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太陽熱エネルギー（STE）は、エネルギーの一形態であり、太陽エネルギーを利用して産業、住宅、商業部門で使用する熱エネルギーを生成する技術です。太陽熱集熱器は、米国エネルギー情報局によって低温、中温、高温の3種類に分類されています。低温集熱器は一般的にガラスが使用されておらず、プールの加熱や換気用空気の加熱に使用されます。中温集熱器も通常は平板状ですが、住宅用および商業用の水や空気の加熱に使用されます。
高温集熱器は、鏡やレンズを用いて太陽光を集光し、一般的に産業分野における最高300 ℃（600 ° F）/20バール（300psi ）までの熱需要を満たすため、また発電のために使用されます。集熱器の種類としては、産業分野の熱需要を満たすための集光型太陽熱発電（CST）と、集熱した熱を発電に利用する集光型太陽熱発電（CSP）があります。CSTとCSPは、用途の点で互換性はありません。
太陽光を直接電気に変換する太陽電池とは異なり、太陽熱システムは太陽光を熱に変換します。鏡やレンズを使って太陽光を受光器に集光し、それによって貯水槽を加熱します。加熱された水は家庭で使用できます。太陽熱の利点は、加熱された水を必要な時まで貯蔵できるため、別途エネルギー貯蔵システムが不要になることです。[ 1 ]太陽熱発電は、加熱された水から発生する蒸気を使って発電機に接続されたタービンを駆動することで、電気に変換することもできます。しかし、この方法で発電するのは太陽光発電所よりもはるかにコストがかかるため、現在使用されているものは非常に少ないです。[ 2 ]
オーギュスタン・ムショーは、1878年のパリ万国博覧会で、冷却エンジンを備えた太陽熱集熱器でアイスクリームを作るデモンストレーションを行った。太陽熱エネルギー装置の最初の設置は、1910年頃にフランク・シューマンによってサハラ砂漠で行われ 、太陽光で発生した蒸気で蒸気機関が稼働した。液体燃料エンジンが開発され、より便利であることが判明したため、サハラ砂漠のプロジェクトは放棄されたが、数十年後に再び検討された。[ 3 ] 2023年現在、世界最大の太陽熱発電所はアラブ首長国連邦にある。[ 4 ]
低温太陽熱エネルギーを利用するシステムには、熱収集手段、通常は短期または季節間の蓄熱手段、および建物内または地域暖房ネットワーク内での熱分配手段が含まれます。場合によっては、単一の機能がこれらの複数の機能を果たすこともあります（たとえば、一部の種類の太陽熱集熱器は蓄熱も行います）。システムには受動的なものと能動的なもの（機能するために外部エネルギーを必要とするもの）があります。[ 5 ]
暖房が最も分かりやすい用途ですが、太陽熱冷房は、熱駆動吸収式または吸着式チラー（ヒートポンプ）を使用することで、建物や地域冷房に利用できます。日射による駆動熱が大きいほど、冷却出力も大きくなるという、都合の良い偶然の一致があります。1878年、オーギュスト・ムシュウは、冷凍装置に太陽熱蒸気機関を取り付けて氷を作ることで、太陽熱冷房の先駆者となりました。[ 6 ]
米国では、暖房、換気、空調( HVAC ) システムが商業ビルで使用されるエネルギーの25% 以上 (4.75 EJ) (北部都市では 50%)、 住宅ビルで使用されるエネルギーのほぼ半分 (10.1 EJ) を占めています。[ 7 ] [ 8 ]太陽熱暖房、冷房、換気技術は、このエネルギーの一部を相殺するために使用できます。建物の暖房に最も普及している太陽熱暖房技術は、建物の HVAC 機器に接続する建物一体型透過型太陽熱空気収集システムです。太陽エネルギー産業協会によると、2015 年時点で北米では 500,000 m 2 (5,000,000 平方フィート) を超えるこれらのパネルが稼働しています。
ヨーロッパでは、1990年代半ば以降、約125基の大規模な太陽熱地域暖房プラントが建設され、それぞれ500平方メートル（5400平方フィート）を超える太陽 集熱器を備えています。最大のものは約10,000平方メートル（2.5エーカー）で、熱出力は7MW、太陽熱コストは補助金なしで約4ユーロセント/kWhです。[ 9 ] そのうち40基は、公称出力が1MW以上です。太陽熱地域暖房プログラム（SDH）には、14のヨーロッパ諸国と欧州委員会が参加しており、技術と市場開発に取り組んでおり、毎年会議を開催しています。[ 10 ]
ガラス張りの太陽熱集熱器は、主に暖房用に設計されています。建物内の空気を太陽熱空気パネルを通して循環させ、そこで空気を加熱した後、再び建物内に送り込みます。これらの太陽熱暖房システムは、建物内に少なくとも2か所の開口部が必要であり、太陽熱集熱器内の空気が建物の室温よりも高い場合にのみ機能します。ガラス張りの太陽熱集熱器のほとんどは、住宅分野で使用されています。
無釉ソーラーコレクターは、主に換気負荷の高い商業ビル、工業ビル、公共施設などで、外気を予熱するために使用されます。建物の壁や壁の一部を、低コストで高性能な無釉ソーラーコレクターに変えます。「透過型ソーラーパネル」または「ソーラーウォール」とも呼ばれ、塗装された穴あき金属製ソーラー熱吸収体を使用しており、これが建物の外壁面としても機能します。空気への熱伝達は、吸収体の表面、金属製吸収体内部、そして吸収体の裏側で行われます。太陽熱で温められた空気の境界層は、熱が対流によって外気へ逃げる前に、近くの穴から吸い込まれます。温められた空気は、吸収板の裏側から建物の換気システムに吸い込まれます。
トロンブ壁は、窓と太陽光に面した蓄熱体の間に挟まれた空気通路で構成される受動的な太陽熱暖房および換気システムです。換気サイクル中、太陽光は蓄熱体に熱を蓄え、空気通路を温め、壁の上部と下部の通気口を通して空気の循環を引き起こします。暖房サイクル中、トロンブ壁は蓄えられた熱を放射します。[ 11 ]
太陽熱を利用した冷暖房用のソーラールーフポンドは、1960年代にハロルド・ヘイによって開発されました。基本的なシステムは、可動式の断熱カバーが付いた屋根に取り付けられたウォーターブラダーで構成されています。このシステムは、昼夜でブラダーを覆ったり開けたりすることで、室内と室外の環境間の熱交換を制御できます。暖房が必要な場合は、日中にブラダーを開けて太陽光でウォーターブラダーを温め、夜間に使用できる熱を蓄えます。冷房が必要な場合は、ブラダーを覆って日中に建物の内部から熱を吸収し、夜間にブラダーを開けてより冷たい大気に熱を放射します。カリフォルニア州アタスカデロのスカイサームハウスは、暖房と冷房にプロトタイプのルーフポンドを使用しています。[ 12 ]
太陽熱空気集熱器を用いた太陽熱暖房は、ほとんどの建物に既に冷暖房用の換気システムが備わっているため、太陽熱液体集熱器を用いた暖房よりも米国とカナダで普及している。太陽熱空気パネルには、ガラス張りタイプとガラス張りなしタイプの2種類がある。
2007年に米国で生産された21,000,000平方フィート（2,000,000 m 2 ）の太陽熱集熱器のうち、 16,000,000平方フィート（1,500,000 m 2 ）は低温タイプでした。[ 13 ]低温集熱器は一般的にプールの加熱用に取り付けられますが、暖房にも使用できます。集熱器は、熱を目的地に伝える媒体として空気または水を使用できます。太陽の無料エネルギーは、蛇口から出るお湯など、家庭用温水需要を満たすために水を加熱するためにも使用できます。太陽熱温水システムは、建物の年間温水需要の約50%（建物の規模、場所などによって異なります）を供給でき、住宅所有者がエネルギー料金を節約するのに役立ちます。[ 14 ]
季節蓄熱（STES）と呼ばれる成熟した技術群は、数ヶ月間熱を蓄えることができるため、主に夏に集められた太陽熱を年間を通して暖房に使用できます。太陽熱を利用したSTES技術は、主にデンマーク[ 15 ]、ドイツ[ 16 ]、カナダ[ 17 ]で発展しており、用途には個々の建物や地域暖房ネットワークが含まれます。カナダのアルバータ州にあるドレイク・ランディング・ソーラー・コミュニティは小規模な地域システムを有しており、2012年にコミュニティの年間暖房需要の97%を太陽光で賄うという世界記録を達成しました[ 18 ]。STESの蓄熱媒体には、深層帯水層、小径の熱交換器付きボーリング孔群を囲む天然岩、砂利で満たされ上部が断熱された大きくて浅いライニング付きピット、大きくて断熱され埋設された地表水タンクなどがあります。
集光型太陽熱（CST）蓄熱プラントを使用すれば、24時間体制の集中型地域暖房も実現可能です。 [ 19 ]
季節間の蓄熱。太陽熱（またはその他の熱源からの熱）は、帯水層、地下の地層、特別に建設された大きなピット、断熱され土で覆われた大きなタンクなどに、季節の変わり目に効果的に蓄えることができます。
短期的な蓄熱。蓄熱材は日中に太陽エネルギーを蓄え、気温が下がる時期にそのエネルギーを放出します。一般的な蓄熱材には、石、コンクリート、水などがあります。蓄熱材の割合と配置は、気候、採光、日陰の状況など、いくつかの要素を考慮する必要があります。適切に組み込まれた蓄熱材は、エネルギー消費量を削減しながら、快適な温度をパッシブに維持することができます。
世界中で、2011年までに太陽熱ヒートポンプを備えた冷却システムが約750台あり、過去7年間で年間市場成長率は40～70%でした。年間冷却時間が制限要因となるため、経済的に困難であることから、ニッチ市場となっています。地中海地域では年間冷却時間が約1000時間、東南アジアでは2500時間、中央ヨーロッパではわずか50～200時間です。しかし、システム構築コストは2007年から2011年の間に約50%減少しました。国際エネルギー機関（IEA）の太陽熱暖房・冷房プログラム（IEA-SHC）のタスクグループが、関連技術のさらなる開発に取り組んでいます。[ 20 ]
ソーラーチムニー（またはサーマルチムニー）は、建物の内外をつなぐ中空の蓄熱体で構成された、受動的な太陽光換気システムです。チムニーが温まると、内部の空気が加熱され、上昇気流が発生して建物全体に空気が流れ込みます。これらのシステムはローマ時代から使用されており、中東では現在でも広く普及しています。
太陽熱プロセス加熱システムは、非居住用建物に大量の温水または暖房を提供するように設計されています。[ 21 ]
蒸発池は、蒸発によって溶解固形物を濃縮する浅い池です。海水から塩を得るために蒸発池を使用することは、太陽エネルギーの最も古い用途の1つです。現代の用途には、浸出採鉱で使用される塩水溶液の濃縮や、廃水からの溶解固形物の除去などがあります。全体として、蒸発池は、今日使用されている太陽エネルギーの最大の商業用途の1つです。[ 22 ]
ガラスなしの透過型集熱器は、換気空気の予熱に使用される、太陽光に面した穴の開いた壁です。透過型集熱器は、年間を通して使用できるよう屋根に取り付けることも可能で、流入空気の温度を最大 22 °C (72 °F) まで上昇させ、出口温度を 45～60 °C (110～140 °F) まで供給できます。透過型集熱器の投資回収期間が短い (3 ～ 12 年) ため、ガラス付き集熱システムよりも費用対効果の高い代替手段となります。2015 年時点で、世界中で 4,000 を超えるシステムが設置され、集熱面積の合計は 500,000 m 2 (100 エーカー) に達しています。代表的な例としては、コスタリカでコーヒー豆の乾燥に使用されている860 m 2 (9,300 ft 2 ) の集熱器や、インドのコインバトールでマリーゴールドの乾燥に使用されている 1,300 m 2 (14,000 ft 2 ) の集熱器などがあります。[ 23 ] [ 24 ]
カリフォルニア州モデストにある食品加工施設では、製造工程で使用する蒸気を生成するために放物線トラフを使用している。5,000 m 2 の 集熱面積により、年間15 TJ の蒸気が供給されると予想されている。 [ 25 ]
これらの集熱器は、米国で住宅用および商業用に必要な温水の約 50% 以上を生産するために使用できます。[ 26 ]米国では、一般的なシステムの小売価格は 4000 ～ 6000 ドル (材料の卸売価格は 1400 ～ 2200 ドル) で、システムの 30% が連邦税額控除の対象となり、さらに約半数の州で追加の州税額控除が存在します。南部の気候でのシンプルなオープンループシステムの設置には、3 ～ 5 時間、北部地域では 4 ～ 6 時間かかります。北部のシステムでは、集熱器の凍結を防ぐために、より広い集熱面積とより複雑な配管が必要です。このインセンティブにより、一般的な家庭での投資回収期間は、州によって 4 ～ 9 年です。ヨーロッパの一部にも同様の補助金があります。訓練が最小限の太陽熱配管工 1 人と助手 2 人で、1 日に 1 台のシステムを設置できます。サーモサイフォン設置のメンテナンス費用はごくわずか（循環に不凍液と主電源を使用すると費用が増加する）で、米国では世帯の運用コストを1人あたり月6ドル削減します。太陽熱温水器は、4人家族のCO2排出量を年間1トン（天然ガスを置き換える場合）または年間3トン（電気を置き換える場合）削減できます。[ 27 ]中温設置では、いくつかの設計のいずれかを使用できます。一般的な設計は、加圧グリコール、ドレンバック、バッチシステム、および太陽光発電ポンプで水を収容するポリマーパイプを使用する新しい低圧耐凍結システムです。中温コレクターの設計と運用の革新に対応するために、欧州および国際規格が見直されています。運用上の革新には、「永久湿潤コレクター」の運用が含まれます。この革新により、コレクターの寿命を縮めることになる停滞と呼ばれる流れのない高温ストレスの発生が軽減または完全に解消されます。
太陽熱エネルギーは、建築用の木材や燃焼用の木材チップなどの木質燃料の乾燥に役立ちます。太陽は、果物、穀物、魚などの食品にも使用されます。太陽による作物の乾燥は、環境に優しく、コスト効率も高く、品質も向上します。製品を作るのにかかる費用が少なければ少ないほど、販売価格も低くなり、買い手と売り手の両方が満足します。太陽乾燥技術には、黒色布をベースにした超低コストのポンプ式蒸散プレート空気集熱器などがあります。太陽熱エネルギーは、温度を上昇させながら空気を通過させて水分を取り除くことで、木材チップやその他の形態のバイオマスなどの製品を乾燥させるプロセスに役立ちます。[ 28 ]
ソーラークッカーは、調理、乾燥、殺菌に太陽光を利用します。ソーラークッキングは燃料費を削減し、燃料や薪の需要を減らし、煙の発生源を減らすかなくすことで空気の質を改善します。
最もシンプルなタイプのソーラークッカーは、 1767年にホレス・ド・ソシュールによって初めて作られた箱型クッカーです。基本的な箱型クッカーは、透明な蓋が付いた断熱容器で構成されています。これらのクッカーは、部分的に曇った空でも効果的に使用でき、通常50～100 ℃（100～200 °F）の温度に達します。[ 29 ] [ 30 ]
集光型ソーラークッカーは、反射板を用いて太陽エネルギーを調理容器に集中させます。最も一般的な反射板の形状は、平板型、円盤型、放物線トラフ型です。これらの設計は、より速く、より高い温度（最高350 ℃、660 °F）で調理できますが、正常に機能するには直射日光が必要です。
インドのオーロヴィルにあるソーラーキッチンは、ソーラーボウルと呼ばれる独自の集光技術を使用しています。従来の追尾式反射鏡/固定式受光器システムとは異なり、ソーラーボウルは固定式の球形反射鏡と、太陽が空を横切る際に光の焦点を追尾する受光器を使用しています。ソーラーボウルの受光器は150 ℃（300 °F）の温度に達し、その蒸気で1日2,000食の調理に役立てています。[ 31 ]
インドの他の多くのソーラーキッチンでは、シェフラー反射鏡として知られる独自の集光技術が使用されています。この技術は、 1986 年にヴォルフガング・シェフラーによって初めて開発されました。シェフラー反射鏡は、太陽の毎日の軌道を追うために単軸追尾を使用する放物面皿です。これらの反射鏡は、太陽光の入射角の季節的な変化に合わせて曲率を変えることができる柔軟な反射面を備えています。シェフラー反射鏡の利点は、焦点が固定されているため調理が容易になり、450～650 °C (850 ～1200 °F) の温度に達することができることです。[ 32 ] 1999 年にブラフマ・クマリスによって建設された、インドのラジャスタン州アブロードにある世界最大のシェフラー反射鏡システムは、1 日最大 35,000 食を調理することができます。[ 33 ] 2008年初頭までに、シェフラー設計の大型調理器が世界中で2000台以上製造された。
太陽熱蒸留器は、きれいな水が一般的でない地域で飲料水を作るために使用できます。このような状況では、人々に浄化された水を提供するために太陽熱蒸留が必要です。太陽エネルギーが蒸留器内の水を加熱します。水はその後蒸発し、カバーガラスの底で凝縮します。[ 28 ]
MITのリン・チャオ博士は、電気を使わずに手術器具を滅菌するための太陽光オートクレーブの設計を詳述した査読付き学術誌「Joule」に論文を発表した。 [ 34 ]
暖房など、約95 ℃（200 °F）以下の温度で十分な場合は、一般的に非集光型の平板型集熱器が使用されます。平板型集熱器は、ガラスを通しての熱損失が比較的大きいため、熱伝達流体が静止している場合でも、200 ℃（400 °F）を大きく超える温度には達しません。このような温度では、効率的な電力変換を 行うには低すぎます。
熱機関の効率は、熱源の温度が高くなるにつれて向上します。太陽熱発電所では、この効率を実現するために、太陽光を鏡やレンズで集光して高温を得ます。 この技術は集光型太陽熱発電（CSP）と呼ばれています。高効率化による実質的な効果は、発電量あたりの集熱器のサイズと総土地面積を削減できることであり、発電所の環境負荷とコストの両方を低減することにつながります。
温度が上昇するにつれて、さまざまな変換方法が実用的になります。 600 °C (1100 °F) までは、標準技術である蒸気タービンの効率は最大 41% です。 600 °C (1100 °F) を超えると、ガスタービンの効率が高くなります。 高温では、異なる材料と技術が必要となるため問題があります。 非常に高温の場合の提案の 1 つは、700 °C (1300 °F) から 800 °C (1500 °F) の間で動作する液体フッ化物塩を使用し、多段タービンシステムを使用して 50% 以上の熱効率を達成することです。[ 36 ]動作温度が高くなると、プラントは排熱に高温の乾式熱交換器を使用できるため、プラントの水使用量を削減できます。これは、 大規模な太陽光発電所が実用的である砂漠では非常に重要です。 高温では、単位流体あたりに蓄えられるワット時が増えるため、蓄熱効率も高くなります。
商業用集光型太陽熱発電所（CSP）は1980年代に初めて開発されました。現在、世界最大の太陽熱発電所は、2014年に稼働を開始した出力370MWのアイバンパ太陽光発電所と、出力354MWの SEGS CSP 施設で、どちらもカリフォルニア州モハベ砂漠に位置しており、同地域では他にもいくつかの太陽光発電プロジェクトが実現されています。
CSPの主な利点は、熱貯蔵を効率的に追加できることであり、これにより最大24時間にわたって電力を供給できます。電力需要のピークは通常 午後4時から8時の間に発生するため[ 37 ] 、多くのCSP発電所は3～5 時間の熱貯蔵を使用します。現在の技術では、熱の貯蔵は電力の貯蔵よりもはるかに安価で効率的です。このようにして、CSP発電所は昼夜を問わず発電できます。CSPサイトの日射量が予測可能であれば、CSP発電所は信頼性の高い発電所になります。バックアップ燃焼システムを設置することで、信頼性をさらに向上させることができます。バックアップシステムはCSP発電所の大部分を使用できるため、バックアップシステムのコストが削減されます。
信頼性が高く、未利用の砂漠地帯を利用でき、汚染がなく、燃料費もかからないCSP（集光型太陽熱発電）ですが、大規模展開の障害となるのは、コスト、景観、土地利用、そして必要な高圧送電線の接続といった要因です。世界の電力需要を満たすには砂漠地帯のごく一部しか必要ありませんが、それでも相当量のエネルギーを得るには、広大な面積を鏡やレンズで覆う必要があります。コスト削減の重要な方法の一つは、シンプルな設計を採用することです。
私たちの電力の大部分に使用されている化石燃料の探査、採掘から輸送、変換に至るまでの土地利用への影響を考慮すると、公益事業規模の太陽光発電は、利用可能なエネルギー資源の中で最も土地効率の良いものの1つとして比較されます。[ 38 ]
連邦政府は、太陽光発電開発よりも石油・ガスリースに約2,000倍もの面積を割り当てています。2010年に土地管理局は、総発電容量3,682メガワット、面積約40,000エーカーの大規模太陽光発電プロジェクト9件を承認しました。対照的に、2010年に土地管理局は、ガスと石油のリース申請を5,200件以上処理し、合計320万エーカーのリースを1,308件発行しました。現在、陸上の公有地3,820万エーカーとメキシコ湾の沖合探査用地3,690万エーカーが、石油・ガス開発、探査、生産のためにリースされています。[ 38 ]
日中、太陽の位置は変化します。低集光システム（および低温）の場合、非結像光学系を使用すれば、追尾を回避（または年間数箇所に限定）できます。[ 39 ] [ 40 ]ただし、高集光の場合、ミラーやレンズが動かないと、ミラーやレンズの焦点が変わります。太陽の位置を追尾する追尾システムが必要です。追尾システムはコストと複雑さを増大させます。この点を考慮すると、光の集光方法と太陽の位置の追尾方法によって、さまざまな設計を区別することができます。
パラボラトラフ型発電所は、湾曲した鏡面トラフを使用し、直射日光を、トラフの全長に沿って配置された流体（レシーバー、吸収体、コレクターとも呼ばれる）を含むガラス管に反射させます。このガラス管は、反射鏡の焦点に位置しています。トラフは、一方の軸に沿って放物線状、もう一方の軸に沿って直線状になっています。太陽がレシーバーに対して垂直な位置を毎日変化させる場合、トラフは東から西に傾き、直射日光がレシーバーに集光されるようにします。ただし、トラフに平行な太陽光の角度が季節によって変化しても、光はレシーバー上の別の場所に集中するため、鏡の調整は必要ありません。したがって、トラフ型発電所では、第2軸での追尾は不要です。レシーバーはガラス製の真空チャンバー内に収めることができます。真空状態により、対流による熱損失が大幅に低減されます。
熱媒体（熱伝達流体とも呼ばれる）が受熱器を通過する際に高温になる。一般的な熱媒体としては、合成油、溶融塩、加圧蒸気などが挙げられる。熱を帯びた熱媒体は熱機関に送られ、そこで熱の約3分の1が電気エネルギーに変換される。
本格的な放物線トラフシステムは、広大な土地に平行に配置されたトラフで構成されています。1985年以来、太陽エネルギー発電システム（SEGS）システムはこの原理を使用しており、カリフォルニアで完全に稼働しています。[ 41 ]しかし現在、放物線トラフ設計は、最も徹底的に実証されたCSP技術です。
SEGSは、総容量354MWの9つの発電所の集合体であり 、長年にわたり、熱と非熱の両方を含む世界最大の太陽光発電所でした。比較的新しい発電所は、容量64MWのネバダソーラーワン 発電所です。150MW のアンダソル太陽光発電所はスペインにあり、各サイトの容量は50MWです 。ただし、これらの発電所には蓄熱設備があり、熱を蓄え、同時に蒸気タービンに熱を送るために、蒸気タービン発電機のサイズに比べてより大きな太陽集熱器フィールドが必要であることに注意してください。蓄熱により、蒸気タービンの利用効率が向上します。蒸気タービンを昼間と夜間の一部で運転すると、 ピーク容量50MWのアンダソル1は、前者の発電所の蓄熱システムとより大きな太陽集熱フィールドのおかげで、ピーク容量64MWのネバダソーラーワンよりも多くのエネルギーを生成します 。280MWの ソラナ発電所は、6時間の電力貯蔵を備え、2013年にアリゾナで稼働を開始しました。アルジェリアのハッシ・ルメル統合型太陽光複合サイクル発電所とマルティン次世代太陽エネルギーセンターは、いずれも天然ガスとの複合サイクルにおいて放物線トラフ型集光器を使用している。
密閉されたトラフ構造は、温室のようなガラスハウス内に太陽熱システムを包み込んでいます。ガラスハウスは、太陽熱システムの信頼性と効率に悪影響を与える可能性のある要素に耐えられる保護された環境を作り出します。[ 42 ]
軽量の湾曲した太陽光反射鏡が温室構造内に吊り下げられています。単軸追跡システムにより、鏡は太陽を追跡し、その光を温室構造から吊り下げられた固定鋼管のネットワークに集光するように配置されます。[ 43 ]蒸気は、熱交換器や中間作動流体を使用せずに、入口からパイプの全長にわたって水が流れる際に、油田品質の水を使用して直接生成されます。
生成された蒸気は、油田の既存の蒸気分配ネットワークに直接供給され、そこで蒸気は油層の奥深くまで継続的に注入されます。ミラーを風から遮ることで、より高い温度率を達成でき、湿気にさらされた結果として粉塵が蓄積するのを防ぎます。[ 42 ]密閉型トラフ設計を開発したGlassPoint Solar社は、同社の技術は、日照量の多い地域では100万英国熱量単位あたり約5ドルでEOR用の熱を生成できると述べています。これは、他の従来の太陽熱技術の10～12ドルと比較してのコストです。[ 44 ]
GlassPoint社の密閉型トラフシステムはオマーンのミラア施設で利用されており、同社は最近、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密閉型トラフ技術を導入する新たなプロジェクトを発表した。[ 45 ]
パワータワー（「中央タワー型」発電所または「ヘリオスタット型」発電所とも呼ばれる）は、約2平方マイルの範囲に数千枚の追尾ミラー（ヘリオスタットと呼ばれる）を設置し、太陽の熱エネルギーを捕捉して集光します。タワーはヘリオスタットフィールドの中央に位置し、ヘリオスタットは集光された太陽光をタワー上部の受光器に集光します。受光器内では、集光された太陽光によって溶融塩が1,000 °F（538 °C）以上に加熱されます。加熱された溶融塩は蓄熱タンクに流れ込み、98%の熱効率を維持しながら貯蔵され、最終的に蒸気発生器に送られます。発生した蒸気は標準的なタービンを駆動して発電します。このプロセスは「ランキンサイクル」とも呼ばれ、燃料が太陽エネルギーである点を除けば、標準的な石炭火力発電所と似ています。
この設計の放物線トラフ設計に対する利点は、温度が高いことです。高温の熱エネルギーはより効率的に電気に変換でき、後で使用するために安価に貯蔵できます。さらに、地面を平らにする必要性も少なくなります。原理的には、発電塔を丘の斜面に建設できます。鏡は平面にでき、配管は塔内に集中させることができます。欠点は、各鏡に独自の二軸制御が必要になることです。一方、放物線トラフ設計では、多数の鏡で一軸追尾を共有できます。
NRELは、パワータワーと放物線トラフ集光器のコスト/パフォーマンス比較を行い、2020年までにパワータワーから5.47 セント/kWh、 放物線トラフから6.21セント/kWhの電力を生産できると推定した。パワータワーの設備利用率は72.9%、放物線トラフは56.2%と推定された。[ 46 ]安価で耐久性があり、大量生産可能なヘリオスタット発電所コンポーネントの開発により、このコストが下がる可能性があるという希望もある。[ 47 ]
最初の商用タワー型太陽光発電所は、 2007年に完成したスペインのPS10で、出力は11MWでし た。それ以来、多くの発電所が提案され、いくつかの国（スペイン、ドイツ、米国、トルコ、中国、インド）で建設されましたが、太陽光発電の価格が急落したため、いくつかの提案された発電所は中止されました。2016年には、南アフリカで太陽光発電タワーが稼働を開始しました。[ 48 ]カリフォルニア州のアイバンパ太陽光発電施設は、3基のタワーから392MWの電力を発電しており、2013年後半に稼働を開始した当時は最大の太陽光発電タワー型発電所でした。
ディッシュスターリングシステムは、大型の反射放物面ディッシュ（衛星テレビのアンテナに似た形状）を使用します。ディッシュに当たるすべての太陽光をディッシュの真上の1点に集光し、そこで受信機が熱を捕捉して有用な形に変換します。通常、ディッシュはディッシュスターリングシステムとしてスターリングエンジンと組み合わされますが、蒸気エンジンが使用される場合もあります。[ 49 ]これらは回転運動エネルギーを生成し、発電機を使用して電気に変換できます。[ 50 ]
2005年、サザン・カリフォルニア・エジソンは、スターリング・エナジー・システムズから太陽光発電スターリングエンジンを20年間で購入し、500メガワットの発電に必要な数量（20,000台）を確保する契約を発表した。2010年1月、スターリング・エナジー・システムズとテセラ・ソーラーは、アリゾナ州ピオリアでスターリング技術を使用した最初の実証用1.5メガワット発電所（「マリコパ・ソーラー」）を稼働させた。 [ 51 ] 2011年初頭、スターリング・エナジーの開発部門であるテセラ・ソーラーは、709MWの インペリアル・プロジェクトと850MWの カリコ・プロジェクトという2つの大規模プロジェクトを、それぞれAESソーラーとK.ロードに売却した。[ 52 ] [ 53 ] 2012年、マリコパ発電所はユナイテッド・サン・システムズに買収され、解体された。[ 54 ] United Sun Systems は、V 字型スターリングエンジンと最大出力 33 kW をベースとした新世代システム を発表しました。新しい CSP-Stirling 技術により、ユーティリティ規模でのLCOE は0.02 米ドルにまで低下します。
スウェーデンの企業である開発元のRispasso Energyによると、2015年に南アフリカのカラハリ砂漠でテストされた同社のDish Sterlingシステムは34%の効率を示した。 [ 55 ]
直線型フレネル反射型発電所は、細長く曲率の浅い（あるいは平面の）鏡を複数使用して、鏡の上に配置された1つまたは複数の直線型受光器に光を集光します。受光器の上部には、光をさらに集光するために小型の放物面鏡を取り付けることができます。これらのシステムは、複数の鏡で受光器を共有することで（トラフ型やディッシュ型と比較して）全体的なコストを削減することを目指しており、追跡には1軸のシンプルな直線集光ジオメトリを使用しています。これはトラフ型設計に似ており（中央タワー型や2軸ディッシュ型とは異なります）、受光器は固定されているため、流体継手は不要です（トラフ型やディッシュ型と同様）。また、鏡は受光器を支える必要がないため、構造がシンプルです。適切な照準戦略（1日の異なる時間帯に異なる受光器に照準を合わせる）を使用すれば、利用可能な土地面積に鏡をより密に配置することができます。
競合する単軸追尾技術には、比較的新しいリニアフレネル反射鏡（LFR）およびコンパクトLFR（CLFR）技術がある。LFRは、吸収体がミラーフィールドの上方の空間に固定されている点で放物線トラフとは異なる。また、反射鏡は多数の低い列セグメントで構成されており、それらが反射鏡の回転軸と平行に走る高所の長いタワーレシーバーに集光する。[ 56 ]
国際自動システム社は、熱エネルギー収集用のフレネルレンズ集光器の試作品を製造した。[ 57 ]フレネルレンズを使用した本格的な熱システムは稼働していないが、フレネルレンズと太陽電池を組み合わせた製品は既に市販されている。[ 58 ]
MicroCSPは、地域規模の発電所（1MW ～50MW ）、産業、農業、製造業における「プロセス熱」用途、およびリゾートのプール、ウォーターパーク、大規模な洗濯施設、滅菌、蒸留など、大量の温水が必要な場合に使用されます。
太陽熱システムにおける熱は、熱取得、熱伝達、熱貯蔵、熱輸送、断熱の5 つの基本原理によって制御されます。[ 59 ]ここで、熱とは物体が持つ熱エネルギーの量の尺度であり、物体の温度、質量、比熱によって決まります。太陽熱発電所では、一定の運転条件で熱交換を行うように設計された熱交換器を使用します。銅製の熱交換器は、銅の高い熱伝導率、大気や水による腐食に対する耐性、はんだ付けによる密閉と接合、機械的強度のため、太陽熱暖房および冷房システムにおいて重要です。銅は、太陽熱温水システムの受熱器と一次回路（水タンク用のパイプと熱交換器）の両方で使用されます。[ 60 ]
熱利得とは、太陽からシステム内に蓄積される熱のことです。太陽熱は温室効果を利用して捕捉されます。この場合の温室効果とは、反射面が短波放射を透過し、長波放射を反射する能力のことです。短波放射が吸収板に当たると熱と赤外線（IR）が発生し、それが集熱器内部に閉じ込められます。吸収管内の流体（通常は水）が捕捉された熱を集め、蓄熱室に伝達します。
熱は伝導または対流によって伝達されます。水が加熱されると、運動エネルギーが伝導によって媒体全体に水分子に伝達されます。これらの分子は伝導によって熱エネルギーを拡散し、上にある冷たく動きの遅い分子よりも広い空間を占めます。上昇する温水から下降する冷水へのエネルギーの分布が対流プロセスに寄与します。熱は、集熱器の吸収板から流体に伝導によって伝達されます。集熱器の流体は、搬送パイプを通って伝熱室に循環します。伝熱室内部では、熱は対流によって媒体全体に伝達されます。
蓄熱によって、太陽熱発電所は日照のない時間帯でも発電が可能になります。日照のある時間帯には、断熱された蓄熱槽内の蓄熱媒体に熱が蓄えられ、日照のない時間帯には発電のためにその熱が取り出されます。蓄熱媒体については、蓄熱のセクションで説明します。熱伝達速度は、伝導媒体と対流媒体、そして温度差に関係します。温度差が大きい物体は、温度差が小さい物体よりも速く熱を伝達します。
熱輸送とは、太陽熱集熱器から蓄熱室へ熱を輸送する過程を指します。熱輸送管と蓄熱室の両方において、断熱は非常に重要です。断熱によって熱損失を防ぎ、ひいてはエネルギー損失、つまりシステムの効率低下を防ぐことができます。
蓄熱機能により、太陽熱発電所は夜間や曇天時にも発電が可能になります。これにより、太陽光発電をベースロード発電だけでなくピーク電力供給にも利用できるようになり、石炭火力発電所や天然ガス火力発電所の代替となる可能性を秘めています。さらに、発電機の稼働率が向上するため、コスト削減にもつながります。短期間の蓄熱であっても、電力網に大量の太陽光発電設備が導入されている場合、日没時の発電需要の急激な変化（いわゆる「ダックカーブ」）を緩和するのに役立ちます。
日中は断熱された貯蔵槽内の蓄熱媒体に熱が伝達され、夜間は発電のために熱が取り出される。蓄熱媒体には、加圧蒸気、コンクリート、さまざまな相変化材料、カルシウム、ナトリウム、カリウム硝酸塩などの溶融塩が含まれる。 [ 61 ] [ 62 ]
PS10太陽熱発電タワーは、50バール（700psi）、285 ℃（545 °F）の加圧蒸気として熱をタンクに蓄えます。圧力が下がると蒸気は凝縮し、再び蒸気に戻ります。蓄熱時間は1時間です。より長い蓄熱も可能であると示唆されていますが、既存の発電所では実証されていません。[ 63 ]
溶融塩は、大気圧下で液体であること、低コストで熱エネルギーを貯蔵できる媒体であること、動作温度が現代の蒸気タービンと互換性があること、そして不燃性かつ無毒であることから、太陽光発電タワーシステムにおける熱輸送に利用されています。また、溶融塩は化学工業や金属工業においても熱輸送に用いられています。
最初の商業用溶融塩混合物は、硝石の一般的な形態で、硝酸ナトリウム60％と硝酸カリウム40％から構成されていました。硝石は220 ℃（430 °F）で融解し、断熱された貯蔵タンク内で290 ℃（550 °F） で液体状態に保たれます。硝酸カルシウムは融点を131 ℃（268 °F）まで下げることができ、塩が凝固する前に、より多くのエネルギーを取り出すことが可能になります。現在では、500 ℃（1000 °F）以上でも安定な工業用硝酸カルシウムがいくつか存在します。
この太陽光発電システムは、高温の塩が入ったタンクの熱を利用して、曇りの日や夜間でも発電できます。タンクは断熱されており、1週間分の熱を蓄えることができます。100メガワットのタービンを4時間稼働させるタンクは、高さ約9 メートル、直径約24メートルになります。
スペインのアンダソル発電所は、溶融塩を蓄熱と夜間発電に利用する初の商業用太陽熱発電所です。2009年3月に稼働を開始しました。[ 65 ] 2011年7月4日、スペインのある企業が太陽光発電業界にとって歴史的な瞬間を祝いました。トレソルの19.9MWの 集光型太陽熱発電所が、溶融塩蓄熱を利用して24時間連続で発電した史上初の発電所となったのです。[ 66 ]
2019年1月、寿航省エネ敦煌100MW溶融塩タワー型太陽熱発電所プロジェクトが送電網に接続され、運転を開始しました。その構成には11時間の溶融塩蓄熱システムが含まれており、24時間連続で発電することができます。[ 67 ]
相変化材料（PCM）は、エネルギー貯蔵の代替ソリューションを提供します。[ 68 ]同様の熱伝達インフラストラクチャを使用することで、PCMはより効率的な貯蔵手段を提供する可能性を秘めています。PCMは、有機材料または無機材料のいずれかです。有機PCMの利点には、腐食性がない、過冷却が少ないまたはまったくない、化学的および熱的に安定していることが挙げられます。欠点には、相変化エンタルピーが低い、熱伝導率が低い、可燃性があることが挙げられます。無機材料は、相変化エンタルピーが大きいという利点がありますが、過冷却、腐食、相分離、熱安定性の欠如という欠点があります。無機PCMの相変化エンタルピーが大きいことから、水和塩は太陽エネルギー貯蔵分野で有力な候補となっています。[ 69 ]
凝縮や冷却に水を必要とする設計は、日射量は豊富だが水資源が限られている砂漠地帯に太陽熱発電所を建設する場合、その立地条件と矛盾する可能性がある。この矛盾は、ドイツの企業であるソーラー・ミレニアム社がネバダ州アマゴサ渓谷に発電所を建設する計画で示されている。この発電所は、その地域で利用可能な水の20%を必要とする。同社や他の企業がカリフォルニア州モハベ砂漠に計画している他の発電所も、適切かつ十分な水利権の取得が困難になる可能性がある。カリフォルニア州の水法は現在、飲料水を冷却に使用することを禁じている。[ 70 ]
他の設計では、より少ない水で済む。カリフォルニア州南東部のアイバンパ太陽光発電所では、蒸気を水に戻すために空冷を使用することで、貴重な砂漠の水を節約している。従来の湿式冷却と比較すると、効率が多少低下するものの、水の使用量を90%削減できる。その後、水は環境に優しい密閉プロセスでボイラーに戻される。[ 71 ]
これらの技術の中で、ソーラーディッシュ/スターリングエンジンが最も高いエネルギー効率を誇ります。サンディア国立研究所の国立太陽熱試験施設（NSTTF）に設置された単一のソーラーディッシュ-スターリングエンジンは、変換効率31.25%で最大25kWの電力を生成します。[ 72 ]
太陽光集光型パラボラトラフ型発電所は、約20%の効率で建設されている。フレネル反射鏡は効率がやや低いが（ただし、より高密度な配置によって補われている）。
総変換効率（太陽集光器や集光溝が発電所の総面積のごく一部しか占めていないことを考慮すると）は、太陽光発電所の総面積に降り注ぐ太陽エネルギーに対する正味発電容量によって決まります。500メガワット（MW）のSCE/SES発電所は、4,500エーカー（18.2 km 2 ）に降り注ぐ放射（1 kW/m 2、詳細は「太陽光発電 § 太陽からのエネルギー」を参照）の約2.75%を抽出します。[ 73 ]スペインで建設中の50 MW AndaSol発電所[ 74 ] （総面積1.95 km 2、3 / 4平方マイル）の総変換効率は2.6%になります。
効率性とコストは直接的な関係を持たない。総コストには建設費と維持費が含まれる。
鏡に当たる太陽エネルギーの34%が、送電網で利用可能な電力に直接変換される。