 134 ]バッテリーストレージを使用すると最大150 g/kWhになる可能性があります。[ 135 ]対照的に、炭素回収・貯留（CCS）機能のないガス火力複合サイクル 発電所は約500 g/kWhを排出し、石炭火力発電所は約1000 g/kWhを排出します。[ 136 ]ライフサイクル全体の排出量の大部分が建設によるものであるすべてのエネルギー源と同様に、太陽光発電装置の製造と輸送を低炭素電力に切り替えることで、炭素排出量がさらに削減されます。[ 134 ]

太陽光発電のライフサイクル表面電力密度は様々であるが[ 137 ]、平均すると約 7 W/m2 であり、原子力発電の約 240 、ガス発電の 480 と比較すると低い。[ 138 ]しかし、ガスの抽出と処理に必要な土地を考慮すると、ガス発電の電力密度は太陽光発電よりもそれほど高くないと推定されている。[ 25 ] 2021 年の調査によると、2050 年までに自国の領土内で太陽光発電所から 25%～80% の電力を得るには、欧州連合で 0.5%～2.8%、インドで 0.3%～1.4% 、日本と韓国で 1.2%～5.2%の土地をパネルでカバーする必要がある。[ 139 ] [ 140 ]しかし、韓国や日本など一部の国では、PV [ 141 ] [ 142 ] または水上ソーラー [ 143 ] を他の低炭素電源と組み合わせて農業に利用している。 [ 144 ] [ 145 ]世界的に、土地利用による生態学的影響は最小限である。[ 146 ]建物やその他の市街地に設置することで、土地利用をガス発電のレベルまで削減することができる。[ 137 ]

太陽光パネルの製造には有害物質が使用されていますが、その量は一般的に少量です。[ 147 ] 2022年現在、ペロブスカイトの環境への影響を予測することは困難ですが、鉛が問題になるのではないかと懸念されています。 [ 25 ]

2021年の国際エネルギー機関の調査では、銅の需要は2040年までに倍増すると予測されています。この調査では、大規模な太陽光発電の導入と必要な送電網のアップグレードによる需要に対応するために、供給を急速に増やす必要があると警告しています。[ 148 ] [ 149 ]テルルとインジウムのさらなる増加も必要になるかもしれません。[ 25 ]

リサイクルが役立つかもしれない。[ 25 ]太陽光パネルはより効率的なパネルに交換されることがあり、アフリカなどの発展途上国では中古パネルが再利用されることがある。[ 150 ]いくつかの国では太陽光パネルのリサイクルに関する具体的な規制がある。[ 151 ] [ 152 ] [ 153 ]メンテナンスコストは他のエネルギー源に比べてすでに低いが、[ 154 ]一部の学者は太陽光発電システムをより修理しやすいように設計するよう求めている。[ 155 ] [ 156 ]

太陽光パネルは局所的な気温上昇を引き起こす可能性があります。砂漠地帯に大規模に設置された場合、その影響は都市部のヒートアイランド現象よりも大きくなる可能性があります。[ 157 ]

太陽光発電のごく一部は集光型太陽熱発電です。集光型太陽熱発電はガス火力発電よりもはるかに多くの水を使用する可能性があります。このタイプの太陽光発電は強い日光を必要とするため、砂漠地帯に設置されることが多く、これが問題となる可能性があります。[ 158 ]

政治

地域社会における風力・太陽光発電施設の受け入れは米国民主党員（青）の間でより強く、原子力発電所の受け入れは米国共和党員（赤）の間でより強い。[ 159 ]

太陽エネルギー（および他のクリーンエネルギー）へのエネルギー移行による経済的利益は非常に大きいため止めることはできないが、[ 160 ]移行を遅らせると気候への被害が拡大すると主張されてきた。[ 161 ]化石燃料ロビーは移行を遅らせていると非難されてきた。[ 162 ]化石燃料補助金は政治的なものであり、[ 163 ] [ 164 ]移行を妨げている。[ 165 ]太陽光発電は、エネルギー安全保障に貢献する石油やガスとは異なり、一度設置すれば地政学的な理由で停止することはできない。 [ 166 ]また、自由至上主義者は、政府への依存と、 [ 167 ]不十分な電力網への依存を減らすため、太陽光発電を支持するかもしれない。[ 168 ]しかし、一部の右翼政党は太陽光発電に反対しているか、分裂している。[ 169 ] [ 170 ]極右政党の立場は国によって異なり、気候変動を否定する立場から太陽光発電に反対する政党もある。[ 171 ] [ 172 ]緑の党は気候変動緩和策の一環として太陽光発電を支持するかもしれないが、環境保護主義者の中には新しい送電線に反対する者もいる。[ 173 ]

2022年時点で、世界のポリシリコン製造能力の40％以上が中国の新疆ウイグル自治区に集中しており、[ 174 ]人権侵害（新疆ウイグル自治区の強制収容所）が懸念されている。[ 175 ]国際太陽エネルギー協会によると、太陽光発電の製造は年間4000億ドル以上には成長しないと推定されており、また、中国の供給が途絶えた場合でも、他の国々には独自の産業を創出する時間が何年もあるため、中国の製造業の優位性は問題ではない。[ 176 ]企業は 、パネル輸入に対する関税の賛成または反対で政府にロビー活動を行う可能性がある。 [ 177 ] [ 178 ]

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参考文献

さらに読む

太陽光発電に関する図書館資料
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