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パラボリックトラフコレクター（PTC）は、1次元では直線、他の2次元では放物線状に湾曲し、研磨された金属ミラーで裏打ちされた太陽熱コレクターの一種です。対称面と平行にミラーに入る太陽光は、加熱する対象物が配置される焦点線に沿って焦点を合わせられます。たとえば、ソーラークッカーでは、トラフの焦点線に食べ物が置かれ、トラフが太陽を対称面内に収めるように向けられると、食べ物が調理されます。
他の目的のために、流体を含んだチューブがトラフの焦点線に沿って伸びています。太陽光はチューブに集中し、流体は太陽光のエネルギーによって高温に加熱されます。高温の流体は熱機関(ORC または水/蒸気ランキン サイクルなど) にパイプで送られ、熱エネルギーを使用して機械を駆動したり、発電したりします。この太陽エネルギー コレクターは、最も一般的でよく知られているタイプの放物面トラフです。
標準的なタービン発電機を駆動するために熱伝達流体を使用して蒸気を加熱する場合、熱効率は50 ～ 80% の範囲です。コレクターからグリッドまでの全体的な効率、つまり (電気出力)/(入射する太陽エネルギーの合計) は約 15% で、太陽電池と同程度ですが、スターリング 皿型集光器よりは低くなります。大規模な太陽熱発電所には、サーモクライン タンクなどのエネルギーを貯蔵する方法が必要です。サーモクラインタンクでは、珪砂と珪岩の混合物を使用して、タンク内の容積の大部分を置き換えます。次に、熱伝達流体 (通常は溶融硝酸塩)でタンクを満たします。
2014年現在、パラボリックトラフ技術を使用した最大の太陽熱発電システムには、カリフォルニア州の354MWのSEGSプラント、溶融塩蓄熱式の280MWのソラナ発電所、250MWのジェネシス太陽エネルギープロジェクト、スペインの200MWのソラベン太陽光発電所、およびアンダソル1太陽光発電所があります。[1] [2]
効率
トラフは通常、南北軸上に整列し、毎日空を横切る太陽を追跡するために回転します。あるいは、トラフを東西軸上に整列させることもできます。この場合、太陽光がコレクターに斜めに当たるためコレクターの全体的な効率は低下しますが、トラフを季節の変化に合わせて整列させるだけでよいため、追跡モーターを使用する必要がありません。この追跡方法は、春分と秋分の日の理論上の効率に近づきますが、年間の他の時期の光の焦点合わせの精度は低くなります。空を横切る太陽の毎日の移動によっても誤差が生じ、日の出と日の入りのときに最大になり、正午に最小になります。これらの誤差の原因により、季節調整済みの放物面トラフは通常、より低い濃度許容積で設計されます。
パラボラトラフ型集光器は形状が単純ですが、同じ受光角、つまり上記で言及したものを含むあらゆる種類の誤差に対するシステムの全体的な許容度が同じ場合、その集光度は理論上の最大値の約 1/3 になります。理論上の最大値は、非結像光学系[3] [4]を使用した一次二次設計に基づくより精巧な集光器でよりよく達成されます。これは、従来のパラボラトラフ[5]の集光度をほぼ 2 倍にすることができ、固定受信機を備えたものなどの実際の設計を改善するために使用されます。[6]
熱伝達流体（通常は熱油）がチューブ内を流れ、集光された太陽光を吸収します。これにより流体の温度が約400℃まで上昇します。[7]次に、熱伝達流体は標準タービン発電機で蒸気を加熱するために使用されます。このプロセスは経済的で、パイプを加熱する場合の熱効率は60～80%です。コレクターからグリッドまでの全体的な効率、つまり（電気出力）/（総入射太陽光電力）は約15%で、PV（光電池）と同程度ですが、スターリング ディッシュコンセントレータよりは低くなります。[8]
デザイン
パラボリックトラフは、複数のソーラーコレクターモジュール（SCM）を固定して1つのソーラーコレクターアセンブリ（SCA）として動くように作られています。SCMの長さは最大15メートル（49フィート3インチ）以上になります。約12個以上のSCMで、各SCAの長さは最大200メートル（656フィート2インチ）になります。各SCAは独立して追跡するパラボリックトラフです。[9]
SCM は、1 枚の放物面鏡として作ることも、複数の小さな鏡を平行に並べて組み立てることもできます。モジュール式の鏡が小さいほど、鏡を作るのに必要な機械も小さくなり、コストが削減されます。また、損傷した鏡を交換する必要がある場合にもコストが削減されます。このような損傷は、悪天候時に物体にぶつかることで発生することがあります。
さらに、2枚の鏡を互いに角度をつけて配置したV字型のトラフも存在する。[10]
2009年、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）とスカイフューエルの科学者らが協力し、ガラス製モデルを銀ポリマーシートに置き換えることで、今日の集光型太陽熱集熱器の最高峰モデルよりも30%安価になる可能性のある大型の曲面金属シートを開発しました。銀ポリマーシートは重いガラスミラーと同じ性能を持ちながら、コストと重量がはるかに低くなっています。また、移動や設置もはるかに簡単です。光沢のあるフィルムは、純銀の内層を含む複数のポリマー層を使用しています。[11]
この再生可能なエネルギー源は性質上不安定であるため、大規模な太陽熱発電所向けの単一タンク（サーモクライン）貯蔵技術など、エネルギー貯蔵方法が研究されてきました。サーモクラインタンク方式では、シリカ砂と珪岩の混合物を使用して、タンク内の容積の大部分を置き換えます。次に、熱伝達流体（通常は溶融硝酸塩）で満たします。
密閉式トラフ
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を高めることができる要素に耐える保護された環境を作り出します。[12]
軽量の湾曲した太陽光反射鏡が温室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、その光を温室内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。[13]油田品質の水を使用して蒸気が直接生成され、水がパイプの長さに沿って流れるため、熱交換器や中間作動流体は不要です。
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、ミラーはより高い温度に達することができ、湿気にさらされることによるほこりの蓄積を防ぎます。[12]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。[14]
密閉型トラフは現在、オマーンのミラー太陽光発電施設で使用されている。2017年11月、グラスポイント社は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パラボリックトラフを導入するアエラエナジー社との提携を発表した。[15]
早期の商業導入
1897年、米国の発明家、技術者、太陽エネルギーの先駆者であるフランク・シューマンは、太陽エネルギーを水よりも沸点の低いエーテルで満たされた四角い箱に反射させて蒸気エンジンを動かす小型のデモ用ソーラーエンジンを製作した。1908年、シューマンはより大規模な太陽光発電所を建設する目的でサンパワー社を設立した。彼は技術顧問のASEアッカーマン、英国の物理学者チャールズ・ヴァーノン・ボーイズ卿[要出典]とともに、鏡を使って太陽エネルギーをコレクターボックスに反射させる改良型システムを開発し、加熱能力を高めたため、エーテルの代わりに水を使用できるようになった。その後シューマンは低圧水で動く本格的な蒸気エンジンを製作し、1912年までにソーラーエンジンシステム全体の特許を取得した。
シューマンは1912年から1913年にかけて エジプトのマアディに世界初の太陽熱発電所を建設した。シューマンの発電所は放物面トラフを使用して45～52キロワット（60～70馬力）のエンジンを動かし、ナイル川から毎分22,000リットル以上の水を隣接する綿花畑に汲み上げた。1930年代に第一次世界大戦が勃発し、安価な石油が発見されたことで太陽エネルギーの進歩は阻害されたが、シューマンのビジョンと基本設計は1970年代に太陽熱エネルギーへの関心の波とともに復活した。[16] 1916年にシューマンは太陽エネルギーの利用を主張するメディアで次のように語った。
私たちは熱帯地方における太陽エネルギーの商業的利益を証明し、さらに具体的には、石油と石炭の備蓄が枯渇した後も人類は太陽光線から無限のエネルギーを得ることができることを証明しました。
— フランク・シューマン、ニューヨーク・タイムズ、1916年7月2日[17]
商業用植物
パラボリックトラフを使用する商用プラントは夜間に蓄熱を使用する場合もありますが、ハイブリッドプラントもあり、二次燃料源として天然ガスをサポートしています。米国では、プラントが再生可能エネルギー源として認定されるために使用する化石燃料の量は、電力生産の最大 27% に制限されています。[引用が必要]実際のソーラーコレクターの他に、冷却ステーション、コンデンサー、アキュムレーターなど が含まれるため、面積 1 平方メートルあたりの発電量は大きく異なります。[引用が必要]
2014年現在、パラボリックトラフ技術を使用した最大の太陽熱発電システムには、カリフォルニア州の354MWのSEGSプラント、溶融塩蓄熱式の280MWのソラナ発電所、250MWのジェネシス太陽エネルギープロジェクト、スペインの200MWのソラベン太陽光発電所、およびアンダソル1太陽光発電所があります。[1] [2]
参照
参考文献
- ^ ab NREL.gov 米国における集光型太陽光発電プロジェクト、2014年2月17日
- ^ ab NREL-gov スペインの集光型太陽光発電プロジェクト、2014 年 2 月 17 日
- ^ Chaves, Julio (2015). 非結像光学入門、第2版。CRC Press。ISBN 978-1-4822-0673-9。
- ^ ローランド・ウィンストン他著、非画像光学、アカデミック・プレス、2004年ISBN 978-0-12-759751-5
- ^ Diogo Canavarro 他「パラボリック一次集光器用新型第 2 段集光器 (XX SMS) と従来のパラボリックトラフ集光器との比較」 Solar Energy 92 (2013) 98–105
- ^ Diogo Canavarro 他「固定レシーバートラフ用無限小エタンデュと同時複数表面 (SMS) 集光器」 Solar Energy 97 (2013) 493–504
- ^ 「吸収管の温度」abengoasolar.es。2009年8月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ パテル99 第9章
- ^ 「パラボリックトラフ」 www.gsenergy.eu 2017年12月6日。
- ^ Son, BC (1978年1月1日). 「平面ミラーVトラフ型太陽光集光器の分析」.博士論文. Bibcode :1978PhDT.......157S – NASA ADS経由.
- ^ Harry Tournemille. 「受賞歴のあるソーラーリフレクターが生産コストを削減」 www.energyboom.com. 2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年11月25日閲覧。
- ^ ab Deloitte Touche Tohmatsu Ltd、「エネルギーと資源の予測 2012」、Wayback Machineで 2013 年 1 月 6 日にアーカイブ、2011 年 11 月 2 日
- ^ ヘルマン、クリストファー、「太陽からの石油」、『フォーブス』、2011 年 4 月 25 日
- ^ グーセンス、エーレン、「シェブロン、カリフォルニアで太陽熱蒸気を使って石油を採掘」、ブルームバーグ、2011年10月3日
- ^ 「GlassPojnt、Belridge太陽光発電プロジェクトを発表」。
- ^ スミス、ザカリー・アルデン; テイラー、カトリーナ・D. (2008)。再生可能エネルギーと代替エネルギー資源：リファレンスハンドブック。ABC - CLIO。p.174。ISBN 978-1-59884-089-6。
- ^ アメリカの発明家がエジプトの太陽を電力源として利用。熱線を集中させて蒸気を発生させる装置で、暑い気候でも灌漑ポンプを駆動できる、ニューヨーク・タイムズ、1916年7月2日。
文献
外部リンク
- クレイマージャンクション太陽光発電所、衛星画像、Google マップ。
- ParabolaTool – 放物線トラフの形状を計算するツール