Solar power generation - solar thermal power generation

This is a power generation method that efficiently collects radiant heat energy from the sun's rays, converts it into rotational energy mainly by a heat engine, and extracts it as electrical energy. From the viewpoint of energy conversion, this power generation is different from photovoltaic power generation, which converts the energy of the sun's rays directly into electrical energy by solar cells, and is an indirect cycle power generation method in which thermal energy is first converted into mechanical energy and then converted into electrical energy. It is relatively easy to build because it uses conventional heat engine technology, and its characteristic is that the power output can be made uniform by adjusting the amount of heat medium in the heat exchanger. The important issue is to efficiently collect solar thermal energy, which has a low energy density, and a collector is used as the device for this purpose. There are two types of collectors: a concentrated tower type and a distributed type that uses a reflector or Fresnel lens. The power generation system is configured so that solar thermal energy is collected by the aforementioned collector (composed of a collecting mirror and an absorber), and the heat energy heats the heat medium in the pipe surrounded by the absorber. The heated heat medium flows back to the original collector through an external heat exchanger. In this heat exchanger, the heat medium in the pipe on the collector side and another pipe is heated, and the heat medium rotates the turbine, which is converted into electrical energy by the generator. The exhaust heat medium that has done work in the turbine is cooled in the condenser and returns to the heat exchanger, forming a circulation cycle. The heat exchanger constantly stores the thermal energy obtained from the collector, and some designs have an adjustment function to supply thermal energy to the turbine, allowing it to generate electricity even at night when sunlight is not available or on rainy days. Turbines for solar thermal power generation include steam turbines, gas turbines, and organic medium turbines. At the current development stage, large-capacity steam turbines are used when the heat collection temperature is assumed to be around 300 to 550 degrees Celsius. If the heat collection temperature is even lower, it is possible to use organic medium turbines that use low-boiling point media such as Freon (a liquid with a low melting point that turns into steam/gas when heated). In the desert regions of North Africa and Europe, solar thermal power generation using this power generation technology is mainstream. At large power plants in flat desert areas, the cost of generating electricity is now comparable to existing power generation methods, but the construction of transmission lines from power plants located in depopulated areas to areas of demand remains a bottleneck. However, with the development of power electronics, low-cost long-distance direct current transmission has become practical, and the construction and planning of solar thermal power plants is on the rise along with photovoltaic power plants.

[Tsutomu Michigami and Ryuichi Shimada]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

太陽光線のエネルギーのなかで、放射熱エネルギーを効率よく集めて熱源とし、その熱エネルギーを主として熱機関により回転エネルギーに変えてタービン発電機を回転させ、電気エネルギーとして取り出す発電方式をいう。この発電はエネルギー変換からみた場合、太陽光線のエネルギーを太陽電池で直接電気エネルギーに変換する太陽光発電と異なり、熱エネルギーを一度、機械エネルギーに変換してから電気エネルギーに変える間接サイクルの発電方式である。従来の熱機関の技術を利用するため比較的容易に構築でき、かつ、熱交換器の熱媒体量を調整することにより発電出力を均一にできるところに特徴があるといえる。エネルギー密度の低い太陽熱エネルギーを効率よく集めることが重要な課題で、その装置として集熱器（コレクター）が用いられる。集熱器の種類としては集中形のタワー集熱方式と反射鏡やフレネルレンズを使う分散形の方式がある。発電システムの構成としては太陽熱エネルギーを前述の集熱器（集光鏡と吸収体で構成）で集熱し、その熱エネルギーによって吸収体で囲まれたパイプの熱媒体が加熱される。加熱された熱媒体は外部の熱交換器を通って元の集熱器に還流する。この熱交換器では集熱器側のパイプと別のパイプの熱媒体が加熱され、その熱媒体がタービンを回転させ発電機で電気エネルギーに変える。タービンで仕事をした熱媒体の排気は復水器で冷却されふたたび熱交換器に戻る循環サイクルを構成している。熱交換器では集熱器から得た熱エネルギーを絶えず蓄積しており、熱エネルギーをタービンに供給する調整機能をもたせ、太陽光線が得られない夜間や雨天の日でも発電が行える設計もある。太陽熱発電用のタービンとしては、蒸気タービン、ガスタービン、有機媒体タービンなどがあり、現状の開発段階では集熱温度を300～550℃程度と想定した場合は大容量の蒸気タービンが使用される。さらに集熱温度が低い場合はフレオン（低融解点をもつ液体で熱せられると蒸気＝ガスに変わる物質）などの低沸点媒体を使用した有機媒体タービンの採用が考えられる。北アフリカやヨーロッパの砂漠地帯では、この発電技術を利用する太陽熱発電が主流である。平らな砂漠地帯の大型発電所では発電コストも既存の発電方法と遜色(そんしょく)ないところまできているが、過疎地帯に設置した発電所から需要地への送電線の建設がネックとなっている。しかしパワーエレクトロニクスの発展により、低コストの直流による長距離送電が実用化され、太陽光発電とともに太陽熱発電も建設や計画が多くなってきている。

［道上　勉・嶋田隆一］

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