太陽が電力を得る 2 つの経路: 太陽光発電と集中太陽光発電について理解する

ほとんどの人は太陽光発電について、太陽光をエネルギーとして利用する太陽光発電パネルによるものだと考えています。太陽光発電パネル以外にも、太陽光を通じて価値を引き出す方法はたくさんあります。たとえば、太陽を利用してクリーンな水素燃料を生成し、熱を利用して実用規模の電力を生成できます。-太陽エネルギーの限界を押し広げるエキサイティングな新技術がいくつかあります。それは、太陽エネルギー源からの水素と集中太陽光発電 (CSP) です。

水素はいくつかの理由から「明日の燃料」として知られています。水素には約 142 MJ/kg のエネルギーが含まれており、燃料電池で水素を使用した場合、排出されるのは水のみです。しかし、大量の水素燃料をクリーンに製造することは、水素製造にとって依然として大きな課題です。この問題を解決する 1 つの方法は、水素製造手段として太陽光を利用して水を分解することであり、このプロセスでは温室効果ガスの排出はゼロです。

太陽エネルギーからの水素製造には主に 3 つのタイプがあり、現在、それぞれ成熟度が異なります。

最初の技術 (最も成熟したもの) は、電解装置と組み合わせた太陽光発電 (PV) パネルを使用します。電解槽は、電気を受け取り、熱と熱伝達を利用して水を水素と酸素に変換する電気装置です。太陽光発電システムは最も開発されており、すぐに入手できます。太陽光発電システムは非常にモジュール式で信頼性が高いです。電力変換装置を使用せずに PV と電解槽を接続すると、システム全体の STH 変換効率が理論上の限界に近づきます。

研究によると、集中型太陽光発電システムは従来のシステムよりも大幅に優れた性能を発揮します。科学者らは、750 サン濃度で InGaP/GaAs/Ge セルを使用し、モジュール面積 1 平方メートルあたり毎分 0.8 ～ 1.0 リットルの水素生成率で 18 ～ 21% の STH 効率を達成しました。比較すると、1 つの太陽の下での従来のシリコン モジュールは、約 0.3 L/min·m² の生産率で約 9.4% の STH 効率しか達成できませんでした。これは、集中システムでは 1.5 ～ 3 倍のパフォーマンス上の利点を表します。

水の電気分解の有効利用範囲は 70 ～ 80% であり、将来の再生可能エネルギーの電力価格を考慮すると、このオプションがより魅力的になります。現時点での唯一の大きな課題は、電解槽の価格が高いことと、日射量が予測できないため、システムへの慎重な統合が必要になることです。

光電気化学 (PEC) システムは、最初に電気エネルギーを生成し、次にそのエネルギーを利用して水から水素を生成するという、水の電気分解のための以前の方法よりも統合されたアプローチを利用します。 PEC は、水に浸した半導体材料を利用します。この材料は、太陽からの光を吸収し、それを直接変換して、水の電気分解を通じて水素の形で化学的にエネルギーを蓄えることができます。これは、光が半導体に当たると電子/正孔のペアが生成されるときに発生します。半導体機構内の電子は陽子を還元して水素を形成します。生じた穴は水分子を酸化させて酸素を生成します。

PEC は、約 50 年前に藤島新一郎とホンダによって初めて研究され、二酸化チタン (TiO2) 電極を白金陰極/合金と組み合わせて UV 光を照射すると、H2O が H2 と O2 に分解できることを発見しました。 (これは「ホンダ-藤島効果」と呼ばれるものです)

現在、PEC システムは魅力的でコンパクトな設計を採用しており、シンプルで洗練されたメカニズムを通じて太陽光から水素への直接変換を実現できます。{0}}-このような優れた設計上の特徴にもかかわらず、PEC 技術はまだ比較的初期段階にあり、太陽光-から水素への変換効率の低さ、-PEC セルの作成に使用される材料の劣化、性能の拡張性など、商業化する前にいくつかの重大な課題を克服する必要があります。したがって、これらの問題に対処するために設計された先端材料とナノ構造光電極に関する研究が進行中です。

これを行うためのより創造的な方法の 1 つは、水媒体中に分散されたナノスケール サイズの半導体材料 (量子ドットとも呼ばれる) を光触媒として利用することです。太陽光を照射すると、電子（および正孔）が生成され、粒子の界面に移動して、それぞれ水素発生および酸素発生と呼ばれる酸化および還元の半反応を開始します。

単一粒子光触媒システム、つまり 1 ステップ励起システムでは、半導体のバンドギャップが水素発生ポテンシャルと酸素発生ポテンシャルの両方にまたがる必要があります。{0}また、2 つの異なる光触媒がケミカルメディエーター (酸化還元対) によって結合され、水の分解が 2 つの異なるステップまたは半反応で起こるようにする、2 つの部分からなる光触媒システムまたは「Z-」光触媒構成もあります。これにより、各反応に必要なエネルギーが大幅に低下し、より多様な可視光を利用できるようになります。

最近の画期的な進歩により、このアプローチの可能性が実証されました。金属研究所の Liu Gang 氏が率いる中国の研究チームは、「構造再形成」と「元素置換」を通じてスカンジウムを添加することで、重要な光触媒材料である二酸化チタン-を強化しました。-スカンジウムイオンは材料の格子にスムーズにフィットし、通常は電子を捕捉する「トラップゾーン」を除去し、結晶表面の形状を再形成して電荷キャリアを効率的に導く「電子ハイウェイ」を形成します。

強化された材料は 30% 以上の紫外線を使用し、模擬太陽光の下で以前のバージョンよりも 15 倍高い水素生成率を達成します。研究チームによると、1-平方-メートルの光触媒パネルは太陽光の下で 1 日あたり約 10 リットルの水素を生成できるとのことです。

微粒子光触媒は研究室に残っていますが、大規模な導入の可能性は魅力的です。{0}粉末状の光触媒は、PV- 電気分解や PEC システムと比較して、取り扱いが簡単で、潜在的に安価なプロセスを使用して広範囲に散布しやすくなっています。

集中太陽光発電 (CSP) は、太陽を利用するために根本的に異なるアプローチを採用しています。 CSP は光を電気に直接変換するのではなく、ミラーを使用して太陽光を集中させ、高温の熱を生成し、従来のタービンを駆動して電気を生成します。-

基本的な概念は非常に単純です。ヘリオスタット、または鏡の配置は、太陽の日次コースに従い、塔の頂上にあるコレクターに太陽光線を反射します。この集中した太陽光は、作動流体を非常に高温に加熱するために使用され、熱が生成されると、加熱された作動流体は、発電機を駆動するタービンを回転させる蒸気の生成に使用されます。

熱エネルギー貯蔵を CSP システムに組み込むことができるため、CSP がこれほど価値のあるものになります。太陽光線を集中させるプロセスによって生成される熱は、何時間も捕らえて蓄えることができます。これは、CSP システムからの発電が日没後も長く発生する可能性があることを意味します。 CSP の派遣可能な側面-、つまり、電力が必要なときに発電できるという点が、CSP と太陽光発電システムの違いです。太陽光発電システムは、曇り始めたり夜間になると発電を停止します。

現在ピラミッドの頂点で発見されている技術（スペインのゲマソーラー、ネバダ州のクレセントデューンズ、ヌールIII）は、液体溶融塩が熱を伝達するだけでなくエネルギーを貯蔵するためにも使用されることを特徴としています。 3 つのシステムはすべて、液体溶融塩だけで 15 時間以上のエネルギー貯蔵を維持しながら、丸 24 時間連続稼働できる能力を実証することに成功しました。

米国エネルギー省の集光型太陽光発電 3 (CSP Gen3) プログラムは、この技術を既存の商用レベルの CSP システムを超えて推進します。 CSP Gen3 プログラムで検討されている設計アプローチの 1 つは、「液体経路」システムです。このシステムでは、エネルギー貯蔵として比較的低コストの液体塩化物と、超臨界二酸化炭素 (sCO2) パワー サイクルに熱を伝達する約 740 ℃の液体ナトリウム レシーバーが使用されます。- sCO2 パワーサイクル全体も、従来の蒸気ランキン型サイクルよりも高い効率で動作します。

これは、通常、硝酸塩を使用して約 565 度で稼働する現在のプラントからの大幅な進歩を表しています。動作温度が高いと効率が向上し、エネルギーの平準化コストが下がります-第 3 世代の目標はメガワット時あたり 60 ドル未満です-。

2 タンク溶融塩システムにより、オペレーターは太陽光受光器を介して塩を循環させて充電（「熱い」タンクを加熱）し、その後、放出が必要なときに熱交換器を介して蒸気を発生させることができます。蓄熱自体の熱効率は高く、-断熱タンクに熱を蓄えると、毎日のサイクルで 90% を超える効率が得られます。

ただし、電力貯蔵の往復効率には根本的な限界があります。-蒸気タービンを通じて熱を電気に戻す場合、通常は 35-42% の熱効率しか達成できません。先進的な超臨界 CO2 タービンでも 50% を超えるのは困難です。比較のために、リチウム-イオン電池は往復効率が通常 85% を超えています。

この効率の低下は、CSP が、蓄熱の価値-持続期間が長く、蓄熱時間当たりのキロワットあたりのコストが低い-、同期発電を提供する能力が変換損失を上回るアプリケーションに最適であることを意味します-。 6～12 時間持続するグリッド規模のストレージの場合、経済性は依然として機能します。

電力を生成するための再生可能エネルギー源の開発、産業プロセスの脱炭素化への CSP の貢献、および蓄熱装置の創設により、CSP は電力だけを超えたサービスを提供できるようになりました。多くの工業プロセスでは、製紙、石油精製、化学処理などのプロセスを含め、摂氏 300 ～ 550 度の温度範囲で蒸気または直接熱を継続的にオンデマンドで供給する必要があります。-

CSP は、非常に大規模な溶融塩熱エネルギー貯蔵システムを使用することで、必要に応じて産業用アプリケーションにプロセス蒸気や過熱空気をリアルタイムで提供することで、この目標を達成できます。-これらの溶融塩蓄熱システムの大容量は、電気化学電池に代わる非常にコスト効率の高い代替手段ともなり、使用可能な蓄熱エネルギーのキロワット時 (kWh) あたりのコストは 35 ドル未満です。{6}{6}}

太陽エネルギーを利用するための補完的な方法には、太陽光による水素生成や集中太陽光発電（CSP）などがあります。太陽エネルギーは、太陽光発電 (PV) 電気分解と光触媒システムを介して化学燃料 (水素) に変換され、無期限に保存できます。水素は輸送、産業、発電に利用できます。あるいは、CSP は太陽光を使用して熱を生成します。 CSP は、その熱エネルギーを電力に変換して、発送可能な (秩序ある) 配送を実現します。

どちらのテクノロジーも急速に進歩しています。材料とシステム統合の改善により、太陽光-から-への変換効率が向上します。 CSP は、動作温度の向上とコストの削減を引き続き推進しています。 PV 電気分解と CSP を組み合わせると、太陽が必要な場所にエネルギーを供給するだけでなく、1 日を通してオフピーク時にエネルギーを供給するための容易に貯蔵できる形態の燃料も生成する-太陽光発電の世界が可能になります。-

地球は太陽から大量のエネルギーの供給を受けています。これは、毎秒地球に到達する 173 兆ワット (1 兆=1,000,000,000,000) にほぼ相当します。エンジニアにとっての課題とチャンスには、太陽からの膨大なエネルギー供給を捕捉するために複数のモードを利用する方法を見つけることが含まれます。