太陽熱エネルギー

太陽熱エネルギー( STE ) は、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エネルギー形式および技術です。太陽熱コレクターは、米国エネルギー情報局によって低温、中温、高温のコレクターに分類されています。低温コレクターは一般に釉薬がかかっておらず、プールの加熱や換気空気の加熱に使用されます。中温コレクターも通常は平板ですが、住宅および商業用途で水や空気を加熱するために使用されます。

高温コレクターは、ミラーまたはレンズを使用して太陽光を集光し、一般的には、産業における 300 ° C (600 °F) / 20 bar (300 psi) の圧力までの熱要件を満たすため、および発電に使用されます。産業における熱要件を満たすための集光太陽熱 (CST) と、収集された熱が発電に使用される 集光太陽熱発電(CSP) の 2 つのカテゴリがあります。CST と CSP は、用途の点では置き換え可能ではありません。

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。太陽熱システムは、鏡やレンズを使用して太陽光を受光器に集め、次に受水槽を加熱します。加熱された水は家庭で使用できます。太陽熱の利点は、加熱された水が必要になるまで貯蔵できるため、別の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した蒸気を使用し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。ただし、この方法で発電することは太陽光発電所よりもはるかに高価であるため、現在使用されているものはほとんどありません。^[2]

オーギュスタン・ムショは、1878年にパリで開催された万国博覧会で、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エンジンが稼働した。液体燃料エンジンが開発され、より便利であることがわかったため、サハラ砂漠のプロジェクトは中止されたが、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、通常は短期または季節間の熱貯蔵、建物内または地域暖房ネットワーク内での熱分配の手段が含まれます。場合によっては、1つの機能でこれらのうちの1つ以上を実行できます（たとえば、一部の種類の太陽熱集熱器は熱を貯蔵します）。一部のシステムは受動的であり、他のシステムは能動的です（機能するために他の外部エネルギーが必要です）。^[5]

暖房は最も明白な用途ですが、熱駆動吸収式または吸着式冷凍機（ヒートポンプ）を使用することで、建物や地域冷房に太陽熱冷房を実現できます。太陽熱駆動熱が大きいほど、冷却出力が大きくなるという生産的な偶然があります。1878年、オーギュスト・ムッシューは、冷却装置に取り付けられた太陽熱蒸気エンジンを使用して氷を作ることで、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）（北部の都市では50％）を占め、住宅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。建物を暖房するための最も一般的な太陽熱暖房技術は、建物のHVAC機器に接続する建物統合型蒸散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年の時点で北米では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の大規模な太陽熱地域暖房プラントが建設されており、それぞれ500 m ² (5400 ft ² )以上の太陽熱集熱器を備えています。最大のものは約10,000 m ² (2½エーカー)で、容量は7 MW-熱で、太陽熱の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は、公称容量が1 MW-熱以上です。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、技術開発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。太陽熱空気パネルを通して建物内の空気を循環させ、空気を加熱してから建物内に戻します。この太陽熱暖房システムは、建物内に少なくとも 2 か所の貫通部を必要とし、太陽熱集熱器内の空気が建物の室温よりも暖かい場合にのみ機能します。ほとんどのガラス張り集熱器は住宅部門で使用されています。

非ガラス製ソーラーコレクターは、主に、換気負荷の高い商業、工業、公共施設の建物で、換気用の空気を予熱するために使用されます。建物の壁または壁の一部を、低コストで高性能な非ガラス製ソーラーコレクターに変えます。「蒸散型ソーラーパネル」または「ソーラーウォール」とも呼ばれるこのコレクターは、建物の外壁面としても機能する、塗装された穴あき金属の太陽熱吸収材を使用しています。空気への熱伝達は、吸収材の表面、金属吸収材を通り、吸収材の後ろで行われます。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、近くの穴に引き込まれます。その後、温められた空気は吸収材プレートの後ろから建物の換気システムに引き込まれます。

トロンベ壁は、窓と太陽に面した蓄熱体の間に挟まれた空気通路からなるパッシブソーラー暖房換気システムです。換気サイクル中、太陽光は蓄熱体に熱を蓄え、空気通路を暖めて壁の上部と下部の通気口から循環を引き起こします。暖房サイクル中、トロンベ壁は蓄えられた熱を放射します。^[11]

太陽熱暖房と冷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、屋根に取り付けられた水袋と可動式の断熱カバーで構成されています。このシステムは、昼と夜で水袋を覆ったり開いたりすることで、屋内と屋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、日中は水袋のカバーを外して、日光で水袋を温め、夜間の使用に備えて熱を蓄えます。冷房が必要な場合は、カバー付きの水袋が日中は建物の内部から熱を引き出し、夜間はカバーを外して、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では、暖房と冷房にプロトタイプの屋上ポンドを使用しています。^[12]

米国やカナダでは、ほとんどの建物に暖房と冷房用の換気システムがすでに備わっているため、太陽熱空気集熱器による太陽熱空間暖房は、太陽熱液体集熱器による暖房よりも人気があります。太陽熱空気パネルには、主にガラス張りとガラス張りなしの 2 種類があります。

2007 年に米国で製造された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} ) は低温型でした。^[13]低温型集熱器は一般にプールの加熱用に取り付けられますが、空間暖房にも使用できます。集熱器は、空気または水を媒体として熱を目的の場所に伝達できます。太陽の無料エネルギーは、蛇口から出るお湯などの家庭用給湯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、物件の年間給湯需要の約 50% を供給できます (物件のサイズ、場所などによって異なります)。これにより、住宅所有者は光熱費を節約できます。^[14]

季節蓄熱（STES）と呼ばれる成熟した技術の集合体は、一度に数か月分の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一年中暖房に使用できます。太陽光で供給されるSTES技術は、主にデンマーク、^[15]、ドイツ、^[16]、カナダ、^[17]で進歩しており、個々の建物や地域暖房ネットワークに応用されています。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備えており、2012年にコミュニティの一年中必要な空間暖房の97％を太陽から供給するという世界記録を達成しました。^[18] STESの熱貯蔵媒体には、深層帯水層、小径で熱交換器を備えたボーリングホールのクラスターを囲む天然岩、砂利を詰めて上部を断熱した大きくて浅いライニングされたピット、断熱されて埋設された大きな表面水タンクがあります。

集中型太陽熱（CST）蓄熱プラントを利用すれば、24時間体制の集中型地域暖房も実現可能です。 ^[19]

季節間の貯蔵。太陽熱（または他の熱源からの熱）は、帯水層、地下の地層、特別に建設された大きなピット、​​および断熱され土で覆われた大きなタンクに、季節の変わり目に効果的に貯蔵できます。

短期貯蔵。蓄熱材は日中に太陽エネルギーを蓄え、涼しい時期にこ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、日光、日陰の状況など、いくつかの要因を考慮する必要があります。蓄熱材が適切に組み込まれると、エネルギー消費を削減しながら快適な温度を受動的に維持できます。

2011 年までに、太陽熱ヒートポンプを備えた冷却システムは全世界で約 750 台となり、過去 7 年間の年間市場成長率は 40 ～ 70% でした。経済的に厳しいため、ニッチ市場であり、年間の冷却時間が制限要因となっています。年間の冷却時間は、地中海では約 1,000 時間、東南アジアでは 2,500 時間、中央ヨーロッパではわずか 50 ～ 200 時間です。ただし、システム構築コストは 2007 年から 2011 年の間に約 50% 低下しました。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) タスク グループは、関連する技術のさらなる開発に取り組んでいます。^[20]

太陽熱煙突（または熱煙突）は、建物の内部と外部をつなぐ中空の熱質量で構成された受動的な太陽熱換気システムです。煙突が暖まると、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引き込まれます。これらのシステムはローマ時代から使用されており、中東では今でも一般的です。

太陽熱暖房システムは、非住宅用の建物に大量の温水や暖房を供給するために設計されている。 ^[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のは、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、浸出採掘で使用される塩水の濃縮や、廃棄物の流れから溶解固形物を除去することが含まれます。全体として、蒸発池は現在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]

非ガラス製蒸散コレクターは、通気空気を予熱するために使用される、太陽に面した穴あき壁です。蒸散コレクターは、通年使用できるように屋根に取り付けることもでき、流入空気の温度を最大 22 °C (72 °F) まで上げ、排気温度を 45～60 °C (110～140 °F) にすることができます。蒸散コレクターは回収期間が短い (3～12 年) ため、ガラス製コレクター システムよりもコスト効率に優れています。2015 年現在、世界中で 4,000 台を超えるシステムが設置されており、コレクターの総面積は 500,000 m2 (100 エーカー)^に上ります。代表的なものとしては、コスタリカのコーヒー豆の乾燥に使用される860m2 （9,300平方フィート）の^{集熱器や、インドのコインバトールにあるマリーゴールドの乾燥に使用される1300m2}（14,000平方フィート）の集熱器などがある。^{[23] [24]}

カリフォルニア州モデストの食品加工施設では、製造工程で使用する蒸気を生成するためにパラボリックトラフを使用しています。5,000平方メートルの^集熱エリアは、年間15テラジュールの電力を供給すると予想されています。^[25]

これらのコレクターは、米国の住宅および商業用に必要な温水の約50％以上を生成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、約半数の州で追加の州控除が存在します。南部の気候の地域では、単純なオープンループシステムの設置に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、コレクターを凍結から保護するために、より広いコレクター領域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異なりますが、4～9年です。ヨーロッパの一部でも同様の補助金が存在します。1人のソーラー配管工と最小限のトレーニングを受けた2人のアシスタントのチームが、1日に1つのシステムを設置できます。サーモサイフォンの設置は、維持費がごくわずかで（循環に不凍液と主電源を使用すると費用が上昇する）、米国では世帯当たり月々の運営費を 1 人当たり 6 ドル削減できる。太陽熱温水器は、4 人家族の CO2 排出量を 1 トン/年（天然ガスを代替する場合）、または 3 トン/年（電気を代替する場合）削減できる_。 [ ^27]中温設備では、いくつかの設計のいずれかを使用できる。一般的な設計は、加圧グリコール、ドレインバック、バッチ システム、および水を含むポリマー パイプと太陽光発電ポンプを使用する新しい低圧凍結耐性システムである。中温コレクターの設計と操作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る。操作上の革新には、「永久湿潤コレクター」操作が含まれる。この革新により、コレクターの寿命を縮める原因となる停滞と呼ばれる無流量高温ストレスの発生が低減または排除される。

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材燃料の乾燥に有効です。太陽光は果物、穀物、魚などの食品にも使用されます。太陽光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。製品の製造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に満足していただけます。太陽熱乾燥の技術には、黒色の布をベースにした超低コストのポンプ蒸散プレート式空気コレクターが含まれます。太陽熱エネルギーは、空気を通過させて水分を取り除きながら温度を上げることで、木材チップやその他のバイオマスなどの製品の乾燥プロセスに役立ちます。^[28]

ソーラークッカーは、調理、乾燥、低温殺菌に太陽光を使用します。ソーラークッキングは燃料費を相殺し、燃料や薪の需要を減らし、煙の発生源を減らすか除去する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年にオレス・ド・ソシュールが初めて作ったボックスクッカーです。基本的なボックスクッカーは、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りの空でも効果的に使用でき、通常、温度は50〜100°C（100°〜200°F）に達します。^{[29] [30]}

集光型ソーラークッカーは、反射板を使用し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、円盤、放物面トラフ型です。これらの設計では、より速く、より高温 (最高 350 °C、660 °F) で調理できますが、適切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。従来の追跡反射鏡/固定受信機システムとは異なり、ソーラーボウルは、太陽が空を移動するにつれて光の焦点を追跡する受信機を備えた固定球状反射鏡を使用しています。ソーラーボウルの受信機は150°C（300°F）の温度に達し、毎日2,000食の調理に役立つ蒸気を生成するために使用されます。^[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別の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、単軸追跡を使用して太陽の毎日のコースを追跡する放物面皿です。これらの反射鏡は、太陽光の入射角の季節変動に合わせて曲率を変更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、固定焦点であるため調理が簡単で、450〜650°C（850°F〜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・クマリスによってラジャスタン州アブロードに建設された世界最大のシェフラー反射鏡システムは、1日最大35,000食の調理が可能です。^[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台以上製造されました。

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のに使用できます。太陽熱蒸留は、このような状況で人々に浄水を提供するために必要です。太陽エネルギーは蒸留器内の水を加熱します。その後、水は蒸発し、カバーガラスの底で凝縮します。^[28]

MITのリン・ジャオ博士は、電気を使わずに 手術器具を滅菌するためのソーラーオートクレーブの設計の詳細をJoule誌に発表した。^[34]

安価なエアロゲルを組み込んだプロトタイプは、インド工科大学ボンベイ校と共同でムンバイの病院で実証され、成功を収めた。^[35]

空間暖房の場合、約 95 °C (200 °F) 未満の温度で十分な場合は、非集中型の平板コレクターが一般的に使用されます。ガラスを通した熱損失が比較的大きいため、平板コレクターは、熱伝達流体が停滞している場合でも、200 °C (400 °F) を超える温度に達することはありません。このような温度では、電気への効率的な変換が不可能です。

熱機関の効率は、熱源の温度とともに増加します。太陽熱エネルギープラントでは、これを実現するために、太陽放射を鏡やレンズで集中させて高温にします。これは、集光型太陽熱発電(CSP) と呼ばれる技術です。高効率化の実際的な効果は、プラントの集熱器のサイズと単位発電量あたりの土地利用の合計を削減し、発電所の環境への影響と費用を削減することです。

温度が上昇するにつれて、異なる形式の変換が実用的になる。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% である。600 °C (1100 °F) を超えると、ガスタービンの方が効率的になる。温度が高くなると、異なる材料と技術が必要になるため問題になる。非常に高い温度に対する提案の 1 つは、700 °C (1300 °F) から 800 °C (1500 °F) 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というものである。^[36]動作温度が高くなると、発電所は排熱に高温の乾式熱交換器を使用できるため、発電所の水使用量が削減される。これは、大規模な太陽光発電所が実用的である砂漠では極めて重要である。高温では、単位流体あたりに蓄えられるワット時が多くなるため、蓄熱の効率も高まる。

商業用集光型太陽熱発電（CSP）プラントは、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370MWのIvanpah太陽光発電施設と、354MWのSEGS CSP施設です。どちらもカリフォルニア州モハベ砂漠に位置しており、この砂漠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、蓄熱を効率的に追加して、最大 24 時間にわたって電力を供給できることです。電力需要のピークは通常午後 4 時から午後 8 時の間に発生するため、^[37]多くの CSP 発電所では 3 時間から 5 時間の蓄熱を使用します。現在の技術では、蓄熱は電力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電力を生産できます。CSP サイトの太陽放射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できます。バックアップ システムは CSP 発電所のほとんどを使用できるため、バックアップ システムのコストが削減されます。

信頼性、未使用の砂漠、汚染なし、燃料費なしの CSP の大規模導入の障害は、コスト、美観、土地利用、および必要な接続高圧線に関する同様の要因です。世界の電力需要を満たすために必要なのは砂漠のごく一部だけですが、それでも大量のエネルギーを得るには、広い面積を鏡やレンズで覆う必要があります。コストを削減する重要な方法は、シンプルな設計を使用することです。

私たちの電力のほとんどに使用されている化石燃料の探査、採掘、輸送、変換に関連する土地利用への影響を考慮すると、公益規模の太陽光発電は、利用可能な最も土地効率の高いエネルギー資源の1つに相当します。^[38]

連邦政府は、太陽光発電開発の約2,000倍の面積を石油・ガスのリースに割り当ててきました。2010年に土地管理局は、総発電容量3,682メガワット、約40,000エーカーに相当する9つの大規模太陽光発電プロジェクトを承認しました。対照的に、2010年に土地管理局は5,200件以上のガスおよび石油リースの申請を処理し、1,308件のリースを発行しました。合計320万エーカーです。現在、メキシコ湾の陸上公有地3,820万エーカーと追加の3,690万エーカーの沖合探査地が、石油およびガスの開発、探査、生産のためにリースされています。^{[38] [検証失敗]}

日中、太陽の位置は様々です。低集光システム（および低温）では、非結像光学系を使用すれば、追跡を回避できます（または、年間数回の位置に限定できます）。^{[39] [40]}ただし、高集光の場合、ミラーまたはレンズが動かないと、ミラーまたはレンズの焦点が変わります。太陽の位置を追う追跡システムが必要です。追跡システムはコストと複雑さを増します。これを念頭に置いて、光を集中させて太陽の位置を追跡する方法で、さまざまな設計を区別できます。

パラボラトラフ発電所は、湾曲した鏡面トラフを使用しており、この鏡面トラフは、トラフの長さに沿って液体（レシーバー、アブソーバー、またはコレクターとも呼ばれる）が入ったガラス管に直接太陽放射を反射し、反射鏡の焦点に配置されています。トラフは、1 つの軸に沿って放物線状で、直交軸に沿って直線状です。レシーバーに対して垂直な太陽の日々の位置が変化すると、トラフは東から西に傾き、直接放射がレシーバーに集中したままになります。ただし、トラフに平行な太陽光の角度の季節的な変化では、光がレシーバー上の他の場所に集中するだけなので、鏡の調整は必要ありません。したがって、トラフの設計では、2 番目の軸の追跡は必要ありません。レシーバーは、ガラス製の真空チャンバー内に収納できます。真空により、対流による熱損失が大幅に減少します。

流体（熱伝達流体とも呼ばれる）が受熱器を通過し、非常に高温になります。一般的な流体は合成油、溶融塩、加圧蒸気です。熱を含む流体は熱機関に運ばれ、そこで熱の約 3 分の 1 が電気に変換されます。

本格的なパラボリックトラフシステムは、広大な土地に平行に並べられた多数のトラフで構成されています。1985年以来、この原理を使用した太陽熱システムは、米国カリフォルニア州で本格的に稼働しています。これは、太陽エネルギー発電システム（SEGS）システムと呼ばれています。^[41]他のCSP設計にはこのような長年の経験がないため、パラボリックトラフ設計は、現在最も徹底的に実証されたCSP技術であると言えます。

SEGS は、総容量 354 MW の 9 つの発電所の集合体であり、長年にわたり世界最大の太陽光発電所 (熱および非熱の両方) となっています。より新しい発電所は、容量 64 MW のNevada Solar One発電所です。150 MW のAndasol 太陽光発電所はスペインにあり、各サイトの容量は 50 MW です。ただし、これらの発電所には蓄熱装置が備わっており、熱を蓄えると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大きな太陽光集熱器の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、蒸気タービンをより有効に活用できます。昼間と夜間の一部の蒸気タービンの稼働により、Andasol 1 のピーク容量は 50 MW で、ピーク容量 64 MW の Nevada Solar One よりも多くのエネルギーを生成します。これは、前者の発電所の熱エネルギー貯蔵システムとより広い太陽光発電フィールドによるものです。アルジェリアのハッシ・ルメル統合型太陽熱複合サイクル発電所とマーティン次世代太陽エネルギーセンターは、どちらも天然ガスとの複合サイクルでパラボリックトラフを使用しています。

密閉トラフ構造は、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みます。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焦点を合わせるように配置されます。^[43]油田品質の水を使用して、熱交換器や中間作動流体を使用せずに、水が入口からパイプの全長にわたって流れることで、蒸気が直接生成されます。

生成された蒸気は、その後、油田の既存の蒸気分配ネットワークに直接送られ、そこで蒸気は油層深部に継続的に注入されます。ミラーを風から守ることで、より高い温度率を達成でき、湿気にさらされることによるほこりの蓄積を防ぎます。^{[42]密閉型トラフ設計を開発した会社である} GlassPoint Solarは、同社の技術により、日当たりの良い地域では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。これに対し、従来の太陽熱技術では10～12ドルかかります。^[44]

グラスポイント社の密閉トラフシステムはオマーンのミラー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（「セントラルタワー」発電所または「ヘリオスタット」発電所とも呼ばれる）は、約 2 平方マイルのフィールドで何千もの追跡ミラー（ヘリオスタットと呼ばれる）を使用して太陽の熱エネルギーを捕捉して集中させます。タワーはヘリオスタット フィールドの中央にあります。ヘリオスタットは、集中した太陽光をタワーの上部にあるレシーバーに集中させます。レシーバー内では、集中した太陽光が溶融塩を 1,000 °F（538 °C）以上に加熱します。加熱された溶融塩は、次に蓄熱タンクに流れ込み、98% の熱効率を維持して貯蔵され、最終的に蒸気発生器に送られます。蒸気は標準的なタービンを駆動して電気を生成します。「ランキン サイクル」としても知られるこのプロセスは、太陽エネルギーを燃料とする点を除いて、標準的な石炭火力発電所に似ています。

この設計がパラボリック トラフ設計より優れている点は、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より安価に貯蔵できます。さらに、地面を平らにする必要も少なくなります。原理的には、電力塔は丘の斜面に建てることができます。鏡は平らにでき、配管は塔に集中しています。欠点は、各鏡に独自の 2 軸制御が必要であるのに対し、パラボリック トラフ設計では、1 軸のトラッキングを多数の鏡で共有できることです。

NRELは、電力塔型集光器とパラボリックトラフ型集光器のコストパフォーマンスを比較し、2020年までに電力塔型集光器では5.47セント/kWh、パラボリックトラフ型集光器では6.21セント/kWhで発電できると推定した。電力塔の容量係数は72.9%、パラボリックトラフ型は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部品の開発により、このコストが下がる可能性があるという期待もある。^[47]

最初の商用タワー発電所はスペインのPS10で、容量は11MWで、2007年に完成しました。それ以来、多くの発電所が提案され、いくつかの発電所が多くの国（スペイン、ドイツ、米国、トルコ、中国、インド）に建設されましたが、太陽光発電の価格が急落したため、提案されたいくつかの発電所はキャンセルされました。2016年には南アフリカで太陽光発電タワーが稼働しました。 ^{[48]カリフォルニア州の} イヴァンパ太陽光発電施設は3つのタワーで392MWの電力を生成し、2013年後半に稼働を開始した時点では最大の太陽光発電タワー発電所となりました。

ディッシュスターリングシステムは、反射性の大きな放物面状のディッシュ（衛星テレビのディッシュに似た形状）を使用します。ディッシュに当たる太陽光をすべてディッシュ上部の一点に集中させ、そこで受信機が熱を捕らえて有用な形に変換します。通常、ディッシュスターリングシステムではディッシュはスターリングエンジンと連結されますが、蒸気エンジンが使用されることもあります。^[49]これらは回転運動エネルギーを生み出し、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社は、スターリングエナジーシステムズ社から20年間にわたり、500メガワットの電力を発電するのに十分な量（20,000台）の太陽光発電スターリングエンジンを購入する契約を締結したと発表した。2010年1月、スターリングエナジーシステムズ社とテッセラソーラー社は、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年の初め、スターリングエナジー社の開発部門であるテッセラソーラー社は、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の2つの大規模プロジェクトをそれぞれAESソーラー社とK.ロード社に売却した。^{[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社に買収され、解体された。^[54]ユナイテッドサンシステムズは、V字型スターリングエンジンと33kWのピーク出力をベースにした新世代システムをリリースしました。新しいCSPスターリング技術により、ユーティリティスケールでのLCOEは0.02ドルまで下がります。 ^[要出典]

開発元であるスウェーデンの企業、リスパッソ・エナジーによると、2015年に南アフリカのカラハリ砂漠でテストされていたディッシュ・スターリングシステムは34%の効率を示した。 ^[55]

リニアフレネル反射発電所は、一連の長くて狭い、曲率の浅い（または平面の）ミラーを使用して、ミラーの上に配置された 1 つ以上のリニアレシーバーに光を集光します。レシーバーの上には、光をさらに集光するための小さな放物面ミラーを取り付けることができます。これらのシステムは、トラフとディッシュのコンセプトと比較して、レシーバーを複数のミラーで共有することで全体的なコストを削減することを目指していますが、追跡には 1 つの軸を備えた単純なラインフォーカスジオメトリを使用しています。これはトラフの設計に似ています（2 軸の中央タワーとディッシュとは異なります）。レシーバーは固定されているため、流体カップリングは必要ありません（トラフとディッシュの場合）。ミラーはレシーバーをサポートする必要もないため、構造が単純です。適切な照準戦略を使用すると（ミラーを 1 日の異なる時間に異なるレシーバーに向ける）、利用可能な土地領域にミラーをより密集させることができます。

競合する単軸追跡技術には、比較的新しいリニアフレネル反射鏡（LFR）とコンパクトLFR（CLFR）技術があります。LFRは、吸収体がミラーフィールド上の空間に固定されている点でパラボラトラフとは異なります。また、反射鏡は多くの低い列のセグメントで構成されており、反射鏡の回転軸と平行に走る高所の長いタワー受信機に集合的に焦点を合わせます。^[56]

熱エネルギーを収集するためのフレネルレンズ集光器のプロトタイプは、インターナショナル・オートメーテッド・システムズ社によって製造されている。^[57]フレネルレンズを使用した本格的な熱システムが稼働していることは知られていないが、フレネルレンズを太陽電池と組み合わせて組み込んだ製品はすでに利用可能である。^[58]

MicroCSP は、コミュニティ規模の発電所 (1 MW ～ 50 MW)、産業、農業、製造の「プロセス熱」アプリケーション、およびリゾートのプール、ウォーターパーク、大型ランドリー施設、殺菌、蒸留などの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、断熱という5つの基本原理によって決まります。^[59]ここで、熱は物体が含む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、一定の動作条件に合わせて設計された熱交換器を使用して熱交換を行います。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封と接合、機械的強度のため、太陽熱暖房および冷房システムで重要です。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た熱です。太陽熱は温室効果を利用して閉じ込められます。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です。短波放射光が吸収板に当たると熱と赤外線 (IR) が生成され、吸収板はコレクター内に閉じ込められます。吸収管内の流体 (通常は水) が閉じ込められた熱を集め、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の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、その上にある冷たく動きの遅い分子よりも多くのスペースを占めます。上昇する熱い水から下降する冷たい水へのエネルギーの分配は、対流プロセスに寄与します。熱は、伝導によってコレクターの吸収プレートから流体に伝達されます。コレクター流体は、キャリアパイプを通って熱伝達ボールトに循環されます。ボールト内では、熱は対流によって媒体全体に伝達されます。

蓄熱により、太陽熱発電所は日光のない時間帯でも発電することができます。日光のある時間帯には、断熱された貯水池内の蓄熱媒体に熱が伝達され、日光のない時間帯には発電のために取り出されます。蓄熱媒体については、蓄熱のセクションで説明します。熱伝達率は、伝導媒体と対流媒体、および温度差に関係しています。温度差が大きい物体は、温度差が小さい物体よりも熱伝達が速くなります。

熱輸送とは、太陽熱集熱器からの熱を蓄熱室に輸送する活動を指します。断熱は、熱輸送チューブと蓄熱室の両方で不可欠です。断熱により熱損失が防止され、エネルギー損失やシステム効率の低下につながります。

蓄熱により、太陽熱発電所は夜間や曇りの日に発電することができます。これにより、ピーク時の発電だけでなくベースロード発電にも太陽光発電を利用でき、石炭火力発電所と天然ガス火力発電所の両方に取って代わる可能性があります。さらに、発電機の利用率が高くなるため、コストが削減されます。短期間の蓄熱でも、送電網に大量の太陽光発電容量が含まれている場合、日没時に発電要件が急激に変化する「ダックカーブ」を平滑化するのに役立ちます。

日中は断熱された貯水池内の蓄熱媒体に熱が伝達され、夜間に発電のために取り出されます。蓄熱媒体には、加圧蒸気、コンクリート、さまざまな相変化物質、硝酸カルシウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウムなどの溶融塩などがあります。 ^{[61] [62]}

PS10太陽光発電タワーは、 50バール（700psi）、285℃（545℉）の加圧蒸気としてタンクに熱を蓄える。蒸気は凝縮し、圧力が下がると再び蒸気に戻る。貯蔵時間は1時間。より長い貯蔵が可能と示唆されているが、既存の発電所では実証されていない。^[63]

溶融塩は大気圧下で液体であり、熱エネルギーを貯蔵するための低コストの媒体を提供し、その動作温度は今日の蒸気タービンと互換性があり、不燃性で無毒であるため、太陽光発電タワー システムで熱を輸送するために使用されます。溶融塩は、化学産業や金属産業でも熱を輸送するために使用されています。

最初の商業用溶融塩混合物は、硝石の一般的な形態で、60% の硝酸ナトリウムと 40% の硝酸カリウムでした。硝石は 220 °C (430 °F) で溶け、断熱貯蔵タンク内で 290 °C (550 °F) で液体に保たれます。硝酸カルシウムは融点を 131 °C (268 °F) まで下げることができるため、塩が凍結する前により多くのエネルギーを抽出できます。現在では、500 °C (1000 °F) 以上で安定する技術的な硝酸カルシウムのグレードがいくつかあります。

この太陽光発電システムは、曇天時や夜間に高温の塩のタンクの熱を利用して発電することができます。タンクは断熱されており、1 週間熱を蓄えることができます。100 メガワットのタービンに 4 時間電力を供給するタンクは、高さ約 9 メートル (30 フィート)、直径約 24 メートル (80 フィート) 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用太陽熱発電所である。2009年3月に稼働を開始した。^{[65] 2011年}7月4日、スペインのある企業が太陽光発電産業の歴史的な瞬間を祝った。トーレソルの19.9MWの集光型太陽光発電所は、溶融塩蓄熱を利用して24時間連続で電力を生産した初の発電所となった。^[66]

2019年1月、寿杭省エネ敦煌100MW溶融塩塔太陽光発電所プロジェクトが系統に接続され、稼働を開始した。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時間連続で発電できる。^[67]

相変化物質（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して、PCMはより効率的な貯蔵手段を提供できる可能性があります。PCMは、有機または無機材料のいずれかです。有機PCMの利点は、腐食性がなく、過冷却が少ないかまったくないこと、化学的および熱的に安定していることです。欠点は、相変化エンタルピーが低いこと、熱伝導率が低いこと、可燃性があることです。無機は、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ため、水和塩は太陽エネルギー貯蔵分野の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、太陽放射は良好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ことと矛盾する可能性がある。この矛盾は、ドイツの会社であるソーラーミレニアムがネバダ州アマルゴサバレーに発電所を建設する計画によく表れている。この計画では、その地域で利用可能な水の20％が必要になる。カリフォルニア州モハベ砂漠に同社や他の会社が計画している他の発電所も、適切かつ適切な水利権の取得が困難なことで影響を受ける可能性がある。カリフォルニア州の水法では現在、飲料水を冷却に使用することを禁止している。^[70]

他の設計では、より少ない水しか必要としません。南東カリフォルニアのイヴァンパ太陽光発電施設は、空冷を使用して蒸気を水に戻すことで、砂漠の希少な水を節約しています。従来の湿式冷却と比較すると、効率は多少低下しますが、水の使用量が90％削減されます。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ます。^[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は最も高いエネルギー効率を持っています。サンディア国立研究所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、31.25％の変換効率で25kWもの電力を生成します。^[72]

太陽光パラボラトラフ発電所は約 20% の効率で建設されています。^[要出典]フレネル反射鏡は効率がわずかに低くなります (ただし、これは高密度のパッキングによって補われます)。

総変換効率（ソーラーディッシュまたはトラフが発電所の総面積のほんの一部を占めるにすぎないことを考慮）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 ）の土地に降り注ぐ放射線（1 kW/m 2} 、詳細については太陽光発電を参照）の約2.75％を抽出することになります。^[73]スペインで建設中の50 MWのAndaSol発電所^{[74] （総面積1.95 km 2}、¾平方マイル）の総変換効率は2.6％になります。

効率はコストに直接関係しません。総コストには建設とメンテナンスのコストが含まれます。

• EN 12975（効率テスト）

ウィキメディア・コモンズには、太陽熱エネルギーに関連するメディアがあります。

• 太陽光発電が輝く時が来た MSN マネー
• サウジアラビアの世界最大の太陽熱発電
• 米国環境保護庁のウェブサイトにあるオンサイト再生可能技術
• 集光型太陽熱発電の市場開発に関する世界銀行/GEF戦略の評価
• 太陽熱エネルギー計算機
• 集光型太陽熱発電 TREC-UK コーディネーターの Gerry Wolff による技術の概要
• NREL 集光型太陽熱発電プログラムサイト
• パラボリックトラフ技術と市場の総合的レビュー
• ネバダ州に米国初の太陽熱発電所が完成^[奪取]
• 太陽熱および集光型太陽熱発電気圧計^{[永久リンク切れ‍ ]} - 2013 Pdf
• 太陽熱温水器 TechScope 市場準備評価レポート - UNEP ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• 太陽熱暖房・冷房啓発キャンペーンガイド - UNEP
• 太陽熱の標準化と品質保証に関するガイドライン - UNEP
• 太陽熱温水器と冷房に関する政策と枠組み条件のガイドライン - UNEP
• 太陽熱温水器、発展途上国の都市のための戦略計画ガイド - UNEP ^{[永久リンク切れ‍ ]}