太陽熱発電

太陽熱発電は1981年に三豊市仁尾町で実験が行われたが、期待した熱量の成果は得られなかった。以来我が国では大規模太陽熱発電の実験は実施されていません。2010年1月、国内では30年ぶりに東京工業大学の玉浦裕教授ら研究チームが山梨県に実験設備を建設する計画を発表しております。

太陽熱発電は太陽光をレンズや反射鏡を用いた太陽炉で集光することで汽力発電の熱源として利用する発電方法です。太陽光がエネルギー源のため今後数十億年に渡り資源の枯渇のおそれがない再生可能エネルギー利用の発電方法であるとされています。

NEDO 再生可能エネルギー技術白書では、太陽熱発電の技術の現状とロードマップとして、技術を取りまく現状を報告しており、トラフ型、フレネル型、タワー型、ディッシュ型を紹介しております。

トラフ型

トラフ型は、樋状に伸びた曲面の集光ミラーを用いて集熱管に集光することにより集熱管内の熱媒を加熱し、熱交換器を介して蒸気を生成し、発電を行うシステムです。熱媒は約400℃近くまで加熱された後、熱交換器に送られ蒸気（約380℃）を発生させます。システム効率は15％程度です。集光ミラーと集熱管を長距離・広範囲にわたって配置するため、集熱管における熱損失が課題となるものの、高度な集光技術が不要であり構造が単純であるため、他の太陽熱発電技術と比較してシステム価格が安価であるという特長があるようです。1980 年代より米国カリフォルニア州において商用運転の実績があり、太陽熱発電の中では比較的成熟した技術であるとしています。

トラフ型の応用として、ガスコンバインドサイクルと組み合わせたISCC（Integrated SolarCombined Cycle）システムがあります。ISCC は、太陽熱により作った蒸気と、ガスタービンの排熱により作った蒸気の両方を用いて発電するシステムで、燃料となるガスの一部を代替することができるようです。エジプト、モロッコ、アルジェリア等においてプロジェクトが進められております。　　　　　　　　

フレネル型

トラフ型と類似の技術に、フレネル型があり、これは平面または僅かに曲がった長い集光ミラーの角度を少しずつ変えて並べ、数メートル上方にある集熱管に集光して、蒸気を生成する仕組みであります。現在のシステム効率は8～10%2とトラフ型より低いが、トラフ型の曲面集光ミラーよりも製造が容易でありコスト削減が可能であること、集光ミラーが風圧の影響を受けにくいこと等の利点を有するようです。

フレネル型では熱交換器を介さず、集熱管において直接蒸気を生成するDSG（DirectSteamGeneration）システムが採用されており、トラフ型より高温の蒸気（約480℃）を得られることから、タービン効率の向上が可能となる。発電用プラントの他、既存の火力発電所への蒸気供給等の実証試験が、米国や豪州等において行われているようです。

タワー型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

タワー型太陽熱発電は、ヘリオスタット（Heliostats）と呼ばれる平面状の集光ミラーを多数用いて、通常はタワーの上部に置かれる集熱器に太陽の動きを追尾しながら集光し、その熱で蒸気を作り発電を行うシステムである。集熱器に集められた熱は主に溶融塩を熱媒として蓄熱され、熱交換器を介して蒸気を生成する。また、近年ではフレネル型と同様に、熱交換器を介さないDSG システムが採用されている。

タワー型はトラフ型よりも高温の蒸気を作り出すことができるため、タービン効率を上げてより多くの電力を得ることが可能であり、システム効率は20～35%になると見られている。また、集熱温度を上げて1,000℃近くの高温・高圧の空気を作れば、ガスタービンでの天然ガスの代替やコンバインドサイクルへの応用も可能となる。

ディッシュ型

ディッシュ型太陽熱発電は、放物曲面状の集光ミラーを用いて集光し、焦点部分に設置されたスターリングエンジンやマイクロタービン等により発電を行うシステムです。全体のサイズは直径5～15m、発電出力5～50kW と、他のシステムと比較して小規模であり、分散型発電システムとして適している。一方、多数台をまとめて配置してMW 級の発電プラントとすることも可能である。熱媒温度は約750℃まで加熱でき、米国における25kW システムで発電効率30%を記録している。米国、欧州等を中心に実証試験が進められているようです。

ミタカ式ヘリオスタット

三鷹光器㈱は現在ミタカ式のヘリオスタット2680枚を使用して、長野県諏訪郡富士見町の中学校の跡地で実験を行っており、ここでは三鷹光器㈱、信州大学、日揮㈱がNEDOの支援を受けて高効率発電用熱源装置として実験を開始しており、ビームダウン式で太陽光を集光、高熱変換し、蓄熱するところまで行っています。

ミタカ式のヘリオスタットの特徴は、直径φ50㎝、曲面の深さ766.7㎛の凹面鏡で、殆ど平面に近い。三鷹光器㈱の技術は、天体測定機器から始まり、X線トップラー望遠鏡など、宇宙開発に欠かせない機器の製作に携わっている。これらの技術は、産業機器への応用で、より高精度な測定機器や医療機器の製作で実現しており、太陽エネルギーの活用へと思いは広がっている。

三鷹光器㈱の技術と富士見町の施設（三鷹光器㈱の技術.pdf）三鷹光器㈱の技術_0001.pdf

太陽エネルギーの活用は、現在宮崎県の宮崎大学校内で三鷹光器㈱、新潟大学開発の内循環流動層式ソーラー水熱分解器により、水素の製造を実現しようとするものです。水素エネルギーは燃料電池として既に実用化されている。

三鷹光器㈱と新潟大学による水素製造計画（三鷹光器・新潟大（水素製造）.pdf）

また、同じ宮崎県で三鷹光器㈱と東北大学により、太陽熱によるMg精錬の技術を確立しようとしている。これは、海水、石灰岩、セメント鉱山に無尽蔵に有るMｇを燃料電池の水素を置き換えた構造で、リチュウム電池の５倍以上の貯蔵エネルギーが見込める難燃Mｇ燃料電池を実用化しようとするものです。

三鷹光器㈱と東北大学の太陽熱によるMｇ精錬計画（三鷹光器・東北大（難燃Ｍｇ電池）.pdf）

この他に、JFEエンジニアリング㈱は三鷹光器㈱のヘリオスタットを利用、集光して太陽光発電(CSP)と太陽熱発電(CPV)の実験を行っている。このように太陽エネルギーの再生可能エネルギーとしての活用は、三鷹光器㈱を中心に進められており、冒頭でも申し上げたように、三豊市は太陽エネルギー利用発祥の地であり、三鷹光器㈱の中村社長は本市を何度も訪れており、こちらからも出向いて情報交換を行ったり、協力できる市内企業を紹介しており、三豊市での事業展開をお願いしているところです。

JFEエンジニアリング㈱の太陽光発電(CSP)と太陽熱発電(CPV)計画（三鷹光器・ＪＦＥ（太陽光発電）.pdf）

スペインのヘマソラール発電所

185haの発電所用地に設置した2569個のヘリオスタット（反射面積30万平方メートル）を用いて、高さ140mの中央塔に集光させて発電をおこなうタワー式太陽熱発電を採用し、タワー上部にある受光部における溶融塩の温度は565℃以上に達し、タンクを用いた蓄熱によって日光のない状態が約15時間までであるならば汽力発電が可能である。太陽光より集めたエネルギーを熱源にタービンを回転させて発電を行う。出力1万9900キロワット。年間1億1千万キロワット時の発電量で、2万7500世帯の電力をまかなう。