粒子受信機

粒子レシーバーは、太陽タワーの上部に設置された物体で、多数の鏡で構成された太陽フィールド（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中します。その目的は、太陽エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱プロセス、熱化学プロセス、または熱機関で使用して太陽タワー発電所で電気を生成することです。これを実現するには、熱伝達媒体と呼ばれる特定の材料をレシーバーに導入する必要があります。この材料は、集中した太陽エネルギーによって直接または間接的に加熱され、高温でレシーバーから出ます。従来の集中型太陽熱発電（CSP）で使用されるレシーバーとは異なり、集中型太陽エネルギーにさらされる金属管を流れることによって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、粒子レシーバーは、検討される技術に応じて直接または間接的に加熱できる固体粒子を採用しています。^{[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り、粒子が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CO ₂を作動流体として使用するブレイトンサイクルを採用できます。これにより、溶融塩の熱安定性に関連する問題により最大温度制限が565 °Cである従来の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、より高い熱効率を実現できます。^{[2] [4] [5]}

この技術は、集光された太陽放射を吸収する受光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によって行われた先駆的な研究で導入されました。^{[6] [7]しかし、より大規模で概念を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。そこでは、5 MW _thを供給できるソーラーフィールドを備えた高さ61メートル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、集光された太陽放射がキャビティに入る1 x 1メートルの開口部を備えた1 MW _th受光器を使用して、より包括的なテストが実施されました。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の制限により、 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]これにより、2018年5月15日にDOEがプロジェクトに7,200万ドルを提供する意向を発表し、第3世代集光型}太陽光発電システムの資金提供プログラムが開始されました。このプロジェクトでは、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供給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い合う予定です。^[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]}

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起因しています。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年代まで分析的研究も実験的研究も発表されませんでした。2015年にサンディアでV字型の多孔質構造を使用して行われた実験では、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。しかし、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、およびその上を粒子が流れることでステンレス鋼が摩耗することに関連する問題がありました。^{[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。テストでは、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し、提案された設計では大きな粒子の流れを得ることが困難になる可能性があります。^[13]

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と下降する間に、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Flamantによって最初に提案されましたが、DLRが2010年代前半にこの概念に取り組み、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15kWの_{遠心レシーバーが}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、レシーバーの熱効率を決定できませんでした。^[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℃で熱効率75%が得られました^。 [ ^16] 2018年現在、この受信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]

この受熱器は、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器を提案したのと同時に提案したもので、透明なシリカ壁をベースにしており、その壁を集光した太陽エネルギーが通過し、圧縮空気によって浮遊している固体粒子を加熱します。目標は、浮遊粒子を加熱してCaCO ₃の脱炭酸を行い、太陽エネルギーを熱化学エネルギーに変換することでした。実施されたテストでは、粒子温度が1200℃を超える可能性があ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の流れの中に注入することをベースにしており、その大きな表面積により、その熱をすぐに周囲の空気に伝えます。混合物の加熱は、粒子が気化するまで行われ、その後、空気はブレイトンサイクルに送られ、電気エネルギーを生成します。^[19]

このレシーバーコンセプトは、外側が筐体の内側にある水平チューブを備えた筐体で構成され、内側は集中した太陽エネルギーで照射されます。アイデアは、粒子が重力によって筐体内を流れ落ち、加熱されながら交互に並んだチューブの周りを流れるというものです。テストでは、粒子がチューブと接触しなくなった領域では粒子とチューブ間の熱伝達が減少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、筐体があるため粒子の損失がないことですが、粒子の間接加熱により筐体の熱応力に関連する問題が発生する可能性があります。^[1]

このコンセプトは直接加熱流動化レシーバーのコンセプトに似ていますが、チューブが透明ではなく、粒子が金属チューブによって間接的に加熱されるという点が異なります。フラマンはこのコンセプトを提案し、実証し、最高 750 °C の懸濁液温度を実現しましたが、熱効率については報告していません。このアイデアに関連する問題としては、レシーバー内の粒子の流動化にかかる電力消費、ホットスポットの可能性、環境への放射損失を増加させる可能性のある表面温度の上昇などが考えられます。^[1]

粒子受容器の熱性能とプラント全体の経済的実行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、および直接加熱受容器の場合は光学特性が含まれます。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。直接加熱受容器では固体粒子が太陽光吸収体として機能するため、受容器の性能を評価するにはその光学特性が重要になります。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、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]したがって、直接加熱粒子レシーバーに使用するための最良の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導入されています。^[23]

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• ミルズ、ブラントリー; ホー、クリフォード; シュローダー、ナサニエル; シェーファー、リード; ラウブシャー、ヘンドリック; アルブレヒト、ケビン (2022)。「集光型太陽熱利用のための次世代高温粒子レシーバーの設計評価」。エネルギー。15 ( 5 )。MDPI: 1657。doi : 10.3390/en15051657。
• González-Portillo, Luis; Albrecht, Kevin; Ho, Clifford (2021). 「自由落下粒子レシーバーを備えたCSPプラントの技術経済的最適化」。エントロピー. 23 (1). MDPI: 76. Bibcode : 2021Entrp..23...76G. doi : 10.3390/e23010076 . PMC  7825578. PMID  33419200.
• Röger, Marc; Amsbeck, Lars; Gobereit, Birgit; Buck, Reiner ( 2011)。「再循環を利用したフェイスダウン型固体粒子レシーバー」。太陽エネルギー工学ジャーナル。133 (3)。ASME。doi :10.1115/1.4004269 。
• Buck, Reiner; Sment, Jeremy (2023). 「マルチタワー型太陽粒子発電所の技術経済分析」.太陽エネルギー. 254.エルゼビア: 112–122. Bibcode :2023SoEn..254..112B. doi : 10.1016/j.solener.2023.02.045 . S2CID  257592663.

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