粒子受信機
ソーラータワー
国立太陽熱試験施設の粒子受熱器を備えた太陽タワー

粒子受熱器は、太陽タワーの頂上に設置される物体であり、多数の鏡で構成された太陽熱フィールド（ヘリオスタットと呼ばれる）によって表面の太陽エネルギーが集光される。その目的は、太陽エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱処理、熱化学プロセス、または熱機関で利用して太陽タワー発電所で発電することである。これを実現するには、熱伝達媒体と呼ばれる特定の物質を受熱器に導入する必要がある。この熱伝達媒体は、集光された太陽エネルギーによって直接的または間接的に加熱され、高温になって受熱器から排出される。従来の集光型太陽光発電（CSP）で使用される受熱器とは異なり、集光型太陽エネルギーにさらされる金属管を流れることで間接的に加熱される熱伝達媒体として溶融塩を使用する発電所とは異なり、粒子受熱器は固体粒子を採用し、採用される技術に応じて直接的または間接的に加熱することができる。[1] [2]

粒子を熱伝達媒体として採用する主な利点の1つは、直接加熱が可能であることであり、粒子は入射する太陽放射に直接さらされるため、受熱管の不均一な加熱に関連する問題を回避できます。[3]また、1000 °Cを超える温度に達する可能性があるため[1]、超臨界CO2を作動流体として使用するブレイトンサイクルの採用が可能になり、従来のCSP発電所で使用されている蒸気ランキンサイクルと比較して高い熱効率を実現できます。ランキンサイクルの最高温度制限は、溶融塩の熱安定性に関連する問題により565 °Cです。[2] [4] [5]

直接加熱粒子受容器

自由落下受信機

2014年12月に国立太陽熱試験施設で落下粒子カーテンの光透過率を測定

この技術は、集光された太陽放射を吸収する受光器キャビティ内の自由落下粒子カーテンに基づいています。集光型太陽熱発電施設で落下する固体粒子を使用して、発電サイクルまたは化学プロセスに高温の熱を供給するというアイデアは、1980年代初頭にサンディア国立研究所でマーティンとヴィトコが行った先駆的な研究で導入されました。[6] [7]しかし、この概念をより大規模に実証するための最初のステップは、2009年にニューメキシコ州アルバカーキの国立太陽熱試験施設で実施されました。ここでは、5MW thを供給できる太陽光フィールドを備えた高さ 61 メートル (200 フィート) のソーラータワーの上にプロトタイプの粒子受光器が設置されました。これらのテストの結果、受光器の熱効率は約 50%、粒子の最大温度上昇は約 250 °C でした。[8] 2015年には、1メートル四方の開口部を持つ1MW級の受熱器を用いて、より包括的な試験が実施されました。この受熱器は、集光された太陽光を空洞内に入射させます。受熱器の熱効率は50%から80%の範囲で、受熱器底部の粒子の温度は場合によっては700℃に達しました。[9]

従来のソーラータワー発電所で使用される溶融塩の最高温度制限により、 2016年8月に米国エネルギー省（DOE）がワークショップを開催し、溶融塩、固体粒子、気体流体という熱伝達キャリアに基づいた次世代CSP発電所の3つの可能な経路が特定されました。[2]これはさらに、DOEが7,200万ドルを提供する意向を発表した2018年5月15日に開始された第3世代集光型太陽熱発電システムの資金提供プログラムにつながり、3つのチームが太陽エネルギーを効率的に捕捉し、700℃を超える温度で発電サイクルの作動流体に提供できる熱エネルギー貯蔵を統合したシステムの構築で競うプロジェクトです。[10] 2021年3月25日、エネルギー省は、落下固体粒子を採用する経路が、2030年のコスト目標0.05ドル/kWhを達成するのに最も有望であると発表し、サンディア国立研究所に、国立太陽熱試験施設で粒子受熱器を採用したパイロットプラントの建設、試験、運用のために2500万ドルを授与しました。このプラントは2024年末までに完成する予定です。[11] [12]

閉塞流レシーバー

直接加熱の概念を維持しながら粒子の流れを遮断するというアイデアは、粒子の流れを遅くすることで粒子カーテンの不透明度を高めて受熱器の熱効率を高め、開口部を通じた損失を減らすことができるという事実に基づいています。 この概念の初期のテストは 1980 年代にサンディアで実施されましたが、2010 年代まで分析的または実験的な研究は発表されませんでした。 2015 年にサンディアで行われた実験では、V 字型の多孔質構造を使用して、粒子の加熱を改善し、受熱器の開口部を通じた損失を減らすことができました。 ただし、これらの多孔質構造の構築に使用されるステンレス鋼316 が集中した太陽放射に直接さらされることや、その上を粒子が流れることでステンレス鋼が摩耗するという問題がありました。[1] [9]別の設計では、重力と機械的に誘発される振動の複合効果により粒子が流れる螺旋状の傾斜路を使用することが提案されています。試験では、粒子温度を650℃まで上げ、熱効率を約60%にすることが可能であることが示されました。しかし、この設計ではビームダウン光学系が必要となり、追加の光学損失が発生するため、提案された設計では十分な粒子流を得ることが困難になる可能性があります。[13]

遠心受容器

DLRがユーリッヒソーラータワーに設置した遠心式受熱機

この概念は、水平方向に対して傾斜できる回転 円筒形キャビティに基づいています。キャビティの回転により、粒子はキャビティの内面上に薄いが不透明な層を形成します。これらの粒子は、重力の影響によりキャビティの軸方向に沿ってゆっくり下降しながら、集中した太陽放射によって加熱されます。 [14]この概念は、1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて Flamant によって最初に提案されましたが、 2010 年代前半にDLR が実験室規模のプロトタイプ テストを開始するまで、それ以上の開発はありませんでした。 [15] 概念実証15 kWの遠心受容器がケルンの DLR 施設で設計、構築、テストされ、結果から、出口粒子温度を 900 °C 以上にすることが可能であることが示されました。ただし、粒子の質量流量の測定に問題があったため、受容器の熱効率を決定することはできませんでした。[14]さらなる実験キャンペーンでは、入射熱流束670kW/m2で粒子出口温度900℃で75%の熱効率が得られました。[16] 2018年現在、この受熱機コンセプトはユーリッヒソーラータワー試験施設に設置されています。[17]

流動化レシーバー

この受熱機は、2つの動作原理で作動します。1つ目は、フラマンが遠心受熱機を提唱したのと同時に提案したもので、透明なシリカ壁を基礎とし、集光した太陽エネルギーを透過させて圧縮空気によって浮遊する固体粒子を加熱します。目的は、浮遊粒子を加熱してCaCO3の脱炭酸反応を行い、太陽エネルギーを熱化学エネルギーに変換することです。実施された試験では、粒子温度を1200℃以上にまで上昇させることが示されました。[18] 2つ目の動作原理は、1970年代後半にハントが提案したもので、集光した太陽エネルギーを吸収する非常に小さな粒子を圧縮空気流の中に注入するというものです。粒子の表面積が大きいため、粒子は即座にその熱を周囲の空気に伝達します。混合気は粒子が蒸発するまで加熱され、その後、空気はブレイトンサイクルに送られて電気エネルギーを生成します。[19]

間接加熱式粒子受容器

囲いを通る重力駆動の粒子の流れ

この受熱機のコンセプトは、水平方向の管を備えた筐体で構成され、管の外側が筐体の内側に配置され、内側は集光された太陽エネルギーで照射されます。粒子は重力によって筐体内を流れ、加熱されながら交互に配列された管の周りを流れ落ちます。試験では、粒子が管との接触を失った領域では粒子と管の間の熱伝達が低下することが示されましたが、温度と熱効率に関するデータは報告されていません。このコンセプトの利点は、筐体の存在により粒子の損失がないことですが、粒子が間接的に加熱されるため、筐体にかかる熱応力に関連する問題が発生する可能性があります。[1]

チューブを通る流動化粒子の流れ

この概念は直接加熱式流動受容器の概念に類似しているが、唯一の違いは、管が透明ではなく、粒子が金属管によって間接的に加熱される点である。フラマンはこの概念を提案・実証し、最高750℃の懸濁液温度を実現したが、熱効率については報告していない。このアイデアに関連する潜在的な問題としては、受容器内での粒子の流動化に必要な電力消費量、および環境への放射損失を増加させる可能性のあるホットスポットや表面温度の上昇が挙げられる。[1]

粒子選択

ボーキサイト粒子

粒子受熱器の熱性能とプラント全体の経済的実現可能性を評価する上で重要な要素は、使用する粒子の種類です。望ましい特性には、低コスト、高い熱安定性、および直接加熱受熱器の場合は光学特性などがあります。天然素材は価格が安いため検討されますが、高価であっても望ましい特性を高めるために合成できる複合材料にも注意を払う必要があります。直接加熱受熱器では固体粒子が太陽光吸収体として機能するため、その光学特性は受熱器の性能評価において重要になります。太陽熱吸収率を高めることが熱放射率を下げることよりも重要であることが示されています。つまり、放射率の高い粒子は吸収率が高い場合は依然として良い候補と見なすことができますが、吸収率の低い粒子は放射率が低くても良い候補とは見なされません。[20]焼結ボーキサイト粒子は太陽光吸収率が高く、長時間の加熱によるある程度の劣化にもかかわらず、90%以上を維持できることが示されています。[21]また、これらは他の候補粒子の中で最も耐久性が高いことも示されています。[22]そのため、これらは直接加熱粒子受容器に使用するのに最適な候補であると結論付けられ、特に中密度鋳造媒体「Accucast」はサンディア国立太陽熱試験施設で使用されています。[23]

参照

参考文献

  1. ^ abcde Ho, Clifford K. (2016-10-25). 「集光型太陽光発電のための高温粒子レシーバーのレビュー」.応用熱工学. 109 : 958–969 . Bibcode :2016AppTE.109..958H. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2016.04.103 . ISSN  1359-4311.
  2. ^ abc Mehos, Mark; Turchi, Craig; Vidal, Judith; Wagner, Michael; Ma, Zhiwen; Ho, Clifford; Kolb, William; Andraka, Charles; Kruizenga, Alan (2017-01-01). 集光型太陽光発電 Gen3 実証ロードマップ（報告書）. Sandia Laboratories. doi :10.2172/1338899. OSTI  1338899.
  3. ^ Marugán-Cruz, C.; Flores, O.; Santana, D.; García-Villalba, M. (2016-05-01). 「非均一熱流束を有する円管内の熱伝達と熱応力」. International Journal of Heat and Mass Transfer . 96 : 256– 266. Bibcode :2016IJHMT..96..256M. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.01.035. hdl : 10016/32068 . ISSN  0017-9310.
  4. ^ Liu, Ming; Steven Tay, NH; Bell, Stuart; Belusko, Martin; Jacob, Rhys; Will, Geoffrey; Saman, Wasim; Bruno, Frank (2016-01-01). 「集光型太陽光発電所と高温蓄熱技術の新たな開発に関するレビュー」 .再生可能エネルギー・持続可能エネルギーレビュー. 53 : 1411–1432 . Bibcode :2016RSERv..53.1411L. doi :10.1016/j.rser.2015.09.026. ISSN  1364-0321.
  5. ^ バウアー、トーマス;プフレガー、ニコール。レイン、ドゥエルテ。スタインマン、ヴォルフディーター。エック、マーカス。ケーシェ、ステファニー (2013-01-01)、ランテルム、フレデリック。 Groult、Henri (編)、「20 - 太陽光発電応用のための高温溶融塩」、Molten Salts Chemistry、Oxford: Elsevier、pp.  415–438、doi :10.1016/b978-0-12-398538-5.00020-2、ISBN 978-0-12-398538-5、2023年7月4日取得
  6. ^ Martin, J.; Jr, Vitko J. (1982-01-01). 「ASCUAS：固体熱キャリアを利用した太陽熱中央集熱器」.米国エネルギー省科学技術情報局. doi : 10.2172/5663779 . OSTI  5663779.
  7. ^ Tan, Taide; Chen, Yitung (2010-01-01). 「固体粒子型太陽光受熱器に関する研究レビュー」 .再生可能エネルギー・持続可能エネルギーレビュー. 14 (1): 265– 276. Bibcode :2010RSERv..14..265T. doi :10.1016/j.rser.2009.05.012. ISSN  1364-0321.
  8. ^ Siegel, Nathan P.; Ho, Clifford K.; Khalsa, Siri S.; Kolb, Gregory J. (2010-05-01). 「プロトタイプ固体粒子レシーバーの開発と評価：太陽光下での試験とモデル検証」 . Journal of Solar Energy Engineering . 132 (2). doi :10.1115/1.4001146. ISSN  0199-6231.
  9. ^ ab Ho, Clifford; Christian, Joshua; Yellowhair, Julius; Armijo, Kenneth; Kolb, William; Jeter, Sheldon; Golob, Matthew; Nguyen, Clayton (2016). 「高温落下粒子レシーバーの性能評価」第1巻：バイオ燃料、水素、合成ガス、代替燃料、コージェネレーション（CHP）およびハイブリッド発電・エネルギーシステム、集光型太陽熱発電、エネルギー貯蔵、先進エネルギーシステムの環境的・経済的・政策的考察、地熱、海洋、および新興エネルギー技術、太陽光発電、ポスター、太陽化学、持続可能な建築エネルギーシステム、持続可能なインフラと交通、エネルギーシステムの熱力学分析、風力エネルギーシステムと技術。doi :10.1115/es2016-59238. ISBN 978-0-7918-5022-0。
  10. ^ 「第3世代集光型太陽光発電システム（Gen3 CSP）」Energy.gov . 2023年7月4日閲覧。
  11. ^ 「第3世代集光型太陽光発電システム（Gen3 CSP）フェーズ3プロジェクト選定」Energy.gov . 2023年7月4日閲覧。
  12. ^ Kraemer, Susan (2023年2月18日). 「サンディア研究所、第3世代粒子ベースCSP技術デモの着工」SolarPACES . 2023年7月4日閲覧。
  13. ^ シャオ、ガン;郭、カイカイ。ニー、明江。羅、中陽。セン、ケファ (2014-11-01)。「高温スパイラル太陽粒子受信機の光学的および熱的性能」。太陽エネルギー。109 : 200– 213。ビブコード:2014SoEn..109..200X。土井：10.1016/j.solener.2014.08.037。ISSN  0038-092X。
  14. ^ ab Wu, W.; Amsbeck, L.; Buck, R.; Uhlig, R.; Ritz-Paal, R. (2014). 「遠心式粒子レシーバーの概念実証試験」. Energy Procedia . 49 : 560– 568. Bibcode :2014EnPro..49..560W. doi : 10.1016/j.egypro.2014.03.060 .
  15. ^ Flamant, Gilles; Hernandez, Daniel; Bonet, Claude; Traverse, Jean-Pierre (1980-01-01). 「太陽エネルギーの熱化学的変換に関する実験的側面：CaCO3の脱炭酸反応」 .太陽エネルギー. 24 (4): 385– 395. Bibcode :1980SoEn...24..385F. doi :10.1016/0038-092X(80)90301-1. ISSN  0038-092X.
  16. ^ Wu, Wei; Trebing, David; Amsbeck, Lars; Buck, Reiner; Pitz-Paal, Robert (2015-08-01). 「高温集光型太陽光発電用遠心式粒子レシーバーの試作試験」 . Journal of Solar Energy Engineering . 137 (4). doi :10.1115/1.4030657. ISSN  0199-6231.
  17. ^ ドイツ航空宇宙太陽エネルギー研究所（DLR）「DLR太陽エネルギー研究所 - DLRのイノベーションCentRec®は新たなコスト削減の機会を提供」www.dlr.de。2023年7月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年7月4日閲覧。
  18. ^ Flamant, Gilles; Hernandez, Daniel; Bonet, Claude; Traverse, Jean-Pierre (1980). 「太陽エネルギーの熱化学変換に関する実験的側面：CaCO3の脱炭酸反応」 .太陽エネルギー. 24 (4): 385– 395. Bibcode :1980SoEn...24..385F. doi :10.1016/0038-092X(80)90301-1.
  19. ^ Hunt, AJ (1979-04-01). 「小粒子熱交換器を利用した新しい太陽熱受熱器」Intersociety Energy Conversion Conference, Boston, MA, USA, 1979年8月5日. OSTI  5980027.
  20. ^ カルデロン、アレハンドロ;バレネシュ、カミラ。パラシオス、アナベル。セガラ、メルセ。プリエト、クリスティーナ。ロドリゲス・サンチェス、アルフォンソ。フェルナンデス、アナ・イネス（2019）。 「太陽熱発電所における伝熱流体および熱エネルギー貯蔵用の固体粒子材料の検討」。エネルギー貯蔵。1 (4)。土井：10.1002/est2.63。hdl : 2445/175822。ISSN  2578-4862。S2CID  181863403。
  21. ^ Siegel, Nathan P.; Gross, Michael D.; Coury, Robert (2015-08-01). 「落下粒子太陽熱集光器用直接吸収・蓄電媒体の開発」. Journal of Solar Energy Engineering . 137 (4). doi : 10.1115/1.4030069 . ISSN  0199-6231. S2CID  110006586.
  22. ^ Knott, RC; Sadowski, DL; Jeter, SM; Abdel-Khalik, SI; Al-Ansary, HA; El-Leathy, Abdelrahman (2014-06-30). 粒子加熱集光型太陽光発電システムにおける固体粒子の高温耐久性．アメリカ機械学会．doi : 10.1115/ES2014-6586. ISBN 978-0-7918-4586-8。
  23. ^ Ho, CK; Christian, J.; Yellowhair, J.; Jeter, S.; Golob, M.; Nguyen, C.; Repole, K.; Abdel-Khalik, S.; Siegel, N.; Al-Ansary, H.; El-Leathy, A.; Gobereit, B. (2017). 「高温落下粒子レシーバープロジェクトのハイライト：2012～2016」. Solarpaces 2016: 集光型太陽熱発電および化学エネルギーシステムに関する国際会議. AIP会議論文集. 1850 (1): 030027. Bibcode :2017AIPC.1850c0027H. doi : 10.1063/1.4984370 .

さらに読む

  • Röger, Marc; Amsbeck, Lars; Gobereit, Birgit; Buck, Reiner (2011). 「循環を利用したフェイスダウン型固体粒子レシーバー」 . Journal of Solar Energy Engineering . 133 (3). doi :10.1115/1.4004269.
  • Buck, Reiner; Sment, Jeremy (2023). 「複数タワー型太陽粒子発電所の技術経済分析」. Solar Energy . 254 : 112–122 . Bibcode :2023SoEn..254..112B. doi : 10.1016/j.solener.2023.02.045 . S2CID  257592663.
  • 落下粒子受容器パイロットプラント
  • DLR粒子受信機
  • 粒子受信機のSolarPACES
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