太陽上昇気流タワー

ソーラー上昇気流タワー( SUT )は、低温の太陽熱から電気を生成する再生可能エネルギー 発電所の設計コンセプトです。太陽光は、非常に高い煙突タワーの中央の土台を囲む非常に広い温室のような屋根付きコレクター構造の下の空気を加熱します。その結果生じる対流により、煙突効果によってタワー内に熱い空気の上昇気流が発生します。この気流が、煙突の上昇気流内または煙突の土台の周囲に設置された風力タービンを駆動し、電気を生成します。

2018年半ば現在、いくつかのプロトタイプモデルが構築されているものの、フルスケールの実用ユニットは稼働していません。実証モデルのスケールアップ版では、かなりの電力を生成することが計画されています。また、農業や園芸、水の抽出や蒸留、都市の大気汚染の改善など、他の用途の開発も可能になる可能性があります^[要出典]。

非常に大きな斬新な構造物を建設するための初期費用の高さ、必要な土地の広さ、投資のリスクなどから、商業投資は抑制されてきたのかもしれない。^[1]最近では、1981年にスペイン、2011年にイラン、2010年に中国（下記参照）でいくつかのプロトタイプが建設され^[2]、アフリカ、米国、オーストラリアの一部でもプロジェクトが提案されている。

2014年、ナショナルジオグラフィックは、情報に通じたエンジニアリングの支持者へのインタビューを含む、人気の高い最新情報を発表しました。太陽熱上昇気流タワー発電所は、地面または地表レベルと構造的に到達可能な高度との間の低温大気の熱勾配から電力を生成することができます。機能的または機械的な実現可能性は、現在では資本化よりも問題ではありません。^[1]太陽熱上昇気流タワー発電所（SUTPP）開発 の理論的および実験的側面の包括的なレビューが利用可能であり、商業開発が推奨されています。^[3] 実証とモデル化されたデータの進捗状況のレビューは、2020年にDogan Eyrenerによって発表され、議事録の出版物に含まれていました。^[4]出力の断続性に対処するための複合技術、補完技術を備えたハイブリッド太陽熱上昇気流タワーのレビューは、2022年に公開されました。^[5]複合、複数、またはハイブリッド技術には、複合上昇気流タワーとダウンドラフトタワー、^[6]および太陽熱上昇気流ガスタービン廃熱伝達が含まれます。^[7]

発電出力は主に2つの要素、集熱面積と煙突の高さに依存します。面積が大きいほど、煙突に流入する空気の量が多くなり、集熱面積は直径7キロメートル（4.3マイル）にも達することが議論されています。煙突の高さが大きいほど、煙突効果によって圧力差が大きくなり、高さ1,000メートル（3,281フィート）の煙突も議論されています。^[8]

熱は集熱器エリア内に蓄えられ、SUT は 24 時間稼働します。集熱器の下の地面、袋やチューブに入った水、集熱器内の塩水熱シンクは、集熱器に熱容量と慣性を追加します。上昇気流の湿度と煙突内の凝縮潜熱の放出は、システムのエネルギー フラックスを増加させる可能性があります。^{[9] [10]}

水平軸のタービンは、オーストラリアのプロジェクトで計画され、上の図に示されているように、タワーの基部の周囲にリング状に設置することができます。または、スペインのプロトタイプのように、単一の垂直軸タービンを煙突内に設置することもできます。

事業運営で排出される二酸化炭素の量はほぼ無視できるほど少ないが、建設資材の製造では排出物が発生する可能性がある。 ^[11]純エネルギー回収期間は2～3年と推定されている。^[10]

太陽熱集熱器は相当の土地を占有するため、砂漠やその他の価値の低い場所が適していると考えられます。非釉薬蒸散型集熱器を使用することで太陽熱収集効率が向上するため、太陽光発電アレイに必要な土地を大幅に削減できます。

小規模な太陽熱上昇気流タワーは、発展途上国の遠隔地にとって魅力的な選択肢となるかもしれない。^{[12] [13]}比較的ローテクなアプローチにより、地元の資源と労働力を建設と維持管理に活用できる可能性がある。

高緯度にタワーを設置すると、集熱エリアが赤道に向かって大きく傾斜していれば、赤道に近い場所にある同様の発電所の最大85％の出力を生み出すことができます。傾斜した集熱フィールドは煙突としても機能し、適切な山腹に建設され、山頂には垂直軸の空気タービンを収容するための短い垂直煙突があります。結果は、高緯度にある太陽熱煙突発電所は十分な熱性能を持つ可能性があることを示しました。^[14]

煙突タービンは煙突ジャックとして構想され、500年前にレオナルド・ダ・ヴィンチによって描かれました。火の上またはオーブンで吐き出された動物は、煙突の上昇気流にある4つの角度のついた羽根を備えた垂直軸タービンによって回転します。

アルフレッド・ロスリング・ベネットは1896年に「対流ミル」を説明した最初の特許を発行しました。^[15]特許のタイトルとクレームに「おもちゃ」という言葉がはっきりと現れ、特許内の全体的な説明では小さな装置を製作するというアイデアだったことは明らかですが、3ページ目の49行目から54行目では、ベネットはより大規模な用途のためのはるかに大きな装置を構想しています。対流現象を実証するために1919年にアルバート・H・ホームズ＆サン（ロンドン）によって作られたこの「対流ミル」の模型は、ロンドンのサイエンス・ミュージアムに展示されています。

1903年、スペイン軍大佐のイシドロ・カバニェスは、雑誌「La energía eléctrica」で太陽熱煙突発電所を提案した。^{[16]別の初期の説明は、1931年にドイツの作家}ハンス・ギュンターによって発表された。^[17] 1975年から、ロバート・E・ルシエは太陽熱煙突発電機の特許を申請し、1978年から1981年の間に、オーストラリア、 ^[18]カナダ、^[19]イスラエル、^[20]米国で特許が付与された（現在は失効）。^[21]

1926年、エンジニアのベルナール・デュボス教授は、フランス科学アカデミーに、北アフリカに大きな山の斜面に太陽熱煙突を設置した太陽航空発電所の建設を提案した。^[22] 山腹の上昇気流塔は、垂直温室としても機能する。^[要出典]

1956年、エドガー・ナザレはサハラ南部で数回の砂塵旋風を観測した後、人工サイクロン発生装置に関する最初の特許をアルジェで申請した。この特許は後にパリで再申請された^[23]。

1982年、スペインのマドリードから150km南に位置するシウダー・レアルのマンサナレスに、太陽熱上昇気流塔の小規模な実験モデル^{[24]が建設された。位置は}39°02′34.45″N 3°15′12.21″W / 39.0429028°N 3.2533917°W / 39.0429028; -3.2533917 (マンサナレス太陽熱上昇気流塔)である。この発電所は約8年間稼働した。塔の支線は腐食防止対策が施されておらず、錆や暴風で破損した。塔は1989年に倒壊し、廃止された。^[25]

性能を評価するために安価な材料が使用された。ソーラータワーは、ドイツ人エンジニアのイェルク・シュライヒの指導の下、わずか1.25ミリメートル（0.049インチ）の厚さの鉄板で建てられた。このプロジェクトはドイツ政府によって資金提供された。^{[26] [27]}

煙突の高さは195メートル（640フィート）、直径は10メートル（33フィート）、収集エリア（温室）は4.6ヘクタール（11エーカー）、直径は244メートル（801フィート）で、最大出力は約50kWでし た。テストには、単層または二重ガラスやプラスチック（耐久性が十分でないことが判明）など、さまざまな材料が使用されました。1つのセクションは実際の温室として使用されました。稼働中、180個のセンサーが内外の温度を測定し、湿度と風速のデータを秒単位で収集しました。^[28]この実験設備では電力を販売しませんでした。

2010年12月、中国の内モンゴル自治区金沙湾の塔が稼働を開始し、200キロワットを生産した。^{[29] [30]} 13億8000万人民元（ 2億800万米ドル）のプロジェクトは2009年5月に開始された。2013年までに277ヘクタール（680エーカー）をカバーし、27.5MWを生産する予定であったが、規模を縮小する必要があった。ソーラーチムニープラントは、緩い砂を覆い、砂嵐を抑制することで気候を改善することが期待されていた。^[31]批評家は、高さ50メートルの塔は適切に機能するには低すぎると述べ、コレクターの金属フレームにガラスを使用したのは間違いで、熱で多くのガラスが割れたり砕けたりしたと述べた。^[1]

スペイン、シウダー・レアルのフエンテ・エル・フレスノに太陽光発電の上昇気流塔を建設する提案は、シウダー・レアル・トーレ・ソーラーと題され、欧州連合で初めてのものとなる予定で^[32]、高さは750メートル（2,460フィート）、^[33]面積は350ヘクタール（860エーカー）となる。^[34] 40MW の発電が見込まれている。^[35]この高さは、かつて欧州連合で最も高い建造物であったベルモント・テレビ塔のほぼ2倍の高さになるが、その後24メートル短縮された。^[36]

2001年、エンバイロミッション^[37]は、ニューサウスウェールズ州ブロンガ近郊にソーラータワーブロンガとして知られる上昇気流式太陽光発電所を建設することを提案した。^[38]同社はプロジェクトを完了しなかった。同社はアリゾナ州^[39] 、そして最近ではテキサス州(2013年12月) ^[40]に同様の発電所を建設する計画があるが、エンバイロミッションの提案のいずれにも「着工」の兆候はない。

2011年12月、西オーストラリア州の トニー・セージとダラス・デンプスターが経営するハイペリオン・エナジーは、中西部の鉱山プロジェクトに電力を供給するために、ミーカサラ近くに高さ1キロメートルの太陽光発電タワーを建設する計画を立てていると報じられた。 ^[41]

2008年半ば、ナミビア政府は「グリーンタワー」と呼ばれる400MWの太陽光発電煙突の建設案を承認した。このタワーは高さ1.5キロメートル（4,900フィート）、直径280メートル（920フィート）になる予定で、その基礎部分は換金作物を栽培できる37平方キロメートル（14平方マイル）の温室になる予定である。^[42]

トルコでは土木工学プロジェクトとして太陽熱上昇気流塔の模型が建設された。^[43]機能性と成果は不明である。^{[44] [45]}

蒸散コレクターを使用した2番目の太陽上昇気流タワーは、トルコのエディルネにあるトラキア大学で稼働しており、太陽光発電(PV)アレイからの熱回収機能を含むSUT設計のさまざまな革新をテストするために使用されています。^{[引用が必要]}

2012年、コネチカット州郊外で、学校の科学フェアのために小学生が自宅で自作したSUTのデモ機が製作され、研究された。^{[46] [47]} 7メートルのスタックと100平方メートルのコレクターを備え、コンピューターファンをタービンとして使用して、1日平均6.34mWを生成した。日照と風が、出力の変動（0.12～21.78mWの範囲）の主な要因であった。

中国中部の西安では、周囲に集熱装置を備えた高さ60メートルの都市煙突により、都市部の大気汚染が大幅に軽減されました。この実証プロジェクトは、中国科学院エアロゾル化学物理重点実験室の化学者、曹俊吉氏が主導しました。^[48] この研究はその後、性能データとモデル化とともに2009年に発表されました。^{[49] [50]}

従来の太陽熱上昇気流塔は、他の多くの（高温）太陽熱集熱器の設計に比べて、電力変換率がかなり低い。変換率の低さは、太陽光集熱器の1平方メートルあたりのコストが低いことで、ある程度相殺されている。^{[25] [51] [52]}

モデル計算によると、100MWの発電所には高さ1,000mの塔と20平方キロメートル（7.7平方マイル）の温室が必要であると推定されています。同じ高さの200MWの塔には、直径7キロメートル（総面積約38km ²（15平方マイル））のコレクターが必要です。^[10] 200MWの発電所1つで、一般的な約20万世帯に十分な電力を供給し、年間90万トン以上の温室効果ガスが環境に放出されるのを防ぎます。ガラス張りのコレクターエリアは、そこに降り注ぐ太陽エネルギーの約0.5％、つまり1kW/m ^{2のうち5W/m 2}を抽出すると予想されます。ガラス張りのコレクターの代わりに蒸散型太陽熱コレクターを使用すると、効率は2倍になります。

タービンと煙突の設計を変更し、ベンチュリ構成を使用して空気速度を上げることで、さらなる効率向上が可能です。集光型熱（CSP）または太陽光発電（CPV）の太陽光発電所の効率は20％から31.25％の範囲です（ディッシュスターリング）。コレクターがフットプリント全体をカバーしていないため、全体的なCSP / CPV効率は低下します。さらにテストを行わないと、これらの計算の精度は不確実です。^[53] 効率、コスト、収量の予測のほとんどは、実証から得られた経験的ではなく理論的に計算されており、他のコレクターまたは太陽熱変換技術と比較して見られます。^[54]

火力発電所の乾式冷却塔と太陽熱煙突を再結合する革新的な概念は、太陽熱上昇気流塔の効率を高めるために、2013年にザンディアン氏とアシュジェイ氏^[55]によって初めて導入されました。このハイブリッド冷却塔太陽熱煙突（HCTSC）システムは、同様の幾何学的寸法を持つマンサナレス、シウダー・レアルなどの従来の太陽熱煙突発電所と比較して、出力が10倍以上増加できることが示されました。さらに、煙突の直径が大きくなると、巨大な個別の太陽熱煙突パネルを建設する必要なく、発電がMWレベルの出力に達することが示されました。結果は、HCTSCシステムからの最大3MWの電力出力を示し、煙突の直径がわずか50メートル（160フィート）の一般的な250MWの化石燃料発電所の熱効率が0.37％増加しました。新しいハイブリッド設計により、ソーラー上昇気流タワーは再び実現可能となり、建設コストと時間を大幅に節約して経済的であることが証明されました。このコンセプトは、効率的に利用されずに大気中に放出されるラジエーターの熱を回収し、過剰な温室効果ガスの発生を防ぎます。

上昇気流塔の性能は、大気の風、^{[56] [57]、}煙突を支えるための支柱による抗力、^[58]、温室の天蓋の上部からの反射などの要因によって低下する可能性があります。ただし、上層階の横風によって上昇気流が強化される可能性があり、煙突の上部に低圧の渦が発生すると上昇気流が増加します。^[59]

• 大気渦の提案[ ^60]は、物理的な煙突を、制御された、または「固定された」サイクロン上昇気流の渦に置き換えるものです。温度と圧力の柱の勾配、​​または浮力、渦の安定性に応じて、非常に高い高度の上昇気流が達成される可能性があります。太陽熱集熱器の代替として、産業および都市の廃熱を使用して、渦の上昇気流を開始および維持することができます。
• 伸縮式または引き込み式の設計により、メンテナンスのため、または暴風雨による被害を防ぐために、非常に高い煙突を下げることができます。熱気球の煙突吊り下げも提案されています。
• タワーの基部のタービンの真上に設置された一種の太陽熱ボイラー技術は上昇気流を増加させる可能性がある。 ^{[引用が必要]}
• モレノ（2006）は、煙突を丘や山の斜面に経済的に設置できると提案した。^[22] クリンクマン（2014）は、斜めの煙突の建設について詳しく説明している。^[61]ハイフープトンネルのように単純に構築された構造物でも、長さがはるかに長く、斜面にあるため、発電用の気流を恒久的に生成することができる。煙突の高さの差を200メートル（マンサナレス実験）から2000メートル（たとえば、ネバダ州のチャールストンピークは2500メートルを超える高さがある）に変更すると、捕捉された太陽熱の10倍以上が電力に変換される。煙突の壁が余分な熱を吸収するように設計されていると仮定すると、煙突内の空気と外気との温度差を10倍に増やすと、同じ煙突の電力がさらに10倍増加する。太陽熱の集中は、多くの場合、反射によって行われる。
• インフレータブルソーラーチムニー発電所は、数値流体力学（CFD）モデリングによって解析的に評価され、シミュレーションされました。このアイデアは、コレクターの最適な形状と自立型インフレータブルタワーの解析プロファイルを含め、特許として登録されています。^[62] CFDシミュレーションは、アメリカ機械学会2009規格によるコンピュータシミュレーションの検証、妥当性確認、不確実性定量化（VVUQ）によって評価されました。^{[63] [64]}
• エアタワーは、建築家ジュリアン・ブライナーズドルファーによる提案で、非常に高い建物を建設するための高額な初期資本支出を、高層ビルの中心部に組み込むことで有効活用するものである。生産者と消費者が近いため、送電損失も低減できる。^[65]

• 集熱器内の塩水熱シンクは、エネルギー出力の日周変動を「平坦化」することができ、一方、集熱器内の気流加湿と上昇気流中の凝縮は、システムのエネルギーフラックスを増加させることができる。^{[9] [10]}
• 他の太陽光発電技術と同様に、変動する電力出力を他の電源と混合するための何らかのメカニズムが必要です。熱は熱吸収材料または塩水池に蓄えることができます。電気はバッテリーまたは他の技術に蓄えることができます。^[66]
• 最近の革新は、従来のガラスカバーの代わりに蒸散型集熱器を使用することです。^[67]蒸散型集熱器の効率は60%から80%の範囲で、温室集熱器で測定された25%の効率の3倍です。^[68]大規模な太陽光集熱器のフィールドを半分以下に縮小できるため、太陽光上昇気流タワーのコスト効率が大幅に向上しました。蒸散型集熱器を使用したソーラータワーシステムの特許が付与されています。^[69]

• 煙突の上昇気流がイオン化された渦である場合、気流と煙突を発電機として使用して、電磁場から電気を抽出できる可能性があります。^{[引用が必要]}

• 高度にある大気の渦や太陽煙突から湿った地上の空気が放出されると、雲や降水が形成され、局所的な水文学が変化する可能性がある。^{[70] [71]}これらのアイデアのいくつかは、冷却塔のダイナミクスを研究したニエウィアドムスキーとハマンの研究に由来している。 ^{[72]地域的な}水循環が確立され、そうでなければ乾燥している地域で維持されれば、局所的な砂漠化の解消や植林が達成できる可能性がある。
• 太陽熱サイクロン蒸留器^[73]は、煙突の上昇気流で凝縮することで大気中の水を抽出することができます。この太陽熱集水池の上昇気流にある太陽熱サイクロン蒸留器は、集水器ベースに溜まった塩水、汽水、廃水の大規模な淡水化に太陽熱集水器-煙突システムを適応させることができます。^[74]
• 渦流式煙突洗浄装置を装備すれば、上昇気流から粒子状大気汚染物質を除去することができる。実験的な実証塔は、外部からのエネルギーをほとんど投入せずに中国の都市の空気を浄化している。^{[75] [76] [48]}
• 洗浄作用とは別に、上昇気流に巻き込まれ放出された粒子状大気汚染物質は、煙突内または放出高度で雲の種として降水の核形成刺激として機能する可能性がある^[77]。
• 高度に舞い上がり拡散した都市部の大気汚染物質を除去することで日射を反射し、地上レベルの太陽熱温暖化を軽減できる可能性がある。^{[78] [循環参照]}
• エネルギー生産、水の淡水化^[74]または単純な大気中の水の抽出は、炭素固定や食料生産の地域農業を支援するために使用することができ、^[79] 、温室としての太陽熱集熱器の下での集中的な養殖や園芸にも使用できます。
• 都市の係留ロープに固定されたバルーンに吊るされた軽量の伸縮式煙突は、低高度の暖かい空気から高高度まで上昇し、適切な高さまで放出されれば、基部に広い集熱器を必要とせずに低地の大気汚染を除去できる可能性があります。これにより、大規模な固定構造物の負担やコストをかけずに、汚染が深刻な大都市の空気の質を改善できる可能性があります。

上昇気流を利用した太陽光発電所は、初期投資は多額となるが、運用コストは比較的低い。^[10]

資本支出は、AP-1000などの次世代原子力発電所とほぼ同じで、ワットあたり約5ドルです。他の再生可能エネルギー源と同様に、タワーは燃料を必要としません。全体的なコストは主に金利と運用年数によって決まり、4％で20年の場合は1kWhあたり5ユーロセント、12％で40年の場合は1kWhあたり15ユーロセントです。^[80]

総コストの推定値は、1kWhあたり7ユーロセント（200MWの発電所の場合）および21ユーロセント（5MWの発電所の場合）から25～35ユーロセントの範囲です。^[81]均等化発電原価（LCOE）は、100MWの風力発電所または天然ガス発電所の場合、1kWhあたり約3ユーロセントです。^[82]実用規模の発電所に関する実際のデータは入手できません。^[83]

• エネルギータワー（ダウンドラフト）
• スモッグタワー
• ソーラーポンド
• ボルテックスエンジン
• ウィンドキャッチャー

ウィキメディア・コモンズには、太陽上昇気流タワーに関連するメディアがあります。

• シュライヒ ベルガーマン ソーラー
• ハイペリオン プロジェクト、西オーストラリア
• ビデオリンク スペインのソーラー上昇気流タワー
• ビデオリンク オーストラリアのタワー提案
• ソーラーノズル
• CNN マネー記事 2006-10-26
• Structuraeのミルデュラ ソーラー タワー
• ステレンボッシュ大学の研究
• 米国エネルギー省の太陽エネルギー技術プログラム
• ソーラーチムニーの代替となる大気渦
• 第 2 回国際ソーラーチムニー発電技術会議は、2014 年 5 月 18 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 第3回太陽熱上昇気流タワー発電技術に関する国際会議
• 「ソーラー上昇気流タワー」。Wolframデモンストレーション プロジェクト。