フレネルミラーを使った太陽エネルギー

フレネル鏡を用いた太陽エネルギー

フレネル鏡と太陽エネルギーの利用。

2005年8月23日

このアイデアを思いついたのは私だけではない。その証拠に、次の記事がある：http://www.klimaschutz.com/synth/sfc021001.htm

読者のローレン・エマニュエル・ミュラー氏がこの記事を翻訳してくれた。彼女に感謝する。

読者のために要約しておく。

ベルギー人は、固定された熱収集管を用いる方式を選択した。この管では蒸気が直接生成され、地面に設置された長細い帯状の鏡群によって太陽光が集中する。これらの鏡の向きは機械的に調整される。

solarmondo efficiency

「Solarmondo」システム。回転する平面鏡（長さ1000メートル）。固定式熱収集管。その下では農業が可能。

この図に示すように、反射帯である長さ1000メートルの鏡はフレームに取り付けられている。このフレームの下では、日射量が非常に多い地域において農業を発展させることが可能であり、収集されたエネルギーの一部は海水の淡水化に利用できた。このようなシステムは、アラブ首長国連邦のドバイ地域に設置できるかもしれない。同地域の海岸線は結局のところ利用価値が低く、非常に平らで同様に利用価値の低い広大な砂漠に隣接しているからだ。これらの設備は「バイオ砂漠」を生み出すことになるが、現在首長たちが推進している高級観光の夢と矛盾するものではない。しかし、当然ながら、それは……別の話だ。

変形案として、可動式の収集管を回転アームに取り付け、アームにはウォームギアを備える方式もある。この場合、鏡は固定される。私の考えでは、この方式なら強風への耐性がより高まるだろう（収集管を収納位置に折りたたむことで対応できる）。また、ワイパーを用いて清掃するのも容易だ。この種の鏡は、要素単位で持ち運べるため、世界的な標準化にもより適している。

solaire Fresnel JPP

固定式鏡と可動式焦点管を備えた太陽熱収集器。

両方の方式を試すべきである。ベルギー人はすでに自国のシステムを成功裏にテストしている。誤りでない限り、フランスではこの分野で何も行われていない。

http://www.solarmundo-power.com

Solarmundo フレネル軽量化収集器（SFC）

太陽エネルギーを石油より安価にできる可能性がある

気候保護のためのSolarmundo新収集器の潜在能力評価

クリストフ・バルス（Germanwatch、bals@germanwatch.org）および
ゲルハルト・ニーゼ博士（Dr. rer. national. ハンブルク気候保護基金、knies.gerhard@t-online.de）

砂漠に設置されたSolarmondoユニットのアーティストイメージ

Solarmundoフレネル軽量化収集器（SFC）を入念に検証した後、両著者は次のような評価に至った。この最新の開発により、日照量の多い国々では、さらなる技術的ブレークスルーがなくても、数年以内に太陽エネルギーが石油より安価になる可能性がある。SFCが計画通りに機能すれば、地球規模の気候保護と、世界中でのクリーンで無限の電力供給に巨大な潜在能力を提供することになる。－ボンおよびハンブルク、2001年10月。

SFC発電所の性能
クリーン電力、石油より安価：

良好な日射量がある場所では、Solarmundo収集器は、原油価格が1バレルあたり20米ドルを超える場合、石油よりも安価に蒸気を生成できる。これは、太陽熱発電所が石油火力発電所よりも低いコストで電力を生産できることを意味する。

海水淡水化との組み合わせ

冷却能力は、あらゆる火力発電所と同様に、海水や汽水の淡水化に利用できる。400MWの太陽熱発電所は、毎時1万～2万立方メートルの電力をコージェネレーション（熱電併給）で供給できる可能性がある。この技術は確立されている。

敷地の農業利用との組み合わせ

SFCの平面鏡は地上から約4メートルの高さにある。その下の影では、光の強度と水の蒸発量が低下する。例えばトマトを栽培するのに十分な光がある。

400MWの発電所は、農業用に約3平方キロメートルの影を提供する。灌漑用水は淡水化から得られる可能性がある。

この応用の詳細、例えば収穫量およびヘクタールあたりの収量、灌漑に必要な水量などは、実現可能性調査で評価され、パイロットプロジェクトで研究される必要がある。

太陽エネルギーの統合蓄熱による将来の潜在能力

熱の蓄積と、24時間需要に応じた電力供給のための比較的単純な適応には、有望な見通しがある。これにより、太陽電力は日照量の多い国々のエネルギー供給と、北部の工業化された国々への輸出に大きな潜在能力を持つことになる。

したがって、SFC技術は、日照量の多い国々で低コストのクリーン電力を、国内需要と輸出の両方に提供し、石炭の汚染燃焼や薪の伐採など地域環境への危険を回避する興味深い可能性を提示している。建設、保守、運営の大部分は現地労働力によって行えるため、開発途上国で産業雇用を創出できる可能性がある。

コンピュータアニメーション：SFC収集器の4列と、発電所への蒸気移送ライン。

地球規模の気候保護におけるSFCの潜在能力

SFC技術は、太陽電力生産のための私たちの能力を大幅に拡大する。この技術が完全な運用ソフトウェアによって検証され次第－おそらく1～2年以内に－、インドや中国を含む、日照量の多い開発途上国で将来予測される巨大な需要に対して、クリーン電力の供給に貢献できる可能性がある。ここには、数百ギガワットの新規容量が必要である。

長距離送電における高圧直流送電（HVDC）のコストが比較的低いことと組み合わせると、世界の人口の約95％は、安価な太陽熱発電に適した砂漠地域と、収集器フィールドを配置するのに十分なスペースがある場所から届く範囲に住んでいる。例えば、EUの年間電力消費量の20％に相当する年間500TWhの電力を生成するには、約45×45キロメートルの収集器フィールドと、サハラ砂漠のような日射量が必要である。モロッコは、良好な日射量と欧州送電網への容易な接続という両方の条件を満たしている。

熱の蓄積により昼夜を問わず需要に応じた電力生産が可能になるため、この将来の応用により、SFC技術は、地球規模で強く求められているクリーン電力への迅速な移行に大きく貢献できる可能性がある。

現在の建設方法でも、この太陽電力は石油火力発電所と競合し得る。生産能力の拡大に伴い、さらなる概念改善とコスト削減が期待される。

SFC技術の地球規模の気候保護に対する卓越した潜在能力を考慮すると、この技術の開発を可能な限り加速することには重大な公共の利益がある。したがって、私たちはこの技術の潜在能力を迅速に検証するための適切な支援を推奨する。試験が成功すれば、世界市場への展開への道が開かれることになる。

地球規模の気候保護のための完全な力は、制限のない南北協力から生まれる可能性がある。

SFC－技術的装置

太陽光は放物面鏡によって集中され、発電所用の蒸気を生成できる。フランスの物理学者A. J. フレネル（1788～1827年）は、湾曲した鏡を平面の鏡帯セットに置き換える単純なシステムを発明した。

このシステムを用いて、Solarmundo NV.（ベルギー）は、かさばる放物面鏡のボウルを、細長い鏡帯で構成された単純な平面に変換した。幅50センチメートル、長さ最大約1000メートルのこれらの帯48列が、列の15メートル上に設置された長さ1000メートルの収集管に太陽光を反射する。鏡帯は太陽を追跡するために長軸周りに傾けることができる。晴天時には、集中した太陽光により収集管は500℃以上に加熱される可能性がある。これは、4.8メガワットの発電機に結合された従来のタービン用の蒸気を生成するのに十分である。多数のこれらの収集要素を組み合わせることで、容量を拡張できる－数百メガワットまで。

ここでは、カリフォルニア州モハベ砂漠で10年間非常に安全に稼働している第1世代の線形放物面ボウル収集器と比較して、SFC設計が提供する改善点を要約する。

設計上の違い：

典型的な幅6メートルの大型放物面鏡は、太陽を追跡するための複雑な可動支持構造の上に置かれていたが、これは、回転する小型平面鏡帯の固定水平列と、収集管の後ろにある小型二次集中器に置き換えられた。
太陽の動きを追う可動放物面の焦点は、各鏡要素と二次集中器が太陽光を反射する固定焦点線に置き換えられた。収集管は現在固定位置にある。
鏡軸と収集管の支持構造は固定されている。

収集管の新しい表面コーティングにより、長い管の真空断熱という高コストな方法は、通常の雰囲気下での単純な熱損失および放射保護に置き換えることができる。

蒸気は、特殊な液体と熱交換器を介して蒸気ボイラーに熱伝達した後ではなく、収集管内で直接生成される。

光収集効率と日中の性能の違い

放物面鏡に基づくシステムとフレネル収集器に基づくシステムの比較効率（カイロの緯度）。両者はかなり近いことがわかる。

鏡要素による収集器フィールドのカバレッジは、両装置で異なる。

Solarmundo装置では、収集器フィールドはほぼ完全に鏡で覆われている。これにより、朝晩の一日の極端な時間帯に一定の相互影が生じる。放物面装置では、南北に整列した放物面列は、朝と午後の影を避けるために2列の空き列で分離されており、収集器フィールドのわずか1/3で低い出力を提供するが、日中はより一定している。

使用される鏡面積の観点からは、Solarmundoフレネル収集器の放射収集がより優れており、鏡セクターの観点からは、放物面鏡の放射収集がより優れている。

コスト削減は主に以下によって実現される：
特別に設計された大型鏡（放物面）の代わりに、構築が容易な多数の小型平面鏡。
太陽を追跡するために回転するのは小型鏡のみである。それらの支持軸、フレーム、収集管は固定されたままだ。
支持構造全体は標準部品で容易に作成できる。
鏡列の永久的な水平位置は、風圧を大幅に低減する。
収集管の周囲の真空断熱を回避できた。
収集管での直接的な蒸気生成。
低コストの現地労働力を部品組立に広く活用できる。
収集器フィールドの運用と保守の簡素化。
開発段階

これまで、フレネル鏡帯、二次集中器、収集管は、ベルギーで幅24メートル、長さ100メートル（標準的な4.8MWモジュールで予定されている1000メートルではなく）のパイロットプラントで製造、試験、組立が行われた。

収集器の機械的機能はこのパイロットプラントで検証された。さらに、270℃で蒸気が生成され、これはパイロットプラントの期待値と一致したが、収集管上の予備的な選択コーティングにより最高温度が制限された。高温用の新しい選択コーティングは、500℃で実験室で成功裏に試験された。このコーティングを施した管の生産が開始された。このコーティングの高い吸収性と低い放射特性の長期的な安定性、および蒸気生成プロセスの制御は、実サイズの収集器と完全な日射下で、予期される運転温度400℃で検証される必要がある。

熱の蓄積と農業栽培の追加装置は、現時点では「紙の上」にしか存在しない。

次のステップ
次のステップは、現実的な太陽条件と合理的な期間（例えば数か月間）で収集器の動作を実証することである。この目的のため、約5MWの完全な収集器列を少なくとも1列含む実証プラントを建設し、太陽熱蒸気生成のために運用する必要がある。

これには800万～1000万ユーロの投資と、日射量が強く人件費が低い場所の特定が必要である。モロッコ政府は適切な場所の提供を申し出た。南ヨーロッパでは、日射量が少なく人件費が高いため、コストは約50％高くなる。

建設工事は2002年初頭に開始されることが望ましい（！…）。

建設工事を並行して、Solarmundo収集器フィールドの農業オプションに関する技術的潜在能力と市場調査、および実証装置の研究を行うべきである。
昼夜のエネルギー蓄積の技術的実現可能性と、国内供給および大規模な電力輸出のための需要に応じた電力生産の意義についても研究すべきである。
実証プラントの建設と運用の経験に基づき、50MWから数百MW規模の商業発電所の計画と建設を開始すべきである。