タワーサーマル太陽光発電所、太陽光発電集光システム

太陽は非常に「クリーン」なエネルギーの源です。今日、世界中で太陽の利用に関する研究がさまざまな方向に発展しています。まず、いわゆる小規模電力産業が発展しており、これには主にビル暖房や熱供給が含まれます。しかし、大規模エネルギーの分野ではすでに真剣な取り組みが行われており、光変換と熱変換に基づいて太陽光発電所が建設されています。今回は第二方向からの駅の展望についてお伝えします。

CSP (集中太陽光発電) として世界的に知られている集中太陽光発電技術は、鏡やレンズを使用して大量の太陽光を狭いエリアに集中させる一種の太陽光発電所です。

CSP は、CPV (集中型太陽光発電) とも呼ばれる集中型太陽光発電と混同しないでください。 CSPでは、集中した太陽光を熱に変換し、その熱を電気に変換します。一方、CPVでは、集光された太陽光が直接電力に変換されます。 光電効果.

太陽光集光器の産業利用

太陽光エネルギー

太陽は地球の方向に強力な放射エネルギーの流れを送ります。エネルギーの 2/3 が大気によって反射および散乱されることを考慮しても、地表は 12 か月で 1,018 kWh のエネルギーを受け取ります。これは、世界が 1 年間に消費するエネルギーの 20,000 倍です。

この無尽蔵のエネルギー源を実用的な目的で使用することが常に非常に魅力的であると思われるのは当然です。しかし、時が経ち、エネルギーを求めて人類は熱機関を作り、川をせき止め、原子を分裂させ、太陽は翼の中で待ち続けました。

なぜ彼のエネルギーをコントロールするのがこんなに難しいのでしょうか？まず、日中の日射量が変化するため、消費には非常に不便です。これは、ソーラー ステーションにバッテリーを設置するか、他の電源と連携して動作する必要があることを意味します。しかし、これはまだ最大の欠点ではありません。さらに悪いことに、地表での太陽放射の密度は非常に低いです。

したがって、ロシアの南部地域では、それはわずか900〜1000 W / m2です...これは、最も単純なコレクター内の水を80〜90℃以下の温度に加熱するだけで十分です。

給湯や一部暖房には適していますが、発電には適していません。ここでははるかに高い温度が必要です。磁束密度を高めるには、広い領域から磁束密度を収集し、散在状態から集中状態に変換する必要があります。

太陽光集光システムによるエネルギー生産

太陽エネルギーを集中させる方法は古くから知られています。紀元前 3 世紀に偉大なアルキメデスが、凹面に磨かれた銅鏡の助けを借りて、包囲していたローマ艦隊を焼き払ったという伝説が残っています。 NS.シラキュース。そして、この伝説は歴史的文書によって確認されていませんが、放物面鏡の焦点内であらゆる物質を3500〜4000℃の温度に加熱する可能性自体は議論の余地のない事実です。

放物面鏡を使用して有用なエネルギーを生成する試みは、19 世紀後半に始まりました。特に集中的な作業は米国、英国、フランスで行われた。

米国ロサンゼルスにある太陽熱エネルギーを利用するための実験用放物面鏡（1901年頃）。

1866 年、オーギュスタン ムショーは放物線状シリンダーを使用して最初の太陽熱蒸気エンジンで蒸気を生成しました。

1882 年にパリの世界産業博覧会で実演された A. ムショーの太陽光発電所は、同時代の人々に大きな衝撃を与えました。

太陽熱集熱器に関する最初の特許は、1886 年にジェノヴァ (イタリア) でイタリア人のアレッサンドロ・バッタリアによって取得されました。その後、ジョン・エリクソンやフランク・シューマンなどの発明家が、太陽エネルギーを集中させて灌漑、冷却、移動を行う装置を開発しました。

ソーラーエンジン、1882年

カイロにあるフランク・シューマンの太陽光発電所

1912年、カイロ近郊に、灌漑システムに使用される総面積1200m22の放物線円筒型集光器を備えた、出力45kWの最初の太陽光発電所が建設されました。チューブは各ミラーの焦点に配置されました。太陽光線はそれらの表面に集中しました。パイプ内の水は蒸気に変わり、共通のコレクターに集められ、蒸気エンジンに供給されます。

一般に、この時期は鏡の素晴らしい集光力に対する信念が多くの人の心を捉えた時期であることに留意する必要があります。 A.トルストイの小説「エンジニア・ガリンの双曲面」は、これらの希望の一種の証拠となりました。

実際、多くの業界で、このようなミラーは広く使用されています。この原理に基づいて、多くの国が高純度の耐火物を溶解するための炉を建設してきました。たとえば、フランスには、容量 1 MW の世界最大のオーブンがあります。

では、電気エネルギーを生成する設備についてはどうでしょうか?ここで科学者たちは多くの困難に直面しました。まず第一に、複雑な鏡面を備えた集束システムのコストは非常に高いことが判明しました。また、ミラーのサイズが大きくなるにつれて、コストは指数関数的に増加します。

また、500〜600平方メートルの面積のミラーを作成することは技術的に困難であり、そこから得られる電力は50kW以下です。これらの条件下では、太陽光受信器の単位電力が大幅に制限されることは明らかです。

そして、曲面ミラー システムに関するもう 1 つの重要な考慮事項があります。原理的には、非常に大規模なシステムを個別のモジュールから組み立てることができます。

このタイプの現在のインストールについては、ここを参照してください。 太陽光集光器の使用例

カリフォルニア州ハーパー湖近くのロックハート集中型太陽光発電所で使用されている放物線状のトラフ (モハーベ太陽光発電プロジェクト)

同様の発電所が多くの国で建設されています。しかし、彼らの仕事には、エネルギーを集めるのが難しいという重大な欠点があります。結局のところ、各ミラーには焦点に独自の蒸気発生器があり、それらはすべて広い領域に分散されています。これは、蒸気を多くの太陽光受光器から収集する必要があることを意味し、ステーションのコストが大幅に複雑になり、増加します。

ソーラータワー

戦前にも、技術者N. V. リニツキーは、高いタワーに設置された中央太陽光受光器を備えた火力太陽光発電所（タワー型太陽光発電所）のアイデアを提唱しました。

1940 年代後半、国立エネルギー研究所 (ENIN) の科学者たちは、V.I. にちなんで命名しました。 G. M. Krzhizhanovsky、R. R. Aparisi、V. A. Baum、B. A. Garf は、そのようなステーションを作成するための科学的概念を開発しました。彼らは、複雑で高価な曲面鏡を廃止し、最も単純な平面ヘリオスタットに置き換えることを提案しました。

タワーからの太陽光発電所の動作原理は非常に簡単です。太陽光線は複数のヘリオスタットによって反射され、中央の受信器、つまりタワーに設置された太陽蒸気発生器の表面に向けられます。

空の太陽の位置に応じて、ヘリオスタットの向きも自動的に変わります。その結果、一日中、何百もの鏡で反射された集中した太陽光線が蒸気発生器を加熱します。

パラボラ集光器を使用した SPP 設計、ディスク集光器を使用した SPP、タワー型 SPP の違い

この解決策は、当初と同様に単純であることが判明しました。しかし、最も重要なことは、単位電力が数十万kWの大規模太陽光発電所の建設が原理的に可能になったことです。

以来、タワー型太陽熱発電所のコンセプトは世界的に認知されるようになりました。 1970 年代後半になって初めて、0.25 ～ 10 MW の容量を持つこのような発電所が米国、フランス、スペイン、イタリア、日本に建設されました。

フランスのピレネー・オリエンタル山脈にあるSES Themisソーラータワー

このソ連のプロジェクトによれば、1985年にクリミアのシュテルキノ市近郊に、出力5MWの実験用タワー型太陽光発電所（SES-5）が建設された。

SES-5では、開いた円形の太陽熱蒸気発生器が使用されており、その表面はすべての風にさらされていると言われています。したがって、周囲温度が低く風速が高い場合、対流損失が急激に増加し、効率が大幅に低下します。

キャビティ型受信機は現在、はるかに効率的であると考えられています。ここでは、蒸気発生器のすべての表面が閉じられているため、対流損失と放射損失が大幅に減少します。

蒸気パラメータが低いため (250 °C、4MPa)、SES-5 の熱効率はわずか 0.32 です。

1995 年にクリミアの SES-5 は 10 年間の運用を経て閉鎖され、2005 年に塔はスクラップとして引き渡されました。

科学技術博物館のSES-5型

現在稼働中のタワー太陽光発電所は、作動流体として溶融塩（硝酸カリウム40％、硝酸ナトリウム60％）を使用する新しい設計とシステムを採用しています。これらの作動流体は、最初の実験設備で使用された海水よりも高い熱容量を持っています。

現代の太陽熱発電所の技術図

近代的なタワー太陽光発電所

もちろん、太陽光発電所は新しくて複雑なビジネスであり、当然のことながら十分な反対者がいます。彼らが表明する疑問の多くには十分な理由がありますが、他の人の意見に同意することはほとんどできません。

例えば、タワー型太陽光発電所を建設するには広い土地が必要だとよく言われます。しかし、従来の発電所の運転のために燃料が生産される地域を除外することはできません。

タワー型太陽光発電所を支持する、より説得力のある事例がもう一つある。水力発電所の人工貯水池によって浸水した土地の特定の面積は169ヘクタール/MWであり、これはそのような太陽光発電所の指標よりも何倍も高いです。さらに、水力発電所の建設中に、非常に貴重な肥沃な土地が浸水することがよくあり、タワー型SPPは砂漠地帯、つまり農業にも産業施設の建設にも適さない土地に建設されることになっています。

タワー SPP が批判されるもう 1 つの理由は、材料の消費量が多いことです。 SESが推定運営期間中に設備の製造や建設に使用した資材の​​入手に費やしたエネルギーを回収できるかどうかさえ疑問だ。

確かに、そのような設備は大量の資材を必要としますが、現代の太陽光発電所を建設するための実質的にすべての資材が不足しないことが重要です。最初の近代的なタワー型太陽光発電所の立ち上げ後に行われた経済計算では、その高い効率と非常に有利な回収期間が示されました（経済的に成功したプロジェクトの例については以下を参照）。

タワーを備えた太陽光発電所の効率を高めるためのもう 1 つの予備手段は、太陽光発電所が従来の燃料を使用する従来の火力発電所と連携して動作するハイブリッド プラントの作成です。曇りの天候やピーク負荷時には、プラントは電力を削減し、「加速」します。

最新の太陽光発電所の例

2008 年 6 月、ブライト ソース エナジーはイスラエルのネゲブ砂漠に太陽エネルギー開発センターを開設しました。

サイト上にあります ロテマ工業団地内、太陽を追跡し、60メートルのソーラータワーに光を反射する1,600以上のヘリオスタットが設置されています。濃縮されたエネルギーは、塔頂部のボイラーを 550°C まで加熱するために使用され、蒸気が生成され、タービンに送られて発電されます。発電所容量は5MW。

2019年、同じ会社がネゲブ砂漠に新しい発電所を建設した。アシャリム…洞爺 3つの異なる技術を備えた3つのセクションで構成され、太陽熱エネルギー、太陽光発電、天然ガス（ハイブリッド発電所）の3種類のエネルギーを組み合わせたプラントです。ソーラータワーの設置容量は121MWです。

このステーションにはコンピューター制御のヘリオスタットが 50,600 台あり、これは 120,000 世帯に電力を供給するのに十分な量です。塔の高さは260メートルです。これは世界で最も高かったが、最近、モハメド・ビン・ラシッド・アル・マクトゥーム・ソーラー・パークの高さ262.44メートルのソーラータワーに抜かれた。

イスラエルのネゲブ砂漠にある発電所

2009 年の夏、アメリカの企業 eSolar は太陽光発電タワーを建設しました。 シエラソーラータワー ロサンゼルスの北約80km、カリフォルニア州ランカスターに位置する5MWの発電所で、同発電所は北緯35度、モハーベ砂漠西の乾いた谷にある約8ヘクタールの面積をカバーしています。

シエラソーラータワー

2009 年 9 月 9 日の時点で、既存の発電所の例に基づいて、タワー型太陽光発電所 (CSP) の建設コストは 1 ワットあたり 2.5 米ドルから 4 米ドルと見積もられていますが、燃料 (日射) は無料です。 。したがって、250 MW の容量を持つこのような発電所の建設には、6 億から 10 億米ドルの費用がかかります。これは、0.12 ～ 0.18 ドル/kWh を意味します。

新しい CSP プラントは化石燃料と経済的に競争できることも判明しました。

ブルームバーグ・ニュー・エナジー・ファイナンスのアナリスト、ナサニエル・ブラード氏は、2014年に稼働したイワンパ太陽光発電所で発電された電力コストは、他の発電所で発電された電力よりも低いと推定した。 太陽光発電所、天然ガス発電所からの電力とほぼ同じです。

現在、太陽光発電所で最も有名なのは発電所です。 ゲマソーラー アンダルシア (スペイン) のエシア市の西に位置する、19.9 MW の容量を備えた発電所です。この発電所は、2011 年 10 月 4 日にスペインのフアン カルロス国王によって竣工しました。

ジェムソーラー発電所

欧州委員会から 500 万ユーロの補助金を受けたこのプロジェクトでは、アメリカの企業 Solar Two によってテストされた技術が使用されています。

• 総面積 298,000 平方メートルの 2,493 台のヘリオスタットには反射率の高いガラスが使用されており、その簡素化された設計により生産コストが 45% 削減されます。

• 8,500 トンの溶融塩 (硝酸塩) の容量を備えたより大型の熱エネルギー貯蔵システムで、太陽光がない場合でも 15 時間 (約 250 MWh) の自立性を提供します。

• 改良されたポンプ設計により、サンプを必要とせずに塩を貯蔵タンクから直接汲み出すことができます。

• 蒸気の強制再循環を含む蒸気発生システム。

• 高圧・高効率の蒸気タービン。

• 溶融塩循環回路を簡素化し、必要なバルブ数を半減。

発電所（タワーとヘリオスタット）の総面積は 190 ヘクタールです。

SPP ジェマソーラーソーラータワー

アベンゴアが建てた やあ、晴れた人 南アフリカにある高さ 205 メートル、容量 50 MW の発電所です。開所式は2013年8月27日に行われました。

やあ、晴れた人

Ivanpah 太陽光発電システム — ラスベガスの南西40マイル、カリフォルニアのモハーベ砂漠にある392メガワット（MW）の太陽光発電所。発電所は 2014 年 2 月 13 日に運転開始されました。

Ivanpah 太陽光発電システム

この SPP の年間生産量は 140,000 世帯の消費量をカバーしています。中央の 3 つのソーラータワーにある蒸気発生器に太陽エネルギーを集中させる 173,500 枚のヘリオスタットミラーを設置しました。

2013年3月、ブライト・ソース・エナジーと発電所建設に関する契約を締結 焼けた カリフォルニアにある 2 つの 230 m タワー (それぞれ 250 MW) で構成され、2021 年に試運転が予定されています。

その他の稼働中のソーラータワー発電所：ソーラーパーク（ドバイ、2013年）、ヌールIII（モロッコ、2014年）、クレセントデューンズ（米国ネバダ州、2016年）、SUPCONデリンハおよび寿航敦煌（カタイ、ともに2018年）、貢河、魯能海西ハミ（中国、いずれも2019年）、セロ・ドミナドール（チリ、2021年4月）。

太陽エネルギーの革新的なソリューション

この技術は日射量（日射量）が多い地域で最も効果を発揮するため、タワー型太陽光発電所の数が最も増加するのはアフリカ、メキシコ、米国南西部などの地域になるだろうと専門家は予測している。

また、集中太陽エネルギーには大きな将来性があり、2050 年までに世界のエネルギー需要の最大 25% を供給できると考えられています。現在、世界中でこの種の発電所の新しいプロジェクトが 50 以上開発されています。