今回は令和2年度 電力科目 A問題5を解説します。太陽光発電について、太陽光エネルギーの大きさ・セルの電圧・系統接続の装置・余剰電力が発生する時間帯を埋める空欄補充問題です。
数字は2つとも「約1」。地表の太陽光は1m²あたり毎秒約1kJ（＝約1kW/m²）、太陽電池のセル1枚は約1V程度の直流。系統へはパワーコンディショナで交流に変え、余剰が出るのは太陽の出ている日中です。
令和2年度 電力科目 A問題5：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和2年度 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題5
電験3種 電力科目 【新エネルギー】 令和2年度 A問題5
次の文章は、太陽光発電に関する記述である。太陽光発電は、太陽電池の光電効果を利用して太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する。地球に降り注ぐ太陽光エネルギーは、1m²当たり1秒間に約(ア)kJに相当する。太陽電池の基本単位はセルと呼ばれ、(イ)V程度の直流電圧が発生するため、これを直列に接続して電圧を高めている。太陽電池を系統に接続する際は、(ウ)により交流の電力に変換する。
一部の地域では太陽光発電の普及によって(エ)に電力の余剰が発生しており、余剰電力は揚水発電の揚水に使われているほか、大容量蓄電池への電力貯蔵に活用されている。上記の記述中の空白箇所(ア)〜(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
(ア) (イ) (ウ) (エ) (1) 10 1 逆流防止ダイオード 日中 (2) 10 10 パワーコンディショナ 夜間 (3) 1 1 パワーコンディショナ 日中 (4) 10 1 パワーコンディショナ 日中 (5) 1 10 逆流防止ダイオード 夜間
(ア) 太陽光は1 m² あたり約1 kW
1秒間に約1 kJ——つまり約1 kW/m²です。
| 場所 | 日射の強さ | 備考 |
| ★大気圏外 | ★約1.37 kW/m² | ★太陽定数 |
| ★地表（晴天・真昼） | ★約1 kW/m² | ★大気で3割ほど減る |
| 年間平均（日本） | 約0.15 kW/m² | 夜と曇りを含めた平均 |
だから(ア)は1——10や110では桁が違います。
この1 kW/m² は、太陽電池の性能表示の基準にもなっています——「1 kW/m²、25 ℃」の条件で定格出力を表すのです。
変換効率20 ％ なら、1 m² から200 W——畳1枚ほどの面積で電球2個ぶんになります。
(イ) セル1枚は約1 V
太陽電池の基本単位をセルと呼びます。
| 単位 | 電圧の目安 | 構成 |
| ★セル | ★0.5〜1 V | ★太陽電池1枚 |
| ★モジュール | ★30 V 前後 | ★セルを数十枚直列 |
| アレイ | 数百 V | モジュールを直並列 |
1枚では電圧が低すぎて使えません——だから直列にして高めるのです。
問題文の「直列に接続して電圧を高めている」——まさにその説明になります。
10 V のセルはありません——半導体の性質で決まる値だからです。
(エ) 昼に電気が余る
太陽光が増えると、晴れた日の昼に電気が余ります。
| 時間帯 | 太陽光の出力 | 需要 | 起きること |
| 朝 | 立ち上がる | 増える | つり合う |
| ★昼 | ★最大 | ★春秋は少なめ | ★余る |
| ★夕方 | ★急に落ちる | ★増える | ★足りなくなる |
特に春と秋が問題になります——冷暖房が要らないので需要が少ないのです。
だから昼の余剰を揚水や蓄電池に貯める——問題文の通りです。
かつて揚水は「夜間の余剰を貯める」設備でした——原子力が一定出力で運転していたから。
今は昼に汲み上げて夕方に発電する——役割が逆転しました。
それでも余れば、出力抑制が行われます——発電できるのに止めてもらうのです。
⚠️ よくある間違い
(エ)を「夜間」としてしまう——選択肢(2)(5)がそれです。太陽光は夜に発電しません。
揚水＝夜間という古い知識が邪魔をします——太陽光の話なので日中です。
(ア)を10や110としてしまう——選択肢(1)(2)(5)。約1 kW/m² が地表の日射。
(ウ)を「逆流防止ダイオード」としてしまう——選択肢(1)(5)。それは直流のまま逆流を防ぐ部品で、交流に変換しません。
(エ)だけで(1)(3)(4)に絞れます。
⏱️ 本番での進め方
①★地表の日射は約1 kW/m²＝1 kJ/(s·m²)。
②★セル1枚は0.5〜1 V。直列にして高める。
③逆流防止ダイオードは交流変換をしない。
④★太陽光の余剰は日中。夜間ではない。
💡 覚え方
「太陽は1 m² に1 kW、セルは1 V、余るのは昼」——1が2つ並びます。揚水＝夜間という思い込みに引きずられないことです。
パワーコンディショナの機能は平成25年度 A問題5（新エネルギー：太陽光発電）にあります。
出力抑制という現実
(エ)の余剰は、実際に問題になっています。
| 段階 | やること | 順序 |
| ① | 火力の出力を下げる | ★まずこれ |
| ② | 揚水で汲み上げる | ★次に |
| ③ | 他地域へ送る（連系線） | ★その次 |
| ★④ | ★太陽光・風力の出力を抑制する | ★最後の手段 |
優先給電ルールと呼ばれます——再生可能エネルギーを止めるのは最後です。
それでも九州などでは、春秋の晴天日に抑制が行われています——発電できるのに止めてもらうのです。
なぜ余ってはいけないのか
電気は貯められないので、発電と消費は常に等しくなければなりません。
発電が多すぎると周波数が上がります——50 Hz が50.2 Hz になるような事態です。
周波数がずれると、発電機が次々と脱落します——大停電につながるのです。
だから余らせないよう、常に調整し続けている——系統運用の最も基本的な仕事になります。
ダックカーブという形
(エ)の余剰が生む、特徴的な需要の形があります。
| 時刻 | 太陽光を差し引いた需要 | 形 |
| 朝 | 高い | 頭 |
| ★昼 | ★大きく落ち込む | ★くぼんだ背中 |
| ★夕方 | ★急激に立ち上がる | ★尾 |
アヒルが泳ぐ姿に似ているのでダックカーブ——太陽光が増えた地域に現れます。
問題は昼の余剰よりも、夕方の急な立ち上がり——数時間で大量の火力を起動する必要があるのです。
だから昼に汲み上げた揚水が、夕方に効く——問題文の「揚水発電の揚水に使われている」です。
蓄電池の役割
大容量蓄電池も同じ働きをします。
| 揚水発電 | ★蓄電池 | |
| ★総合効率 | ★70 ％ 前後 | ★85 ％ 前後 |
| ★立地 | ★山間部に限られる | ★どこにでも置ける |
| 応答 | 数分 | ★1秒以内 |
蓄電池は効率も応答も優れています——けれども容量あたりの費用がまだ高いのです。
要点をもう一度
4つの空欄のうち、3つが数値と装置名です。
| 空欄 | 答え | 根拠 |
| (ア) | ★1 | ★地表の日射は約1 kW/m² |
| (イ) | ★1 | ★セル1枚は0.5〜1 V |
| (ウ) | ★パワーコンディショナ | ★直流を交流に変える |
| (エ) | ★日中 | ★太陽光が発電する時間帯 |
(エ)だけで(1)(3)(4)に絞れます——太陽光は夜に発電しません。
そこから(ア)＝1 で(3)に確定します。
逆流防止ダイオードとは
(ウ)の誤答選択肢について触れておきましょう。
複数の太陽電池を並列につないだとき、影になった列へ電流が逆流するのを防ぐ部品です。
直流回路の中で働くもので、交流には変換しません——役割がまったく違います。
実在する部品なので、知らないと迷わされる——もっともらしい誤答になっています。
光電効果と光起電力効果
問題文の冒頭にある「光電効果」を整理しましょう。
| 名称 | 起きること | 場所 |
| ★外部光電効果 | ★電子が物質の外へ飛び出す | ★光電管など |
| ★内部光電効果 | ★電子が物質の中で自由になる | ★光導電素子など |
| ★光起電力効果 | ★pn接合で電圧が生じる | ★太陽電池 |
太陽電池で起きているのは、正確には光起電力効果——内部光電効果の一種です。
光が電子を自由にするところまでは同じ——そのあと pn 接合の電界が電子と正孔を分けるのです。
分かれた電荷が両端に集まって電圧になる——だから「起電力」と呼ばれます。
試験では「光電効果」と書かれることも多い——広い意味で使われていると考えてよいでしょう。
カタログの定格は何を意味するか
(ア)の1 kW/m² は、その基準そのものです。
| 条件 | 値 | 意味 |
| ★日射強度 | ★1 kW/m² | ★晴天・真昼の地表 |
| ★セル温度 | ★25 ℃ | ★実際の夏は50 ℃ を超える |
| スペクトル | AM1.5 | 大気を斜めに通る標準の光 |
この条件での出力を、定格出力（kW）と呼びます——「標準試験条件」です。
実際の屋根では、この条件がそろうことはほとんどありません——だから定格どおりには発電しないのです。
特に温度が効きます——真夏の屋根は70 ℃ 近くになり、出力が2割落ちることも。
年間発電量を見積もるときに0.75 前後の係数を掛けるのは、こうした差を織り込むためです。
まとめ
| (ア) | 太陽光は1m²・1秒あたり約1kJ（≒1kW/m²） |
| (イ) | セルは約1V程度の直流→直列接続で昇圧 |
| (ウ) | 系統接続はパワーコンディショナで交流化 |
| (エ) | 余剰電力は日中に発生→揚水・蓄電池へ |
| 答え | (3) |
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