太陽光発電タワー

集光型太陽光発電タワー：

上：カリフォルニア州南東部モハベ砂漠にある、世界最大の太陽熱発電所であるアイバンパ施設のソーラータワー。
中央：スペイン・アンダルシア地方にある世界初の商業用太陽光発電タワー「PS10」（左）と、イスラエル・ネゲブ砂漠にあるアシャリム発電所（右）
下段：フランス、東ピレネー山脈にあるTHEMIS太陽光発電タワー（左）と、ドイツの実験用ユーリッヒタワー（右）

太陽熱発電タワーは、「中央タワー」発電所または「ヘリオスタット」発電所とも呼ばれ、タワーを使用して集光された太陽光を受け取るタイプの太陽炉です。平らで可動式の鏡（ヘリオスタットと呼ばれる）のアレイを使用して、太陽光をコレクタータワー（ターゲット）に集光します。集光型太陽熱発電（CSP）システムは、再生可能で汚染のないエネルギーの実現可能なソリューションの1つと見なされています。^{[ 1 ]}

初期の設計では、これらの集束された光線を利用して水を加熱し、発生した蒸気でタービンを駆動していました。液体ナトリウムを用いた新しい設計も実証されており、溶融塩（硝酸カリウム40％、硝酸ナトリウム60％）を作動流体として用いるシステムが現在稼働しています。これらの作動流体は高い熱容量を持ち、その熱を利用してエネルギーを蓄え、水を沸騰させてタービンを駆動することができます。熱エネルギーを蓄えて後で回収することで、太陽が照っている間はもちろん、日没後（または曇天後）の数時間にわたって継続的に発電することが可能になります。

料金

2021年、米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、10時間の蓄電を備えた集光型太陽光発電の電力コストを、2021年には1kWhあたり0.076ドル、2030年には1kWhあたり0.056ドル、2050年には1kWhあたり0.052ドルと推定した。^{[ 2 ]} 2007年、 ESolar （当時 Google.orgの支援を受けていた）などの企業は、近い将来コストを削減できる安価でメンテナンスの手間がかからず大量生産可能なヘリオスタット部品を開発していた。^{[ 3 ]} ESolarの設計では、コンクリート、鋼材、掘削、クレーンなどの架台システムの設置コストを削減するために、多数の小型ミラー（1.14 m ²）を使用していた。2017年10月、GreenTech Mediaの記事は、eSolarが2016年末に事業を停止したことを示唆した。^{[ 4 ]}

作動流体システムの改良、例えば現在の2槽式（高温／低温）設計から、石英製熱充填材と酸素ブランケットを備えた単一槽式温度勾配システムへの移行は、材料効率を向上させ、コストをさらに削減するだろう。

デザイン

集光型太陽熱発電（CSP）タワーの中には、限られた砂漠の水の使用を避けるため、水冷ではなく空冷を採用しているものもある^{[ 5 ]。}
より高価な曲面ガラスの代わりに平面ガラスが使用されています^{[ 5 ]}
太陽が照っていない間も発電を続けるために、溶融塩容器に熱を蓄える蓄熱システム。
蒸気は500 ℃（932 °F）まで加熱され、タービンを駆動し、そのタービンが発電機に接続されて電気を生成します。
ヘリオスタットアレイの位置、警報、その他のデータ収集および通信を含む、プラントのすべての活動を監視および制御するための制御システム。

一般的に、施設は150ヘクタール（1,500,000平方メートル^）から320ヘクタール（3,200,000平方メートル^）の面積を使用します。

2023年、オーストラリアの国立科学機関CSIROは、集光された太陽エネルギーのビームを通して微細なセラミック粒子が落下するCSP方式をテストした。セラミック粒子は溶融塩よりも多くの熱を蓄えることができ、熱伝達を低下させる容器を必要としない。^{[ 6 ]}

環境問題

このような広範囲の太陽集光設備は、上空を飛ぶ鳥を焼く可能性があるという証拠がある。アレイの中心付近では、温度が550 ℃（1,022 °F）に達することがあり、太陽光束自体と相まって、鳥を焼くのに十分である。より遠くにいる鳥の羽は焦げ、最終的に鳥の死につながる。アイバンパでは、2分に1羽の鳥が焦げていると報告されている。アイバンパ太陽光発電所の作業員は、これらの鳥を「ストリーマー」と呼んでいる。空中で燃え上がり、煙を引いて地面に落下するからである。ヘリオスタットの初期待機位置のテスト中に、115羽の鳥が集光された太陽光束に入り、死亡した。最初の6か月の運用で、合計321羽の鳥が死亡した。待機手順を変更して、1点に4つ以上のヘリオスタットを集光しないようにした後、鳥の死亡は発生していない。^[⁷^]

アイバンパ太陽光発電所は、毎朝数時間化石燃料を燃焼させて運転温度に素早く達する必要があるため、カリフォルニア州によって温室効果ガス排出源として分類されている。^{[ 8 ]}

商用アプリケーション

複数の企業が、公益事業規模の発電所の計画、設計、建設に携わってきました。太陽光発電に革新的なソリューションを適用した事例研究は数多くあります。ビームダウンタワー設計では、太陽光はヘリオスタットによってタワー上部の焦点に向かって反射され、その後、地上近くの受光器に下向きに反射されます。^{[ 9 ]}最初の商用ビームダウンタワーは、玉門新能50MWタワーでした。^{[ 10 ]}

斬新な応用

ピットパワータワー^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}は、廃止された露天掘り鉱山に太陽光発電タワーと航空電気発電タワー^{[ 13 ]}を組み合わせたものです。従来の太陽光発電タワーは、タワーの高さと、近くに設置されたヘリオスタットが外側のヘリオスタットから受光器への視線を遮るため、サイズが制限されます。この鉱山の「スタジアム席」を利用することで、この遮蔽の制約を克服できます。

太陽光発電タワーは一般的に蒸気を使ってタービンを駆動し、日射量の多い地域では水が不足しがちであるため、露天掘りのもう1つの利点は、地下水位より下に掘られているため水が溜まりやすいことです。ピットパワータワーは、低熱蒸気を使ってコージェネレーションシステムの空気圧チューブを駆動します。この種のプロジェクトに露天掘り鉱山を再利用することの3つ目の利点は、道路、建物、電力などの鉱山インフラを再利用できる可能性があることです。