パラボリックトラフ
カリフォルニア州ハーパーレイク近郊の工場のパラボリックトラフ

パラボリックトラフコレクター（PTC）は、一方向に直線、他の二方向に放物線状に湾曲した形状の太陽熱集熱器の一種で、研磨された金属鏡が裏打ちされています。鏡の対称面と平行に入射する太陽光は、焦点線に沿って集光され、そこに加熱対象物が配置されます。例えば、ソーラークッカーでは、トラフの焦点線上に食材を置き、トラフを太陽が対称面に位置するように向けることで調理されます。

その他の用途では、トラフの焦点線に沿って流体を充填したチューブが敷設されます。太陽光はチューブに集光され、流体は太陽光エネルギーによって高温に加熱されます。この高温の流体は熱機関（ORCサイクルや水蒸気ランキンサイクルなど）に送られ、熱エネルギーは機械の駆動や発電に利用されます。この太陽熱集熱器は、最も一般的でよく知られているパラボリックトラフの一種です。

標準的なタービン発電機を駆動するために熱媒流体を用いて蒸気を加熱する場合、熱効率は50～80%の範囲です。集熱器から送電網までの総合効率、すなわち（電力出力）/（入射する太陽光エネルギーの総量）は約15%で、太陽電池と同程度ですが、スターリング皿型集光器よりも低くなります。大規模な太陽熱発電所には、サーモクラインタンクなどのエネルギー貯蔵手段が必要です。サーモクラインタンクでは、珪砂と珪岩の混合物を用いてタンク内の容積の大部分を置換します。その後、熱媒流体（通常は溶融硝酸塩）でタンクを満たします。

2014年現在、パラボリックトラフ技術を採用した最大の太陽熱発電システムとしては、カリフォルニア州の354MWのSEGS発電所、溶融塩蓄熱式の280MWソラナ発電所、250MWのジェネシス太陽エネルギープロジェクト、スペインの200MWソラベン太陽光発電所、およびアンダソル1太陽光発電所がある。[ 1 ] [ 2 ]

効率

パラボラトラフ型太陽光発電所の図 (上) と、パラボラ集光器が太陽光を焦点に集める様子を示す端面図。

トラフは通常、南北軸上に並べられ、毎日空を横切る太陽を追尾するように回転します。または、トラフを東西軸上に並べることもできます。この場合、太陽光がコレクターに斜めに当たるためコレクター全体の効率は低下しますが、トラフを季節の変化に合わせて調整するだけで済むため、追跡モーターが不要になります。この追跡方法は、春分と秋分の理論上の効率に近づきますが、年間の他の時期には光の焦点を合わせる精度が低くなります。空を横切る太陽の毎日の移動によっても誤差が生じ、日の出と日の入りのときに最大になり、正午に最小になります。これらの誤差要因のため、季節調整済みの放物面トラフは通常、より低い集中受入れ積で設計されます。

パラボラトラフ型集光器は形状が単純ですが、同じ受光角、つまりシステム全体の許容誤差（上記を含む）が同じ場合、その集光度は理論最大値の約3分の1になります。理論最大値は、非結像光学系を用いた一次・二次設計に基づく、より精巧な集光器によってより良く達成されます。 [ 3 ] [ 4 ]は、従来のパラボラトラフ型集光器のほぼ2倍の集光度を実現できる可能性があり[ 5 ]、固定受光器を備えたものなどの実用的な設計の改良に使用されます。[ 6 ]

熱媒体（通常は熱媒油）が管内を流れ、集光された太陽光を吸収します。これにより、熱媒体の温度は約400℃まで上昇します。[ 7 ]熱媒体はその後、標準的なタービン発電機で蒸気を加熱するために使用されます。このプロセスは経済的で、パイプ加熱における熱効率は60～80%です。集熱器から送電網までの総合効率、すなわち（電力出力）/（入射太陽光電力）は約15%で、PV（太陽光発電セル）と同程度ですが、スターリングディッシュ集光器よりも低くなります。[ 8 ]

デザイン

放物面トラフは、xy平面では放物線の形状をしていますが、z方向には直線です。

パラボラトラフは、複数のソーラーコレクターモジュール（SCM）を固定し、1つのソーラーコレクターアセンブリ（SCA）として動作するように構成されています。SCMの長さは最大15メートル（49フィート3インチ）以上になります。12個以上のSCMを組み合わせることで、SCAの長さは最大200メートル（656フィート2インチ）になります。各SCAは独立して追尾するパラボラトラフです。[ 9 ]

SCMは、一体型の放物面鏡として製造することも、複数の小型の鏡を並列に並べて組み立てることもできます。小型のモジュール式鏡は、鏡の製造に必要な機械が小型化されるため、コストを削減できます。また、悪天候時に物体に衝突して損傷した鏡を交換する場合も、コストを削減できます。

さらに、2枚の鏡を互いに斜めに配置したV字型のトラフも存在する。[ 10 ]

2009年、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）とSkyFuelの科学者たちは、ガラス製のモデルを銀ポリマーシートに置き換えることで、今日の最高の集光型太陽熱集熱器よりも30%安価になる可能性のある大型の曲面金属シートの開発に着手しました。銀ポリマーシートは、重いガラスミラーと同等の性能を持ちながら、コストと重量がはるかに低くなっています。また、移動や設置もはるかに容易です。この光沢のあるフィルムは、複数のポリマー層で構成されており、内層は純銀です。[ 11 ]

この再生可能エネルギー源は性質上不安定であるため、エネルギー貯蔵方法が研究されてきました。例えば、大規模太陽熱発電所向けの単一タンク（サーモクライン）貯蔵技術が挙げられます。サーモクラインタンク方式では、シリカ砂と珪岩の混合物を用いてタンク内の容積の大部分を置換します。その後、熱伝達流体（通常は溶融硝酸塩）で満たします。

密閉式トラフ

密閉トラフシステム内部

密閉型トラフ構造は、温室のような温室内に太陽熱システムを包み込みます。温室内は、太陽熱システムの信頼性と効率を高めるために、様々な環境に耐えられる保護された環境を作り出します。[ 12 ]

軽量の曲面太陽光反射鏡が温室内に吊り下げられています。単軸追跡システムによって鏡は太陽を追跡し、その光を温室内構造から吊り下げられた固定鋼管網に集光します。[ 13 ]蒸気は油田品質の水から直接生成されます。水はパイプに沿って流れ、熱交換器や中間作動流体を介さずに生成されます。

生成された蒸気は、油田の既存の蒸気供給ネットワークに直接送られ、油層深部へ継続的に注入されます。鏡を風から保護することで、鏡の温度を高く保ち、湿気にさらされることによる塵埃の蓄積を防ぎます。[ 12 ]密閉型トラフの設計を開発したGlassPoint Solar社は、同社の技術により、日照地域においてEOR用の熱を百万英国熱量単位あたり約5ドルで生産できると述べています。これは、従来の太陽熱技術の10～12ドルと比較して大幅に低いものです。[ 14 ]

密閉型トラフは現在、オマーンのミラー太陽光発電施設で使用されています。2017年11月、グラスポイント社は、カリフォルニア州ベーカーズフィールド近郊のサウスベルリッジ油田にパラボリックトラフを設置するため、アエラ・エナジー社との提携を発表しました。[ 15 ]

早期の商用導入

1917年のシューマンのパラボリックトラフ型太陽エネルギーシステムの特許図面

1897年、米国の発明家、技術者で太陽エネルギーの先駆者でもあったフランク・シューマンは、水より沸点の低いエーテルで満たされた四角い箱に太陽エネルギーを反射させ、その箱の中に黒いパイプを取り付けて蒸気エンジンを稼働させる小型のデモ用ソーラーエンジンを製作した。1908年、シューマンはより大規模な太陽光発電所を建設する目的でサンパワー社を設立した。彼は、技術顧問のASEアッカーマン、英国の物理学者サー・チャールズ・ヴァーノン・ボーイズとともに、鏡を使って太陽エネルギーを集熱箱に反射させる改良システムを開発し、加熱能力を高めてエーテルの代わりに水を使用できるようになった。その後シューマンは低圧水で駆動する本格的な蒸気エンジンを製作し、1912年までにソーラーエンジンシステム全体の特許を取得した。

シューマンは1912年から1913年にかけてエジプトのマアディに世界初の太陽熱発電所を建設した。シューマンの発電所は放物面トラフを用いて45～52キロワット（60～70 馬力）のエンジンを動かし、ナイル川から毎分2万2000リットル以上の水を隣接する綿花畑に汲み上げた。1930年代に第一次世界大戦が勃発し安価な石油が発見されたことで太陽エネルギーの発展は阻害されたが、シューマンのビジョンと基本設計は1970年代に太陽熱エネルギーへの関心が新たに高まり、復活した。[ 16 ] 1916年、シューマンは太陽エネルギーの利用を主張するメディアで次のように語っている。

私たちは熱帯地方における太陽エネルギーの商業的利益を証明し、さらに具体的には、石油と石炭の備蓄が枯渇した後も人類は太陽光線から無限のエネルギーを得ることができることを証明しました。

— フランク・シューマン、ニューヨーク・タイムズ、1916年7月2日[ 17 ]

商業用植物

スペインのアンダソル太陽光発電所。
放物面トラフの配列。

パラボラトラフ型太陽光発電所は、夜間に蓄熱を行う場合もありますが、ハイブリッド型もあり、天然ガスを副燃料源として利用しています。米国では、再生可能エネルギー源として認定されるための化石燃料の使用量は、発電量の最大27%に制限されています。太陽光発電所には、実際の太陽熱集熱器に加えて、冷却ステーション、凝縮器、蓄電池などが含まれるため、面積あたりの発電量は大きく異なります。

2014年現在、パラボリックトラフ技術を採用した最大の太陽熱発電システムとしては、カリフォルニア州の354MWのSEGS発電所、溶融塩蓄熱式の280MWソラナ発電所、250MWのジェネシス太陽エネルギープロジェクト、スペインの200MWソラベン太陽光発電所、およびアンダソル1太陽光発電所がある。[ 1 ] [ 2 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b NREL.gov米国の集光型太陽熱発電プロジェクト、2014年2月17日
  2. ^ a b NREL-govスペインの集光型太陽光発電プロジェクト、2014年2月17日
  3. ^ Chaves, Julio (2015). 『非結像光学入門 第2版』CRC Press . ISBN 978-1-4822-0673-9。
  4. ^ローランド・ウィンストン他著『非結像光学』、アカデミック・プレス、2004年ISBN 978-0-12-759751-5
  5. ^ Diogo Canavarro他「パラボリック一次集光器用新型第二段集光器（XX SMS）；従来のパラボリックトラフ集光器との比較」Solar Energy 92 (2013) 98–105
  6. ^ Diogo Canavarro他「固定式受熱トラフ用無限小エタンデュと同時複数面（SMS）集光器」 Solar Energy 97 (2013) 493–504
  7. ^ 「吸収管の温度」 abengoasolar.es 。 2009年8月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  8. ^パテル99 第9章
  9. ^ 「パラボリックトラフ」 www.gsenergy.eu. 2017年12月6日。
  10. ^ Son, BC (1978年1月1日). 「平面鏡Vトラフ型太陽光集光器の分析」.博士論文. Bibcode : 1978PhDT.......157S – NASA ADS経由.
  11. ^ハリー・トゥルネミル「受賞歴のある太陽光反射板が生産コストを削減」 www.energyboom.com。2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年11月25日閲覧。
  12. ^ a bデロイト トウシュ トーマツ株式会社、「エネルギー・資源予測 2012」 2011年11月2日、Wayback Machineで2013年1月6日にアーカイブ
  13. ^ヘルマン、クリストファー、「太陽からの石油」、『フォーブス』、2011年4月25日
  14. ^グーセンス、エーレン、「シェブロン、カリフォルニアで太陽熱蒸気を使って石油を採掘」、ブルームバーグ、2011年10月3日
  15. ^ 「GlassPojntがBelridge太陽光発電プロジェクトを発表」。
  16. ^スミス、ザカリー・アルデン; テイラー、カトリーナ・D. (2008). 『再生可能エネルギーと代替エネルギー資源：リファレンスハンドブック』ABC-CLIO 174ページ ISBN 978-1-59884-089-6。
  17. ^アメリカの発明家がエジプトの太陽を電力源として利用。熱線を集中させて蒸気を発生させ、暑い気候でも灌漑ポンプを駆動できる装置を開発、ニューヨーク・タイムズ、1916年7月2日。

参考文献

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