コンパクトなリニアフレネル反射鏡

コンパクト線形フレネル反射鏡（CLFR ）は、集光線形フレネル反射鏡とも呼ばれ、線形フレネル反射鏡（LFR ）技術の特定のタイプです。この鏡はフレネルレンズに似ていることからこの名前が付けられました。フレネルレンズでは、多数の小さく薄いレンズ片を組み合わせて、はるかに厚い単純なレンズをシミュレートします。これらのミラーは、太陽のエネルギーを通常の強度の約30倍に集光することができます。^[1]

リニアフレネル反射鏡は、長くて薄い鏡のセグメントを使用して、反射鏡の共通焦点にある固定吸収体に太陽光を集中させます。この集中したエネルギーは吸収体を通じて熱流体 (通常、非常に高い温度でも液体状態を維持できるオイル) に伝達されます。次に、流体は熱交換器を通過して蒸気発生器に電力を供給します。従来の LFR とは異なり、CLFR は鏡の近傍に複数の吸収体を使用します。

最初の線形フレネル反射鏡太陽光発電システムは、1961年にイタリアのジェノバ大学のジョバンニ・フランシアによって開発されました。^[2]フランシアは、そのようなシステムにより、流体を働かせることができる高温を作り出すことができることを実証しました。この技術は、1973年の石油危機の際にFMCコーポレーションなどの企業によってさらに研究されましたが、1990年代初頭まで比較的手つかずのままでした。^[1] 1993年に、最初のCLFRがシドニー大学で開発され、1995年に特許を取得しました。1999年には、先進的な吸収体が導入され、CLFRの設計が強化されました。^{[2] 2003年には、このコンセプトが}3Dジオメトリに拡張されました。 ^[3] 2010年に発表された研究では、非結像光学系^[4]を使用して、ヘリオスタットのサイズと曲率を変えたり、さまざまな高さ（波形曲線上）に配置したり、結果として得られた一次光と非結像二次光を組み合わせたりするなど、システム内のさまざまな自由度を探索することで、より高い濃度やより高い受光角が得られる可能性があることが示されました。^[5]

反射鏡はシステムの底部にあり、太陽光線を吸収体に集光します。すべての LFR を従来の放物面トラフミラーシステムよりも有利にする重要なコンポーネントは、「フレネル反射鏡」の使用です。これらの反射鏡はフレネルレンズ効果を利用しており、これにより、大口径で焦点距離の短い集光ミラーを実現しながら、反射鏡に必要な材料の量を減らすことができます。たるんだガラスの放物面反射鏡は通常非常に高価なので、これによりシステムのコストが大幅に削減されます。^[2]しかし、近年、薄膜ナノテクノロジーにより放物面ミラーのコストが大幅に削減されました。^[6]

太陽光集光技術において対処しなければならない大きな課題は、太陽が一日を通して進むにつれて入射光線（鏡に当たる太陽光線）の角度が変化することである。CLFRの反射鏡は通常、南北方向に整列しており、コンピュータ制御の太陽追跡システムを使用して単一の軸を中心に回転する。^[7]これにより、システムは太陽光線と鏡の間の入射角を適切に維持し、エネルギー伝達を最適化することができる。

吸収体はミラーの焦点線上にあり、反射体セグメントと平行にその上を走り、放射を作動熱流体に輸送します。CLFRシステムの吸収体の基本設計は、図2に示すように、絶縁蒸気管を囲むガラスカバーを備えた反転空気空洞です。この設計はシンプルでコスト効率が良く、光学性能と熱性能が優れていることが実証されています。^[1]

CLFR の最適なパフォーマンスを得るには、吸収装置のいくつかの設計要素を最適化する必要があります。

• まず、吸収体と熱流体の間の熱伝達を最大化する必要があります。^[1]これは、蒸気管の表面が選択的であることに依存します。選択的表面は、吸収されるエネルギーと放出されるエネルギーの比率を最適化します。許容される表面は、通常、入射光の96％を吸収し、赤外線を7％のみ放出します。^[8] 電気化学的に堆積された黒色クロムは、その十分な性能と高温に耐える能力のために一般的に使用されます。^[1]
• 第二に、吸収体は選択面全体の温度分布が均一になるように設計する必要があります。不均一な温度分布は表面の劣化を加速させます。通常、300 °C (573 K; 572 °F) の均一な温度が求められます。^[1]均一な分布は、プレート上の断熱材の厚さ、吸収体の開口部のサイズ、空気空洞の形状と深さなどの吸収体のパラメータを変更することで得られます。

従来の LFR とは異なり、CLFR ではミラーの近傍に複数の吸収体を使用します。これらの追加の吸収体により、図 3 に示すように、ミラーの傾斜を交互に変えることができます。この配置には、いくつかの利点があります。

• まず、交互に傾斜することで、反射板が隣接する反射板の太陽光へのアクセスをブロックする影響を最小限に抑え、システムの効率を向上させます。
• 第二に、複数の吸収体を設置することで、設置に必要な地上スペースを最小限に抑えることができます。これにより、土地の調達と準備にかかるコストが削減されます。^[1]
• 最後に、パネルを近接させることで吸収ラインの長さが短縮され、吸収ラインを通じた熱損失とシステム全体のコストが削減されます。

アレバ・ソーラー（Ausra）は、オーストラリアのニューサウスウェールズ州にリニアフレネル反射鏡工場を建設しました。当初は2005年に1MWのテストでしたが、2006年に5MWに拡張されました。この反射鏡工場は、2,000MWの石炭火力リデル発電所を補完しました。^[9]太陽熱蒸気システムによって生成された電力は、工場の運転に必要な電力を供給するために使用され、工場の内部電力使用量を相殺します。 AREVAソーラーは、2009年にカリフォルニア州ベーカーズフィールドに5MWのキンバーリナ太陽熱エネルギープラントを建設しました。 ^[10]これは、米国で最初の商用リニアフレネル反射鏡工場です。ソーラーコレクターは、ラスベガスのAusra工場で製造されました。 2008年4月、AREVAはネバダ州ラスベガスにリニアフレネル反射鏡を製造する大規模な工場を開設しました。^[11]この工場は、月間200MWの電力を供給できるだけの太陽光集熱器を生産できる能力を持つように計画された。^[10]

2009年3月、ドイツのノバテック・ビオソル社は、PE 1として知られるフレネル太陽光発電所を建設した。太陽熱発電所は標準的な線形フレネル光学設計（CLFRではない）を使用し、1.4MWの電気容量を有する。PE 1は、約18,000m ²（1.8ヘクタール、4.4エーカー）の鏡面を持つ太陽熱ボイラーから構成される。^[12]蒸気は、地上7.40メートル（24.28フィート）の高さにある線形受光器に太陽光を直接集中させることによって生成される。^[12]吸収管は鏡面フィールドの焦点線に配置され、水が加熱されて270℃（543K、518℉）の飽和蒸気になる。^[12] PE 1の商業的成功を受けて、ノバテック・ソーラーはPE 2として知られる30MWの太陽光発電所を設計しました。PE 2は2012年から商業運転されています。^[13]

ノバテック・ソーラーは2013年からBASFと共同で溶融塩システムを開発している。^[14]このシステムでは、コレクター内の熱伝達流体として溶融塩を使用し、熱エネルギー貯蔵庫に直接伝達される。最高550℃（823K、1,022℉）の塩温度により、従来の蒸気タービンを稼働させて発電、石油回収の強化、または淡水化を行うことができる。この技術を証明するために、PE1に溶融塩実証プラントが建設された。2015年からはノバテック・ソーラーの経営陣による買収会社であるFRENELL GmbHが直接溶融塩技術の商業開発を引き継いだ。

インドの適切な技術 NGOであるSolar Fireは、最大750℃（1,020 K; 1,380 °F）の温度を生成し、蒸気発電を含むさまざまな熱用途に使用できる、小型で手動で操作する12kWピークフレネル集光器のオープンソース設計を開発しました。^{[15] [16]}

コンパクトリニアフレネル反射鏡技術を使用した最大のCSPシステムは、インドの125MWのリライアンスアレバCSPプラントです。^[17]

中国では、2016年から溶融塩を熱伝達媒体として使用する50MWの商業規模のフレネルプロジェクトが建設中である。2019年に系統接続され、2021年現在、正常に稼働しているようだ。^[18]

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