太陽光発電システム
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太陽光発電システムの仕組みについて

太陽の熱エネルギーの大きさは、エネルギー源として非常に魅力的です。 このエネルギーは、直流の電気や熱エネルギーに直接変換することができます。 太陽エネルギーは、地球上に存在するクリーンで豊富な無尽蔵の再生可能エネルギーです。 太陽電池パネルまたはパネルを用いた太陽光発電システム(SPVパネル)は、太陽電池パネルに日射が当たるように屋根や太陽光発電所に配置され、太陽の光を電気に変換する反応を促進します。

太陽エネルギーは、1つの建物を動かすために使用することも、産業規模で使用することもできます。 小規模であれば、余った電気をバッテリーに蓄えたり、電力網に供給したりすることができます。太陽エネルギー は無限にありますが、唯一の制限は、収益性の高い方法で電気に変換する能力です。 小さな太陽光発電パネルで、電卓やおもちゃ、電話ボックスなどを動かしています。

太陽光発電システムの定義

太陽電池が化学エネルギーを電気エネルギーに変換するように、自動車のエンジンが化学エネルギーを機械エネルギーに変換するように、電気自動車のモーターが電気エネルギーを機械エネルギーに変換するように、太陽光発電システムは太陽エネルギーを電気エネルギーに変換します。 SPVセルは、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換します。 太陽電池は、太陽の熱を利用して電気を作るのではなく、入射した光線が半導体材料と相互作用して電気を作ります。

電気は、電子の流れと定義することができる。 太陽光発電システムはどのようにしてこの流れを作るのでしょうか? 一般に、電子を原子核から遠ざけるためには、エネルギーを供給する必要がある。 価電子(つまり、原子の外殻にある電子)は、親原子に結合したままの電子の中で最もエネルギーレベルが高い(内殻の電子に比べて原子核から離れているため)。 原子から電子を完全に取り除くには追加のエネルギーが必要となるため、自由電子は価電子よりも高いエネルギーレベルを持つ。

Fig1. Energy band diagram

上の図は、エネルギーバンド図で、価電子帯と伝導帯の2つのエネルギー準位を示しています。 価電子は価電子帯に、自由電子はより高い伝導帯に位置しています。 半導体では、価電子帯と伝導帯の間にギャップがあります。 そのため、価電子が伝導帯に行くためには、エネルギーを供給しなければならない。 つまり、価電子を親原子から外して自由電子にするには、エネルギーを供給する必要があります。

太陽光発電システムとは何ですか?

純シリコンの温度が0K(0度ケルビンは-273℃)のとき、原子間の共有結合によって外殻のすべての位置が占有され、自由電子は存在しない。 そのため、価電子帯は完全に満たされ、伝導帯は完全に空になります。 価電子は最も高いエネルギーを持っていますが、原子から取り除くのに必要なエネルギー(イオン化エネルギー)は最も小さくなります。 これは、鉛の原子を例にして説明することができます。 ここで、1つ目の電子を除去する際の(気体原子の)イオン化エネルギーは716kJ/mol、2つ目の電子に必要なイオン化エネルギーは1450kJ/molである。 Siの等価値は786kJ/molと1577kJ/molである。

伝導帯に移動した各電子は、価電子結合に空きサイト(ホールと呼ばれる)を残します。 このプロセスは、 電子-正孔ペア生成と呼ばれています。 シリコン結晶中の穴は、自由電子と同じように結晶中を移動することができる。 正孔が移動する手段は次の通りである。正孔の近くにある結合から電子が容易に正孔に飛び込み、不完全な結合、すなわち新しい正孔を残すことができる。 これは、近くの結合から出てきた電子が正孔と入れ替わり、正孔が固体全体にランダムかつ不規則に飛び散るという現象で、物質の温度が高ければ高いほど、電子と正孔の動きは活発になり、より多くの動きが見られます。

光による電子と正孔の生成は、太陽電池全体の効果の中心となるプロセスだが、それだけでは電流は発生しない。もし、太陽電池に他のメカニズムがなかったとしたら、光で発生した電子と正孔は、一時的にランダムに結晶内をさまよい、その後、価数位置に戻る際に熱的にエネルギーを失うことになる。電子や正孔を利用して電気力や電流を発生させるためには、もう一つのメカニズムである「電位差」の障壁を組み込む必要がある。 太陽電池は、2枚の薄いシリコンウェハーを金属線で挟み込んだものです。

インゴットを製造する際には、スライスして出荷する前にシリコンをプレドープします。 ドーピングとは、結晶シリコンウエハに不純物を添加して導電性を持たせることです。 シリコンは外殻に4個の電子を持っている。この正(p型)のドーピング材料には必ずボロンが使われ、電子数が3つ(3価)のものをポジティブキャリアーと呼ぶ。 (アクセプター) ドーパント。 負の(n型)ドーパントは、5つの電子を持つ(5価)リンが負のキャリア(ドナー)ドーパントと呼ばれます。

太陽電池には、分断線を挟んで対向する電荷によって形成されるバリア層があります。 この電位障壁によって、光で発生した電子と正孔が選択的に分離され、細胞の一方にはより多くの電子が、もう一方にはより多くの正孔が送られる。 このように分離された電子と正孔は、再び結合して電気エネルギーを失う可能性が低くなります。 この電荷分離により、セルの両端に電圧差が生じ、これを利用して外部回路に電流を流すことができる。

太陽電池に太陽光が当たると、光子と呼ばれる光のエネルギーの束が、最下層のP層の電子の一部を軌道から外し、P-N接合部に設けられた電界を通ってN層に移動させます。 電子が余っているN層では、余っている電子の流れが発生し、追加の電子を押しのける電気力が発生します。 この余分な電子は、金属線に押し出されて、電子を失った最下層のP層に戻ってくる。 そのため、太陽の光がパネルに入射するまで、電流が流れ続けます。

太陽光発電システムのエネルギー効率はわずかしかない

現在の太陽光発電システムのセルは、放射エネルギーの約10〜14%を電気エネルギーに変換するに過ぎない。 一方、化石燃料発電所では、燃料の化学エネルギーのうち30〜40%が電気エネルギーに変換される。 電気化学発電所の変換効率は、90〜95%とはるかに高い。

太陽光発電システムの変換効率とは?

機器の効率=有効エネルギー出力/エネルギー入力

太陽光発電システムの場合、効率は約15%です。これは、1m2のセル表面に100W/m2の入射光があった場合、回路には15Wしか供給されないことを意味します。

SPVセル効率=15 W/m2/ 100 W/m2= 15 %。

鉛蓄電池の場合、効率にはクーロン(Ah)効率とエネルギー(Wh)効率の2種類があります。 電気エネルギーを化学エネルギーに変換する充電工程では、Ah効率が約90%、エネルギー効率が約75%となります。

太陽光発電システムの動作原理

太陽電池セルの製造

原料は、2番目に豊富な石英(砂)です。 石英は広く分布している鉱物です。 シリカや二酸化ケイ素(SiO2)を主成分とし、リチウム、ナトリウム、カリウム、チタンなどの不純物がわずかに含まれているものが多くあります。
シリコンウエハーから太陽電池を作る工程には、3つの産業があります。
a.)石英から太陽電池を製造する企業
b.)石英を原料としたシリコンウェハーを製造する産業や
c. シリコンウェハーから太陽電池を製造する企業

太陽光発電システムのシリコンウェハーはどのようにして作られるのですか?

まず第一段階として、石英中の不純物である二酸化ケイ素を還元・精製して純シリコンを製造する。 Czochralski(Cz)プロセスPV業界では現在、ポリシリコンの原料を最終的なウェハーに変換するために、2つの主要なルートを使用しています。それは、Cz(Czochralski)プロセスを使用した単結晶ルートと、DS(Directional Solidification)プロセスを使用した多結晶ルートです。 この2つのアプローチの主な違いは、ポリシリコンの溶解方法、インゴットへの成形方法、インゴットのサイズ、そしてウェハースライス用のブリックへの成形方法にあります。

  • Czochralski(Cz)法。Cz法では、円柱状のインゴットを作り、これにバンドソーやワイヤーソーなどの複数の工程を経て、ウェハーを製造する。 初期チャージ重量が約180kgの典型的な直径24インチのるつぼの場合、Czるつぼでポリシリコンを溶かし、種結晶を融液に浸し、ネック、ショルダー、ボディ、エンドコーンを引き抜くのに約35時間を要します。 その結果、150~200kgの質量を持つ円筒形のCzインゴットが完成しました。 金属やその他の汚染物質を残すためには、るつぼの中に2~4kgの鍋くずを残す必要があります。
  • DS(Directional Solidification)プロセス。多結晶のDSウエハは、ポリシリコンを石英ルツボの中で溶かして立方体の形にした800kg前後の幅広で重いインゴットから製造される。 ポリシリコンを溶かした後、るつぼの底面を一定の速度で冷やす温度勾配を作ることで、DSプロセスを誘発します。 Czインゴットと同様に、クロッピングやスクウェアリング中に生じたDSインゴットのセクションは、後のインゴット世代のために再溶解することができます。 しかし、DSインゴットの場合、不純物濃度が高いため、最上部はリサイクルされないのが普通である。

キューブ型の溶解るつぼからプロセスが始まるため、DSのインゴットやウェハーは自然と四角い形になり、完成したモジュール内のほぼすべての領域を占める多結晶ベースのセルを容易に作ることができます。 一般的なDSシリコンインゴットの製造には約76時間を要し、6×6のカットアウトから36個のブリックに切り分けられます。 典型的な完成品は、156.75mm×156.75mmの正方形の断面(表面積246cm2)と286mmの高さを持ち、ウェーハの厚さが180μm、ウェーハあたりのカーフロスが95μmの場合、ブリックあたり1,040枚のウェーハが得られます。 このように、DSインゴット1個あたり35,000〜40,000枚のウェハが生産される。

参考文献
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2.Basic PV Principles and Methods NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
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4.ウッドハウス、マイケル Brittany Smith、Ashwin Ramdas、Robert Margolisの各氏。 2019. 結晶シリコン太陽電池モジュールの製造コストと持続可能な価格設定。2018年上半期のベンチマークとコスト削減ロードマップ。 Golden, CO:国立再生可能エネルギー研究所 https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. pp.15 et seq

太陽光発電システムの種類

化石燃料の価格が上昇し続け、世界的に排出基準が厳しくなる中、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーやエネルギー貯蔵ソリューションの需要は高まり続けます。

ソーラーとは、太陽を意味します。 太陽電池とは、太陽電池(PVセルとも呼ばれる)を用いて、太陽光や光エネルギーを光起電力効果によって電気に変換したエネルギーを蓄えるための電池である。 電池のように化学反応を伴わないのが特徴です。太陽電池は、金属の性質と絶縁体の性質を併せ持つ半導体材料で構成されており、光を電気に変換することができる。

光が半導体に吸収されると、光の光子はそのエネルギーを電子に伝えることができ、電子の流れが発生します。 電流とは? それは、電子の流れです。 この電流は、半導体から出力リードに流れ出します。 これらのリード線は、いくつかの電子回路やインバータを介してバッテリーやグリッドに接続され、交流を制御・生成します。

太陽光発電システムの電力を利用する方法

スタンドアローン(またはオフグリッド)のSPVシステム。

ここでは、太陽光発電は、一戸建てや工業用ユニット、小さなコミュニティに使用されます。 ソーラーパネルで発電された電力は、電子コントローラーを介してバッテリーに送られ、バッテリーがエネルギーを蓄えます。 電池からの直流を交流に反転させ、電気負荷はこの電池から電気を取ります。 通常、1kWの屋根型太陽光発電システムでは、10平方メートルのスペースが必要です。 メートルの無影領域があります。 しかし、実際のサイジングは、地域の日射量や気象条件、太陽電池モジュールの効率、屋根の形状などの要因によって異なります。

Fig 2. シンプルなオフグリッド・ソーラーシステム
Fig 2. シンプルなオフグリッド・ソーラーシステム

系統連系型太陽光発電システム(またはグリッドタイド型太陽光発電システム)

ストレートグリッドタイドシステム(またはGrid-tiedシステム)では、SPVパネルはコントローラとエネルギーメーターを介して公共の配電線に接続されます。 ここで
電池は使用しません。
電気はまず、家の中で必要な電力に使われます。 それらのニーズが満たされると、追加された電気はエネルギーメーターを通してグリッドに送り出されます。 系統連系型の太陽光発電システムでは、太陽光パネルの発電量以上の電力が必要になった場合、残りの電力は電力会社から供給されます。

例えば、家の中の電気負荷が20アンペアの電流を消費していて、太陽光発電では12アンペアしか発電できない場合、8アンペアが系統から引き出されることになります。 もちろん、グリッドコネクトシステムでは、日中に発電した電力を蓄えることはないので、夜間はすべての電力需要がグリッドから供給されます。

このタイプのシステムの欠点 は、停電になるとシステムも停電してしまうことです。 これは安全上の理由によるもので、送電線の作業をしているラインマンは、送電線に電源が供給されていないことを知る必要があります。 系統連系型のインバーターは、系統を感知しないと自動的に切り離す必要があります。 つまり、停電時や緊急時に電力を供給することができず、また、後で使用するためにエネルギーを蓄えることもできません。 また、需要のピーク時など、システムの電力を使用するタイミングをコントロールすることもできません。

系統連係型または系統連係型(ハイブリッド)の太陽光発電システム

さらに、グリッドシステムに供給するシステムもあります。 必要な時に、お金を稼いだり、自分が供給したエネルギーを取り戻すことができる。

蓄電池を持たない太陽光発電システム - グリッドインタラクティブまたはグリッドタイド(ハイブリッド)

このSPVシステムは、太陽光発電を行い、家庭内の負荷や地域の配電網に供給します。 このタイプのSPVシステムのコンポーネントは (a) SPVパネルと (b) インバータ 系統連系システムは、電力の一部または全部を太陽から得ることを除けば、通常の電力システムと同じです。 蓄電池を持たないこれらのシステムの欠点は、停電時に電源を確保できないことです。

蓄電池を持たない系統連系型(ハイブリッド型)太陽光発電システムの利点

最も安価なシステムであり、メンテナンスも最小限で済む
社内で必要な電力以上にシステムが発電した場合は、余ったエネルギーを電力網と交換する
グリッドダイレクト方式では、バッテリーを使用しないため、効率が高くなります。
電圧が高いほど電線サイズは小さくなります。
2018-19年度の系統連系屋根型太陽光発電システムの概算コストは、1ワットあたり53ルピー~60ルピーとばらつきがある。

太陽光発電システム図 Fig.3. バッテリーのないグリッドタイドソーラー
Fig 3. バッテリーのないグリッドタイドソーラー
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

系統連係型または系統連係型(ハイブリッド)の太陽光発電システムと蓄電池

このタイプの太陽光発電システムは、グリッドに接続されているため、州のインセンティブを受けることができ、光熱費を削減することができます。 同時に、停電時にはこのシステムがバックアップしてくれます。 蓄電池を利用した系統連系システムは、停電時に電力を供給するとともに、エネルギーを蓄えて緊急時に使用することができます。 また、照明や家電などの重要な負荷は、停電時にバックアップ電源を確保しています。 また、ピーク時にはエネルギーを使用することができます。なぜなら、エネルギーは後で使用するためにバッテリーバンクに蓄えられているからです。

この太陽光発電システムの主な欠点は、基本的な系統連系システムに比べてコストが高いことと、効率が悪いことです。 また、追加のコンポーネントもあります。 また、バッテリーの追加には、バッテリーを保護するためのチャージコントローラーが必要です。 また、バックアップさせたい重要なロードを含むサブパネルが必要です。 家が使う系統の負荷をすべてシステムでバックアップしているわけではありません。 停電時に必要となる重要な負荷。 それらはバックアップのサブパネルに隔離されています。

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