再生可能エネルギーを推進させる半導体技術

日本は2050年までにカーボンニュートラルを実現することを世界に向けて宣言した。カーボンニュートラルは、人間活動で生成されるCO₂（二酸化炭素）と、植物が光合成のために吸収するCO₂の量の収支をゼロにすることである。これまで工業化が推進された結果、排出するCO₂の方が吸収するCO₂よりも圧倒的に多い。このため、できるだけCO₂を出さない、あるいはCO₂を減らすことが大切で、どうしてもCO₂を出すのであれば、植物を植えてCO₂を吸収しなければならない。

CO₂を出さないためには、CO₂を排出しない動力やエネルギーを使わなくてはならない。またCO₂を減らすためには、無駄をなくし、わずかなエネルギーでシステムや動力を動かせるように消費電力を可能な限り下げることが大事だ。

CO₂を出さないエネルギー源として位置付けられているのが再生可能エネルギーだ。また、火力発電と違い、原子力発電はCO₂を排出しない。しかし、原子力発電にはリスクが必ず付きまとう。アメリカではスリーマイル島での事故以来、原子力発電所は1件も新設されていない。

やはり、本命は再生可能エネルギーだが変動が大きい。だからといって原子力へ戻るのなら、実は技術が遅れてしまいかねないのだ。再生可能エネルギーの変動を抑える技術こそ、これから開発していなければならない重要な技術である。

また、わずかなエネルギーでシステムや動力を動かすように消費電力を可能な限り下げる技術も重要となる。実は、再生可能エネルギーにしても、消費電力の削減にしても共に半導体技術が威力を発揮する。

再生可能エネルギー発電を系統電力で使う問題

現在、商用化されている再生可能エネルギーは、ソーラー（太陽光）と風力、水力が主力だが、温泉を利用する地熱や、海流の強い地域での潮力を利用した発電もある。ソーラー以外の応用は、タービンの回転を利用して発電機を回す方式である。風力は風によってタービンを回し、水力はダムからの水の落下を利用してタービンを回す。地熱は地下からの温泉の熱や蒸気を利用してタービンを回す。

ソーラーだけが太陽光を利用して光を電気に変換している。ソーラー発電は、光を電気に変換するために半導体のpn接合を作り、接合部分で電子と正孔に分かれて電流を流すフォトダイオードなのだ。つまりソーラーセルは半導体そのものである。その電流は一方向にしか流れない直流だが、商用電源は100V交流だから、直流を交流に変換しなければならない。

また、1個のセルのpn接合が作り出す電圧はわずかに0.7〜0.8V程度しかない。しかし、pn接合を数十個直列に接続すれば数十Vになる。ソーラーパネルは、フォトダイオードを直列に数十個接続したデバイス（モジュール）を数枚〜数十枚接続することによって百V以上の電圧に上げているのだ。ソーラーパネルは、このようにしてモジュールを多数並べてより高い電力を得られるようにしている。

他のエネルギー源は、モーターと同じ構造を持つ発電機を使い、回転子を回すことで交流電力を発生させる。モーターは、交流電力を流し、N極とS極を次々と変えることで回転運動に変える装置である。その逆に風車や水車の羽根で発電機を回転させると、交流電力が生まれるわけだ。しかし、家庭やオフィス、工場などの商用で使うためには、50Hzあるいは60Hzの周波数で実効電圧100V、あるいは200Vの交流電力を作り出さなければならない。しかし、風力や水力で発生させた交流電力は、風や水の強さによって、電圧や周波数が変わってしまうため、このままでは系統電力線には戻せない。そこで、風力や水力などで生み出された交流電力を安定な商用電力に変換する必要がある。その役割を果たすのが半導体である。

日本は東西で50Hzと60Hzという2種類の周波数の商用電力を作り出してしまった。同じ交流でも50Hzから60Hzに変換するためには、いったん直流に変えて半導体で精密な60Hzあるいは50Hzの正弦波の交流電力を作り出さなければならない。実は世界でも、一つの国で周波数の異なる国は日本しかいない。日本の先人は、とんでもないことをしてくれたのかもしれない。

ソーラー発電にはパワーコンディショナーが必須

ソーラー発電電力を商用電力に使えるようにするためには、パワーコンディショナーと呼ばれる装置が欠かせない。ソーラー発電では、太陽電池モジュールを直列に接続しているが、例えば住宅の例では、南向きの屋根には多数、東向きや西向きの屋根には少数のモジュールを搭載している。

図1ではモジュールを直列接続したパネルをストリングと呼び、西側の屋根には6枚モジュール構成のストリング1、東側の屋根には7枚モジュールのストリング2、そして南側屋根には10枚構成のストリング3と名付けている。それぞれのストリングはモジュール枚数が異なるため生み出す電圧が異なる。このため、それぞれにDC-DCコンバータ（半導体）を設け、それぞれ異なる電圧を、直流電圧100Vに統一変換する。そしてその電圧をインバータ（半導体）で直流から交流に変換させる。その時の交流周波数が50Hzないしは60Hzになるように半導体を使って調整するため、多数の半導体が使われている。

図1にあるMPPT（最大電力点追従）制御技術とは、ソーラーセルの電流-電圧特性において最大電力となる点の電流・電圧値になるように調整する技術である。太陽光によって電子と正孔が発生し電流が流れると、電流と電圧を発生させるが、電圧が最大なら電流はゼロになり、電圧が低いと電流はたくさん流れる。電力は電流×電圧だから、図2のように最大の電力となる最適値がある。MPPT制御技術は、電流の大きさに応じて電力が最大になるように調整する技術である。

MPPT制御技術を備えたDC-DCコンバータで100Vなどの一定の出力電圧に変換する方式であれば、モジュール枚数の違いだけではなく、モジュールに搭載されている太陽電池セルの種類や製造企業に関係なく、このパワーコンディショナーを使うことができる。

図1のようにストリングが3本ある例では、それぞれのストリングによって電力最大の最適値は異なっている。そこで、これらを合成した電力の最大値を示すのが図2である。ストリング3本の最適値と合成した電力の最適値とは少し異なっているが、この最大点になるように合成する技術がフルMPPT制御である。もちろんここでも半導体技術が使われている。

パワー半導体の種類が豊富に

ここで、使われる半導体について簡単に整理しておこう。ソーラーパネルからの電力は直流電力であると共に電圧レベルがストリングによってまちまちであるからDC-DCコンバータで数十Vの直流電圧を100Vの直流にまず変換しておく。この変換では、パワートランジスタ、さらにそのゲートに適切な電圧を加えるためのドライバIC（パワー半導体の一種）とフィードバックループ回路などが必要。そして、直流100Vを交流100Vに変換するためのインバータ回路（パワートランジスタをオンオフさせるパルスの幅を変化させることで、疑似的に正弦波交流を作り出す）が必要で、このカギを握るトランジスタがパワートランジスタである。パルスの幅を正確に制御することによって、正確な50Hzあるいは60Hzの交流電圧を作りだすことができる。

このパワートランジスタは日本が世界的にも上位で強い分野でもあるが、最も普及しているMOSFETやバイポーラトランジスタ、IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）といったシリコントランジスタに加え、SiC MOSFETやGaN HEMT（高移動度トランジスタ）といった新しいトランジスタが近年出てきた。それらは、図3のように高周波で動作できるというメリットがあり、高周波だと大きなコンデンサやインダクタ（コイル）という部品を小型にできるため、システム全体を小さくできる。

バッテリーと組み合わせて安定性を増す

上記の住宅用ソーラーパネルは、基本的に昼間しか発電しない。人間の社会活動は昼間に大量の電力を使い、夜間に使う電力が少ないとはいえ、夜間は全く発電しないため、ソーラーだけで安定した電力を得ることは難しい。

まして産業用のソーラー発電所だと、発電規模がメガワットと極めて大きく、その変動は系統電力に大きく影響を与える。このため、昼間と夜間の差を埋めるためにバッテリー（蓄電池）も備えている。昼間はソーラーから発生した電力をバッテリーに蓄電しておき、ソーラーが全く発電しない夜間の電力をバッテリーからの電力で系統電力に戻すのである。

ソーラー発電は光が当たっている時だけ電流が流れ、貯める能力はないが、バッテリーとセットで用意すれば、発電所としての能力を十分に持つことができる。バッテリーシステムには、ソーラーで生じる電圧をバッテリーに貯めるために変換するDC-DCコンバータが必要で、ここにも半導体が使われている。また、バッテリーからの電源を送電線に戻す場合にはバッテリーに溜まっている電荷を直流で取り出した後、交流に変換しなければならない。図4に示すようにソーラーパネルの電力を送電線に戻したり、そのまま利用したりすることもある。このようにして、電力線全体は、昼夜の差を減らすことができ需給バランスに近づけることができる。

ここでもやはりパワーコンディショナーが必要である。同様に、充電するためのバッテリーシステムでも、ソーラーパネルの電圧からバッテリー電圧に変換するDC-DCコンバータや充電時に制御する充電制御IC、さらに系統電力線に交流電力を供給するDC-ACインバータなどの回路と半導体が必要になる。

これらの回路では、高電圧を扱うため、パワー半導体が欠かせない。制御すべき電力によって、シリコンのMOSFET（MOS型電界効果トランジスタ）、IGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、SiC MOSFETなどを使い分けていく。

風力発電にも不可欠なパワーコンディショナー

ドイツでは風力発電が盛んで、至る所に風車が見られる（図5）。ソーラーより風力の方が発電量も多い。高速道路沿いにも風車を設置しているが、騒音が指摘されているため、海上に風力タービンを設置する洋上風力が有力視されている。海上なら風が強く騒音も気にならない。

風力発電や水力発電では、風や水の力を利用してタービンを回すのだが、ちょっとした風の勢いや水の勢いの違いでタービンの回転が変化し、出力電力が変動する。このため、ソーラーシステムと同様に、パワーコンディショナーが欠かせない。かつて風力発電の電源の安定化は、タービンの回転による電力の変動を打ち消し合うような形で図っていた。しかし、この従来方式は精度が低いため、現在は不安定なタービンの交流電力を安定な直流電力に変換し、さらに安定な交流電力を作り出している。

タービンの回転による変化があったとしても、安定した直流電力に変換しておけば、半導体、すなわちIGBTのようなパワートランジスタやドライバ回路、マイコンなどを使って、系統電力に相当する電圧と位相を正確に作り出すことができる。

しかも、従来の風力発電では、風車のゆっくりとした回転を発電機の高速回転に変換するギアボックスを使っていたが、歯車によるギアは機械的なストレスが加わるため信頼性が十分ではない。そこで、ギアボックスを使わず、直接AC-DCコンバータによって直流電力を作り出し、この安定化電源回路にパワー半導体のDC-ACインバータを設けて正確な周波数の交流電力を発生させている（図6）。最終的には系統電力の電圧にトランスで変換することによって効率を従来の89%から90%へと上げることができた。

半導体を使うと、正確に欲しい電圧を作り出すことができるため、例えば富士電機は、重量と体積の大きなトランスも除去するために、パワー半導体を多段構成で使ったDC-ACインバータによって電圧を上げ、変換効率を93%とさらに高くした。効率が高ければ損失が少なくなり十分な電力を供給できるようになる。

ただし、パワートランジスタは動作時に発熱するため、十分な冷却が必要で効率の良い水冷が使われることが多い。このためIGBTやSiC MOSFETのような高耐圧・大電流のトランジスタのモジュールでは液漏れがないような高信頼の熱設計が必要となる。

また最近では、GaNを縦型構造にしてSiCと同じ性能を得ようとする研究も活発になっているほか、Ga₂O₃（酸化ガリウム）という新材料もパワートランジスタの候補に上がっている。半導体のエネルギーギャップがSiCよりも大きいため、高温動作が可能で、絶縁耐圧も高いからだ。しかし、今のところ、電流の通りやすさを示す電子移動度が75㎠/VsとシリコンMOSトランジスタの1/6しかないため、まだ有望とは言い切れない。

次世代風力は洋上での発電

日本でもNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）を中心に洋上風力発電に関する調査を行っており、複数の洋上発電所から陸地までの中継を直流で送電することを検討している（図7）。従来の交流送電は送電線の周囲に磁界が発生し損失が増える。洋上発電で発電した交流電力を海底ケーブルで送ると熱による損失が発生し、送電線の距離が延びれば延びるほど損失を補うための技術にコストがかかる。このため、直流送電が有利だという結論が出ているのだ。もちろん、超電導の直流送電は理想的ではあるが、最低でも-196℃まで冷却しなければならないため、コスト的に現実的ではない。

NEDOの試算によると、直流送電は直流に変換するサイトの初期コストがかかるものの、洋上発電では50kmの距離がブレークイーブンになるとしている。実はヨーロッパではすでに洋上発電プロジェクトが進んでおり、いくつか設置されている。国内では、図7のように福島沖10km地点から海底ケーブルの直流送電技術で、需要の多い神奈川県沖までの間をつなぐという構想が上がっている。

直流送電では、風力タービンによって交流の発電が起き、それを直流に変換する時に半導体パワートランジスタを使う。高電圧の系統電力へ送る場合には、直接高電圧に変換するのではなく、2〜3段階かけて上げていく。この時に高耐圧のSiCが有望と見られている。SiCを使えば、システムの損失が少なくなり、重くてかさばるトランスやインダクタをぐっと小さくできるというメリットもある。

水力発電もパワコンで制御

再生可能エネルギーとしての水力発電はかつての大規模発電から中小規模発電へシフトしている。かつての水力発電では、ダムを作り水を貯め、水の落下を利用してタービンを回す方式だったが、ダムの環境への影響や住民の反対などで大規模な水力発電施設は、もはや作りにくくなっている。むしろ最近では、地域での地産地消の中小規模な水力発電が活発になっている。

数十kW〜1MWの小規模発電でも地域の系統電力線に電力を供給する以上、電圧と周波数をしっかりと合わせなければならない。そのためには風力発電と同様、パワーコンディショナーが必要となる。水力発電でも、水車による永久磁石発電機で発生した交流電力は変動が大きく不安定なため、そのまま系統電力へ送ることはできない。そこで、いったん直流に変換し、安定した直流回路からパワー半導体を使って、PWM（パルス幅変調）などの制御によって安定した周波数の電圧を発生させ系統電力へ送る。

このため、地産地消の中小規模水力発電でも水のエネルギーで羽根を回す回転子と発電機、そしてパワーコンディショナーをセットで使う。例えば明電舎の例では、0.255m³/sの水流量でタービン（回転子）を回し、1070回転/分の永久磁石発電機で63kWの最大電力を発生させるが、これだけでは系統電力へ送ることができないため、パワーコンディショナーを通して精度の高い60Hzの交流電力（58kW）に変換して送っている。パワーコンディショナーを通る分のロスができるため、出力電力が58kWに落ちるが、それでも効率は高い。

中小規模水力発電は、再生可能エネルギーで発電された電力を電力会社が買い取るFIT（固定価格買取制度）の対象になっている。経済産業省資源エネルギー庁によると2017年3月末時点で、112万kW（598件）の中小規模水力発電設備がFIT認定を受けており、その内24kW（285件）が運転開始しているという。

蓄電システムにもパワコン

以上、紹介してきた再生可能エネルギーの太陽光発電、風力や水力、あるいは潮力などタービンを回転させて発電するようなエネルギーを、系統電力として使うためには必ずパワーコンディショナーが必要となる。

蓄電するためのバッテリーシステムでも、系統電力として使うためには、パワーコンディショナーが必要となる。直流のバッテリーを単純に交流に変換するだけではない。系統電力の電圧と50Hzあるいは60Hzの周波数にピタリと合わせなければならないからだ。

電気自動車（EV）のTesla Motors（アメリカ）が販売した家庭用蓄電池「Powerwall」は、電力を貯めるだけではない。バッテリーから系統電力へ電力を供給するため、パワーコンディショナーを搭載している。このパワーコンディショナーはソーラーパネルからも直接つなぐことができるため、ソーラーセルからの電力も系統電力からも電力も受けたり、供給したりできる。

EVバッテリーの再利用

Tesla MotorsがEVだけではなく、家庭用蓄電池も販売しているのには訳がある。EV用のバッテリーシステムは、充放電を繰り返すうちに劣化してバッテリー容量が低下する。それでも使い続けることはできるが、航続距離（1回の充電で連続して走れる距離）は短くなってしまう。このためバッテリー航続距離が初期の80%程度に短くなれば、それを家庭用バッテリーとして再利用する。家庭用バッテリーなら蓄電能力が失われない限り、長期間使うことができるからだ。

自動車業界は一斉にEV化へとギアチェンジし始めたが、その中心技術はバッテリーである。これまでEVに最も消極的だったGeneral Motors（アメリカ）でさえ、EVのラインナップを揃えるだけではなく、バッテリーモジュールに加え小さな電池セル自身も自ら開発することを、2022年のCESの基調講演の中で述べている。自動車産業が自らリチウムイオン電池セルを開発するとなると、そのバッテリーシステムの再利用も考えた戦略に向かうことは間違いない。EV電池の再利用の大きな市場が家庭用バッテリーとなるなら、パワーコンディショナーそのものが将来の大市場となる可能性を秘めている。

再生可能エネルギーのパワーコンディショナーが、将来家庭用のバッテリーシステムにも標準搭載されるようになれば、パワー半導体にとっても大市場が生まれることになる可能性がある。自動車がEV全盛になる時代は2030年代かもしれないが、この時代からパワーコンディショナーが1家に1台の時代が来るようになれば半導体はまた大きな市場を得ることになる。

時代を先取りするTesla Motorsは、家庭用だけではなく、商業・産業用のエネルギーシステムとして、ソーラー、蓄電池、パワーコンディショナーを一体化したシステムを手掛けているほか、電力系統用エネルギーシステムとしても蓄電池とパワーコンディショナーを搭載したシステムを提供している。前者は、近畿日本鉄道やシェラネバダ醸造工場で使われており、後者は電力の貯蔵と発電、マイクログリッドに向けたシステムで、すでに両者合わせて50ヵ国、1000サイト、合計電力10GWhという容量の電力を提供している。

Writer

津田 建二（つだ けんじ）

国際技術ジャーナリスト、技術アナリスト。

現在、英文・和文のフリー技術ジャーナリスト。

30数年間、半導体産業を取材してきた経験を生かし、ブログ（newsandchips.com）や分析記事で半導体産業にさまざまな提案をしている。セミコンポータル（www.semiconportal.com）編集長を務めながら、マイナビニュースの連載「カーエレクトロニクス」のコラムニストとしても活躍。

半導体デバイスの開発等に従事後、日経マグロウヒル社（現在日経BP社）にて「日経エレクトロニクス」の記者に。その後、「日経マイクロデバイス」、英文誌「Nikkei Electronics Asia」、「Electronic Business Japan」、「Design News Japan」、「Semiconductor International日本版」を相次いで創刊。2007年6月にフリーランスの国際技術ジャーナリストとして独立。著書に「メガトレンド　半導体2014-2025」（日経BP社刊）、「知らなきゃヤバイ! 半導体、この成長産業を手放すな」、「欧州ファブレス半導体産業の真実」（共に日刊工業新聞社刊）、「グリーン半導体技術の最新動向と新ビジネス2011」（インプレス刊）などがある。

URL： http://newsandchips.com/