蓄電池の原理や仕組みとは?太陽光発電との相乗効果がすごい!
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蓄電池の原理や仕組みとは?太陽光発電との相乗効果がすごい!
蓄電池

蓄電池の原理や仕組みとは?太陽光発電との相乗効果がすごい!

電気代の節約や災害時の対策にも使える蓄電池にはいくつかの種類があります。化学反応で動作する蓄電池の原理や仕組みは難しそうだと感じる方もいるのではないでしょうか。

 

そこでこの記事では、蓄電池の原理や仕組みについてご紹介します。蓄電池には高度な技術が用いられていますが、原理や仕組みはそれほど難しくありません。蓄電池の原理や仕組みを理解すると、蓄電池のメリットについての理解が深まります。

 

蓄電池とは

乾電池は充電した電気を使いきったら終わりですが、蓄電池は充電して電気をためることで繰り返し使える電池です。太陽光発電との相性が良いために一緒に導入されることも多くあります。太陽光発電で作った蓄電池に電気をためれば、発電できない夜でも蓄電した電気を使えて、より経済的に省エネライフが送れるでしょう。

 

蓄電池には導入費用がかかりますが、コスト以上の大きなメリットがあります。例えば、災害時に役立つ点や節電効果です。災害で停電しても蓄電池の電気を使えれば、不便な災害時にも生活の助けとなるでしょう。

 

蓄電池の原理

蓄電池が動作する際には、非常に難しい原理が働いているのだろうと感じる方もいるでしょう。蓄電池の原理は比較的シンプルです。蓄電池の基本的な構成は2つの電極と電解液です。蓄電池の原理を分かりやすく説明します。

 

2つの電極と電解液で構成されている

蓄電池は化学反応で充電したり放電したりします。内部にあるのは2つの電極と電解液です。2つの電極の性質はそれぞれ異なり、正極が電解液に溶けにくく、負極は電解液に溶けやすくなっています。電解液への溶けやすさをイオン化傾向といい、電極で使う2つの金属のイオン化傾向の差が大きいほど生み出す電圧も高いのが特徴です。

 

蓄電池にはリチウムイオン電池や鉛蓄電池、ニッケル水素電池などの種類があり、種類によって電極に使っている金属や電解液は違います。しかし、種類が違っても構造は基本的に同じです。ただし、NAS電池は電解液ではなくファインセラミックスを電解質としています。

 

蓄電と放電の仕組み

負極の金属が電解液に溶け出すことで、電子が負極から正極に流れていくのが放電です。このとき、電流が正極から負極に向かって発生し、電気を使えるようになります。通常の乾電池でも同じ仕組みで放電していて、負極の金属が電解液に溶け出さなくなったら放電終了です。

 

蓄電池の場合、放電とは逆の方向に電気を流すことで電気をためられるようになっています。正極の金属が電解液に溶け出し電子が負極に移る化学反応です。このように逆の化学反応を起こして放電前の状態に戻せるので、蓄電池は充電と放電を繰り返せます。

 

蓄電池の種類ごとに見る原理

蓄電池には使っている金属や電解液によっていくつか種類があります。基本的な構造はどれも同じですが、適した用途や特徴は異なります。蓄電池を使う際は用途に合わせて選ぶ必要があるでしょう。それぞれの蓄電池の特徴を解説します。

 

大容量なのに小型「リチウムイオン電池」

リチウムイオン電池もニッケル水素電池と同じく小型蓄電池のひとつですが、大容量なのが特徴です。電圧もニッケル水素電池より高いため、小型の蓄電池でも効率的に放電できます。

 

家庭用蓄電池の多くは小型で高性能なリチウムイオン電池ですが、その他の主な用途は、ノートパソコン、携帯電話、電気自動車、ハイブリッド車などです。以前は電気自動車やハイブリッド車のバッテリーとして水酸化ニッケルを使われていましたが、現在では機能面を考慮してリチウムイオン電池が主流になりました。

 

リチウムイオン電池の正極にはコバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムなどのリチウムを含む金属酸化物、負極にはグラファイトなどを使っています。電解液として使っているのはリチウム塩を溶かした有機電解液です。

 

自動車のバッテリーに使われる「鉛蓄電池」

自動車やフォークリフト、電動車いすのバッテリー、非常照明、非常用電源などとして活躍しているのが鉛蓄電池です。

 

正極には二酸化鉛、負極には鉛を使っています。電解液に使っているのは希硫酸です。充電や放電の際に硫酸鉛が発生し、負極の金属に硫酸鉛の結晶が付くこともあります。これはサルフェーションという現象で、蓄電池全体の充電容量が減り充電スピードも落ちるのが問題です。

 

鉛蓄電池は構造上の違いによって2種類に分けられます。電解液の水分が化学反応や蒸発によって少なくなるために、随時精製水を補充する必要があるのがベント形鉛蓄電池です。一方、制御弁式鉛蓄電池は化学反応によって水分が失われないので精製水の補充が必要ありません。

 

環境に優しい「ニッケル水素電池」

乾電池との互換性が高く、乾電池が使える多くの機器でニッケル水素電池を使えます。ニッケル水素電池は、自動車の電装部品やドライブレコーダー、エレベーターなど、さまざまな用途で使用される電池です。

 

ニッケル水素電池は環境に優しいとされています。同じ小型蓄電池であるニカド電池と違ってカドミウムを使っていないからです。ニッケル水素電池はリサイクルしてニッケルを再利用できるので、さらに環境に優しいといえます。

 

ニッケル水素電池の正極に使われているのは水酸化ニッケルで、負極は水素吸蔵合金です。電解液には水酸化カリウムのアルカリ水溶液を使っています。

 

日本唯一の電池「NAS電池

NAS電池は日本が生んだ蓄電池で、ドイツやアメリカなど計200か所以上で使用されています。コンパクトなのに大容量で寿命が長く、エネルギー密度が高い点がNAS電池の強みです。太陽光発電や風力発電の事業用蓄電池として発電所が導入したり、節電や非常用電源のために企業が使ったりしています。

 

NAS電池の正極は硫黄で、負極はナトリウム、電解質に使っているのはファインセラミックスです。作動させるためには温度を300度に保つ必要があります。ただし、電気抵抗を利用して自動で300度に達する仕組みなので、外から温める必要はありません。NAS電池を使用するには監視体制を整える必要があります。

 

家庭用蓄電池に求められる根本的な役割

電気代節約にもつながる家庭用蓄電池には、さまざまな役割があります。例えば、電力供給のバランスを整えたり、非常時のバックアップとして活躍したりすることです。停電が起きたときに電気が使えないと不便ですが、蓄電池があれば電気の復旧を待ちながら、ある程度電気を使えます。家庭用蓄電池の根本的な役割を理解しましょう。

 

電力供給のバランスを整える

蓄電池は充電する時間帯を選べるので、電気料金が安い時間帯に充電できます。溜めた電気は電気料金が高い時間帯に使えますが、得られるメリットは電気代の節約だけではありません。電気代が安くできると同時に電力供給のバランスも整えられます。

 

電気料金が安い時間帯は社会全体での電力供給に余裕がある時間で、電気料金が高い時間帯は逆に電力需要が高まる時間です。電力に余裕がある時間に充電して電力需要が高い時間に放電すれば、電力会社が提供する電力量の分散が計れます。

 

太陽光発電も導入すればさらに電力会社の供給電力量を減らすことに貢献でき、環境に優しい再生可能エネルギーの割合が増えるでしょう。

 

非常時のバックアップとして役立てる

溜めた電気は災害などで停電になったときにも使えるので、非常時のバックアップとして役立ちます。特に災害が多い日本では、各家庭で対策を講じておくことが大切です。

 

実際に日本政府も災害対策としての家庭用蓄電池の利用に価値を見出しています。2019年~2020年には「災害時に活用可能な家庭用蓄電システム導入促進事業費補助金」制度を設け、国が蓄電池の導入を後押ししました。

 

東京都も各家庭や集合住宅が非常時に電気を確保できるように、蓄電池などの導入補助を行っています。2020年の申請期間は令和2年1月15日~令和2年3月31日でした。

 

災害の際に携帯電話の充電もできない状態だと、家族や友人と連絡を取り合えません。また、冷暖房が使えないと体調を崩すリスクが高くなります。蓄電池があれば、有事の際にも生活しやすくなるでしょう。

 

太陽光発電と蓄電池は相乗効果がすごい

蓄電池だけでも電気代の節約や非常時のバックアップなどのメリットがありますが、太陽光発電も併用すればさらにメリットが大きくなります。太陽光発電は太陽光をエネルギー源とする環境に優しい発電方法です。

 

太陽光発電の電気を蓄電池にためる原理を知ると、発電ロスを抑える方法が分かります。太陽光発電導入後に蓄電池を設置する方が増えている理由も要注目です。

 

太陽光発電の電気を蓄電池にためる原理

太陽光発電はいくつかのパーツで成り立っていて、太陽光パネル内にある半導体の電子を太陽光が動かすことで電気が発生します。太陽光パネルからつながるケーブルを介して、発生した電気を集めるのが接続箱です。集めた直流電流は家庭では使えないので、交換電流に変換できるパワーコンディショナに送ります。

 

発電した電気をすぐ使う場合、パワーコンディショナから分電盤に電気を送るだけですが、蓄電池に充電するなら蓄電池用のパワーコンディショナが必要です。蓄電池は直流電流で充電するので、交換電流をもう一度直流電流に変換する必要があります。

 

2度の変換で起きる発電ロスを回避したい場合は、ハイブリッド型蓄電池を設置するとよいでしょう。分電盤と蓄電池それぞれに送る電気の調整を1台で行えるので、効率が良い上に省スペースです。

 

同時に設置しなくてもよい

太陽光発電導入時に蓄電池を設置する方も多くいますが、あとから蓄電池を設置することも可能です。太陽光発電導入当初は電力会社に電気を売る売電目的で導入した方が、自家消費に切り替えるために蓄電池を導入するケースもあります。

 

既設の太陽光発電設備を持つ多くの方が蓄電池を導入した理由のひとつが2019年問題です。日本政府は太陽光発電導入後10年間、固定した高価格で売電できると保証していますが、10年経つと各電力会社が定める価格で売電することになります。固定価格の買取期間の満了対象者が最初に出たのが2019年です。これが2019年問題と呼ばれていました。

 

買取期間満了後の売電価格は買電価格より低いケースも多く、売電するより自家消費したほうがお得になります。蓄電池があれば2019年問題に首尾よく対応できるでしょう。

 

太陽光発電での蓄電池のメリット

蓄電池自体にも非常時のバックアップとしての役割がありますが、太陽光発電をプラスすればさらに非常時に役立ちます。蓄電池は充電した電気を使い切ると停電時はもう使えません。しかし、太陽光発電の電気を使えれば再び充電できるので、電気を使える期間が長くなります。

 

節電効果も太陽光発電との併用でアップします。太陽光発電だけでは夜間の電力自家消費はできません。蓄電池に充電すれば夜間でも発電した電気を自家消費できるので、電力会社から電気を買う機会も減らせます。節電と同時に電気代の節約にもなるでしょう。

 

まとめ

蓄電池はどれも2つの電極と電解液で成り立っています。電力供給のバランスを整える役割があり、非常時のバックアップとして日本政府推奨の設備です。太陽光発電と併用すればよりメリットを活かせます。

 

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