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ヨルダンとカタールの研究者が、24時間365日クリーンなエネルギーを生成できる「ツイン・テクノロジー・ソーラー・システム」(TTSS)と呼ばれる、革新的な設計を考案している。このダブルアクション設計は、標準的なソーラー上昇気流タワーの2倍以上のエネルギーを約束し、暑く乾燥した地域で効果的に機能し、太陽光発電パネルは必要ないという。

その名が示すように、TTSSは2つのタワー型技術を1つのデザインに統合したものである。これらは1つのタワーに統合され、上昇気流タワーは真ん中を通って上がってくる。

太陽熱上昇気流塔は、地上の空気を加熱し、熱い空気が上昇することを利用して、タービンを備えた高いタワーに空気を送り込む仕組みだ。空気は広大な集塵エリアを覆う大きな屋根の下で加熱され、できるだけ多くの熱を閉じ込めるように設計された温室タイプの素材でできている。

これらは実験的な規模では建設されているが、商業的な規模ではまだ建設されていない。そのため、資本コストが高く、リスクが高いと考えられている。

ヨルダンとカタールの研究者が共同でこの問題を調査したところ、太陽熱上昇気流タワーの設計に問題があることがわかった。典型的なセットアップでは、大きな円形のガラス集熱器を使用し、太陽光線を利用してその上の空気を加熱する。高温の空気は上方に上昇するため、タービンを備えた長い上昇気流塔を通過してエネルギーを生成する。

新しいソーラータワーの設計

調査の結果、研究者たちは、このようなソーラータワーの設計では熱効率が低いことを発見した。システムの出力を向上させるためには、より大きなガラス集熱器を使用する必要があり、これはセットアップの投入コストをさらに増加させ、コンセプトを商業化から遠ざける。

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TTSSの設計は、太陽熱上昇気流タワーと複数のミスト式下降気流タワーを組み合わせたものである (Credit: Al Hussein Technical University / Qatar University)

この効率を改善するこれまでの試みは、煙突の高さを高くしたり、換気を改善したりすることに重点が置かれていたが、高い効果は得られなかった。研究者たちの革新的なアプローチは、上昇気流塔の外側に二次塔を設置し、タービンを通過した乾燥した高温の空気に霧状の水をかけるというものだった。

水を加えることで空気はより重く、より冷たくなり、重力の結果として地球に向かって落下し始める。この下降気流は、煙突塔の外部に配置された小さな水路を通って流れ、さらにタービンで発電される。

エネルギー出力と限界

研究者らが、「ツイン・テクノロジー・ソーラー・システム(TTSS)」と名付けた革新的なソーラータワーの設計は、従来のソーラータワーの2.14倍の電力を生み出すことができると見積もっている。TTSSの設計では、空気の上昇気流と下降気流の両方でエネルギーを生成するため、これは驚くべきことではない。

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10本の下降気流チャンネルに囲まれた上昇気流タワーの内側に、それぞれ専用の発電タービンを装備。 (Credit: Al Hussein Technical University / Qatar University)

外側のタワーは、気温が最も高く、湿度が最も低い午後に最高の性能を発揮する。一方、内部タワーは太陽放射照度とは無関係に働き、夜間でもエネルギーを生産し続けることができるため、この装置は24時間発電することができる。

研究者らは、この装置の性能は湿度が高いと大きく影響を受けるため、高温で乾燥した天候に最適であることを認めている。

リヤド市の気象データを用いたシミュレーションテストによると、TTSS1基で年間753MWhのエネルギーを発電することができ、上向きドラフトタワーで350MWh、下向きドラフトで400MWhのエネルギーを発電することができた。

また、高温の砂漠地帯で使用する場合、システム内に常に水が必要であることも制約となる。研究者たちは現在、このソリューションをどのように拡大し、他の再生可能エネルギーと統合できるかに取り組んでいる。


論文

参考文献

研究の要旨

従来の太陽熱上昇気流発電所は、発電を日射に依存しているため、日中に稼働する。したがって、エネルギー生産性、効率、性能には限界がある。本研究では、従来の太陽熱上昇気流発電システムの生産性を、下降気流発電技術と組み合わせることで向上させる新しい試み、ツイン・テクノロジー・ソーラー・システム(TTSS)を紹介する。TTSSは、同心円状の内側と外側の2つのソーラータワー、タービン、散水装置、コレクターから構成される。内部タワーは、伝統的なソーラー上昇気流システムとして機能し、空気はコレクターの下で放射照度によって加熱され、圧力柱によって煙突を上昇する。一方、外部タワーは、タワー上部の高温の周囲空気に水を噴霧することで下降気流風を発生させる。高温の空気は瞬時に水を吸収し、タワーを下降して下部のタービンと相互作用して発電する。このモードは太陽放射照度に依存せず、昼夜を問わず稼働する。したがって、TTSSは昼夜を問わず発電する。性能を評価するために、提案されたシステムのエネルギーと質量のバランス方程式に基づいて数学的シミュレーションモデルが開発された。TTSSの年間発電量は752,763kWhで、従来の太陽熱上昇気流システムより2.14倍多かった。その結果、677トンのCO2削減が達成された。この設計は、人里離れた村や砂漠など、暑く乾燥した気候の地域での展開に適している。今後の研究では、TTSSの性能を高めるために他の技術を導入することを検討する予定である。

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