集光型太陽熱発電（CSP）方式とその現状
Trend of Concentraring Solar Power

岡本硝子株式会社

顧問

工学博士

西村啓道

Hiromichi Nishimura Ph.D.
Okamoto Glass Co. ltd., Adviser

光度の制御あるいは発電時の除熱・ヒートシンクが必要

1. はじめにとなる。

石油エネルギーの枯渇は時間の問題であり、また昨
年東日本大震災に起因する原子力発電所の重大事故

熱発電に於いては太陽光を集光し、その光を吸熱材

は原子力発電の安全性に重大な疑念をもたらし、日本料に照射し発熱を促し熱媒体を加熱する。この熱媒体に止まらず世界の新エネルギー政策にも大きな影を投により水蒸気を発生させ、それによりタービンを回転させげかけた。長期にわたるエネルギー対策の中で再生可て発電をするという原理である。熱発電の技術そのもの

能エネルギー利用の重要性を再認識させるに至っていは従来からあるものであり、効率を左右するのは太陽光る。の日射量（直達光照射量）の多さである。また発電所の前報 1）でも述べた通り、太陽光は 1 平方メートル当り発電システム、その熱利用効率が優劣を決定する。

1KWというエネルギー密度であり、決して高密度とは言

地球上で日射量が多いのは赤道を挟んだ地域でありい難い。しかし地球に降り注ぐ太陽光エネルギーの僅日照を確保できる米国、豪州、中央アジアの砂漠地帯、か 1 時間で人類が年間に使用するエネルギー量に匹降雨の少ない地中海沿岸等が発電には適している。こ敵するということは、太陽エネルギーおよびその派生エれらの地帯をサンベルト地帯と呼んでおり図 1 に示す。

ネルギーを上手に利用することで、化石エネルギーに替るほぼ永 遠の代 替エネルギーを手にすることになると期待できる。
太 陽 熱 発 電の定 義は太 陽の光をレンズや反射板を使って太陽炉に集めることで、それを熱源として利用する発電方法のことをいう。太陽光集光発電は集めた光エネルギーを太 陽電池により電気エネルギーとして取り出すものであるが、一般的に太 陽 電 池は温 度 上 昇によって発 電 効 率 の 低 下を引き起こすことが知られており、集18THE CHEMICAL TIMES

Suitability for solar thermal power plants:
図 1 サンベルト地帯の地図

2012  No.4
（通巻 226 号）

Excellent

GoodSuitable
出典：Solar Millenium

集光型太陽熱発電（CSP）方式とその現状太陽が遮られることの少ないサンベルト地帯にある米2．
1．
1 パラボリックトラフ型熱発電

国南部、豪州、中国西部砂漠地帯、地中海沿岸・サハ

太陽熱発電システムの実用化は、パラボリックトラフ

ラ砂漠地帯等に於いては太陽熱発電が急速に起ち上型から始まったと言われている。図 2 に放物面鏡の概がり、全電力消費量に占める比率の上昇が予測されて念、図 3 4）と図 4 5）には代 表 的 例としてのトラフ型 CSPいる。

装置の部分図とシステムの例を示す。

日本での太陽光発電と言えば屋根やビルの屋上に設置するものが主であり、メガソーラー発電と言った大規模発電はやっと軌道に乗り出したところである。しかし太陽熱発電は全くと言っていい程話題にならなかった。というのは 1970 年 代に入って海 外で進み始めた太陽光発電を見て政府は 1974 年第一次オイルショッ
ク後に国家プロジェクト“サンシャイン計画”を発足させ、その中で初めて熱 発 電を取り上げることになった 2）。
1974 年 香 川 県 仁 尾 町（現 三 豊 市）において 1M W のパイロットプラントが建設され実証テストが実施された。
直達日照時間の短い日本に於いては良好な結果は得

図 2 パラボリックトラフ型熱発電の概念図られず、それ以降二度と検討が行われることはなかった。しかしながら近年、日本には発電プラントの技術が蓄積されており、主として国外向けの事業展開を睨んで多くの企業が進出の機会を狙って参入が図られるに至っている 3）。
2. 集光型太陽熱発電方式と特徴
2．
1 主な熱発電方式
太陽熱利用技術に関して日本でも豊富な実績はある。太陽熱温水器が広く利用されていたことは記憶に新しいが、近年その使用実績が著しく減少していることは大変省エネルギーの観点で残念なことである。
ここで取り上げる熱発電は太陽光の集光によって高温を実現し、その熱で水蒸気を発生、水蒸気タービン

図 3 パラボリックトラフ型反射板の写真例 4）を回転させ発電する方式である。
実用化実験は既に記したが日本のサンシャイン計画で取り上げられ、その当時世界最先端の熱発電技術が試されていたのである。サンベルト地帯では日本と異なり直達日照条件が良好なため発電容量 0．
5〜10MWクラスの太陽熱発電所（Concentrating Solar Power：CSP）のパイロットプラント建設が進み、さらに 1985 年米国で民間商用プラントがカリフォルニア州モハベ砂漠にSEGS 名で建設されていたのである。
図 4 パラボリックトラフ型熱発電システム概念図 5）

THE CHEMICAL TIMES

2012  No.4
（通巻 226 号）

19

パラボリックトラフ型は図 2、3 に示されるように半円筒状の放 物 面の集 光 鏡により平 行 太 陽 光を反 射し、焦点の線上に設置されている集熱媒体（合成油）を加熱昇温し配管内の熱媒を循環させる。

を達成できるため効率良く発電できるので熱発電方式の主流となると考えられている。
このシステムの光電変換効率は 20〜35％にもなると見られており、一般の太陽光発電よりもはるかに高い効

放物面鏡で反射した光を集熱管でおよそ 96％を熱に率を発揮することは注目される。図 5 にタワー型太陽熱変換し（コレクターは効率よく光 - 熱エネルギーに変換す

発 電システム概 念 図 8）を、また図 6 にタワー型 太 陽 熱る最も重要な要素技術である 6））集熱管中をおよそ 10m

発電プラントの写真の 1 例を示す 9）。

単位で直列に繋いだモジュール管を流れながら熱媒体

トラフ型 CSPと比較するとより広い面積から狭い面積を加 熱し続け、蓄 熱 部に集め 400℃程 度の熱 エネルへ集光することで高温が実現することが利点である。まギーとして蓄積してゆく。最終的には 390℃程度の水蒸たトラフ型のように長い配管で媒体を流すことによる大き気を発生し、それでタービンを駆動し発電することになな熱損失を起こすことが避けられることが特徴である。

る。蓄熱することで必要な時間に熱媒を廻し夜間でも発電させることができるという利点を有する。一方長いパスを通って熱を集めるために熱損失も大きく、熱 - 電エネルギー変換効率は高くない。また大規模化を進めてもこの欠点をクリアーすることにはならないのが限界である。
既にトラフ型熱発電として 1システムで 80MWレベルの発電容量での商用発電が実現している。
トラフ CSP 技術は既に確立された技術であり、今後大幅な技術の進展は望めない、完成した技術と考えられる 6）。
2．
1．
2 タワー型熱発電
東京ドームが 2 つ入る広い面積の敷地の中央におよ図 5 タワー型太陽熱発電システム概念図

そ 50 ｍ高さのタワー2 基 がそびえ、それを囲む 2 万4000 枚の大きな鏡が並びその反 射 光を集めたタワーは目もくらむ輝きを持つ。頂 上の集 熱 器に水 蒸 気を流し、より高温の水蒸気とし、その蒸気がタービンを回し発電する7 ）。この例は米国のベンチャーe-Solar 社のプラントで 2009 年にカリフォルニア州 南 部で稼 働を始めた実証プラントであり、最大で 5MW の能力を有する。
日本の仁尾プラントで試験されたものの一つがこのタワー型であり、世界で初めて実現したものである。しかし直達日照時間不足の日本で試験されたために失敗とされ、2 度と振り返られることが無かった。
前記トラフ型に始まる熱発電は海外で広がり、次にこのタワー型熱発電が主力になりつつある。未だトラフ型

図 6 タワー型太陽熱発電プラント写真の一例の後塵を拝しているものの、タワー型が主力となることは間違いないとされている 4）。
タワー型 発電は多くの鏡（ヘリオスタットと呼ぶ）を並べ、しかも2 軸で太陽光を追尾することで 600℃の高温

20

THE CHEMICAL TIMES

2012  No.4
（通巻 226 号）

2．
1．
3 その他
（1）
リニアーフレネル型熱発電
トラフ型と類似の技術としてリニアーフレネル型の集集光型太陽熱発電（CSP）方式とその現状光型熱発電方式（図 7，8）がある10）。これは平面あるい行うのでその発電出力は 5〜50k W 程度であり他のシは短 径 面で僅かに湾 曲した短 冊 状の長いリニアーミ

ステムと比較して小規模であり、分散型発電に適してラーを1 軸で太陽を追尾すると同時に、数メートル上方いる。大電力を得るには多くの発電機を並べる必要がに配置された集熱管に集光して蒸気を直接発生させある 12）。

る方法である 11）。現状ではトラフ型よりもシステム効率

熱媒の温度は約 750℃まで昇温可能であり、米国では 8〜10％と低いが、トラフ型の大きなパラボリック曲面は 25kW システムで 30％の発電効率を実現している。

ミラーに比較してフレネル長尺ミラーの作成が容易なた

米国や欧州等を中心に実証試験が進められているがめコスト的には有利となる。また熱交換器を通さず直接大規模発電にはやや不向きと思われる。

約 480℃の高温水蒸気を発生できることからタービン効率向上が可能となること、さらに装置は地上に固定され一軸追尾に必要な駆動動力が小さくて済むこともこのリニアーフレネル型の利点である。
現状未だ実証試験の段階で米国や豪州等で運転されている。

図 9 ディッシュ型集光発電装置

図 7 リニアーフレネル太陽熱発電システム概念図（3）
日本の新しい動向仁 尾プラント以 来 長い間 熱 発 電に関する動きが無かった日本においても再興の兆しが見られる。その要因は大規模太陽光発電がグローバルな事業として熾烈な受託競争時代に突入してきたことにある。熱発電はグローバル競 争の中でも太 陽 光 発 電に劣らず大 切な発電事業となっているにもかかわらず、太陽光発電開発に対する日本政府の厚い開発支援に比べると圧倒的に少ない。しかし開発に新たな政府援助あるいは海外

図 8 リニアーフレネル型太陽熱発電実証機（豪）の支援が得られるようになり実商への動きが激しくなってきた。もう一つの理由として基本的な技術は古い既成（2）
ディッシュ型熱発電の技術であり、参入のバリアーが低いことにもある。

ディッシュ型 太 陽 熱 発 電はパラボリック曲 面 集 光ミ

新しい技術として東京工業大学玉浦教授らの提案

ラーあるいは小型の多数の集光ミラーを配置し太陽をしたビームダウン発電方式 13）等を挙げることができる。

追尾し、その焦点にスターリングエンジンあるいは小型

この技 術はタワー方 式の変 形であるが多くのヘリオスのタービンを配置し発電するものである。

タットから集 光した光を二 次 反 射 鏡で下 方に集 光し、いずれの方式とも図 9 に示すような形状であり、全体

熱 媒体の加 熱を地上 付 近で行うことで操 作を簡 単にの大きさは 10m 前 後、太 陽 追 尾 装 置を備えて発 電をする利点があること、また将来的に高熱化学反応を通THE CHEMICAL TIMES

2012  No.4
（通巻 226 号）

21

してエネルギーの形態変化による蓄積を実現しやすくするというもう一つの利点がもたらされた 14）。
また JFE エンジニアリング（株）
らが中心となって、三鷹光器（株）の太陽追尾円形ヘリオスタット反射鏡を80基使用して高さ20 ｍのタワー上部にあるレシーバーに集光し蒸気を発生しタービン発電する比較的コンパクトなタワートップ熱発電装置の実証試験が 2012 年度始まっている 15）。図 10 に太陽熱発電タワートップ方式システム写真を示す。中央のタワーの周りに配置されたヘリオスタットからの光が集まり、光っているのがわかる。
図 10 太陽熱発電タワートップ方式システム写真

2．
2 熱発電のまとめ		

：JFEエンジニアリング（株）様好意による熱発電方式として上記 4 方式がある。それぞれの方式の特徴、利点・欠点また発電の特性などを表 1 にまと画が進められている。その見通し（概算値）が表 2 に示めて示す。

されている 16）。また低炭素化の流れ、さらには原子力各方法一長一短あり、どの方法でなくてはならないと発電の危険性とフィッション生成物の処理に重大な懸は言えない。事実、開発歴史を見れば先ずトラフ型が念が明らかになり再生可能エネルギーへの転換にシフ先行し 2007 年スペインでの 31MW のタワー型プラント、トせざるを得ない状態から考えて太陽熱発電量が2050

上記 e-Solar 5MWプラント（米国）が稼働している。他

年 度には 5000TWh 以 上になると推 定されている 17）。にも次々とサンベルト地帯でタワー型商用プラントの計全使用エネルギーの約 11％以上となる見込みである。

表 1 太陽熱発電集光タイプと特徴
パラボリックトラフ型
現状

利点

欠
特点

リニアーフレネル型

タワー型

ディッシュ型

３０から８０MWｐ/

トラフ型に類似

大型のパワープラント～３０KW 規模でユニット、商業運転中

実証試験～実証に実証試験中

実証試験から実証化

・いち早く実用化

・比較的簡単機構

・長期的に高性能

・熱効率良好 30％・比較的簡単機構

・貯蓄能力あり・ハイブリッド可能

・需要に応じた稼働

・貯蓄能力あり・駆動コスト低い・高温貯蔵可能・運転温度低い・トラフ型と類似・初期投資大・熱損失大きい

・貯蔵・バックアップに問題あり

・ヘリオスタット性能改善余地あり ・高コスト ・分散型放物面鏡を並べ運転

線状ミラー多数配置

集光面に平面配置

集光部に面上配置

集光方式

線集光

線集光

点状集光

点状集光

追尾方式

１軸追尾

１軸追尾

各ミラー2 軸追尾

各ミラー２軸追尾

焦点距離（ｍ） ～３～３０～数１００～４

集光倍率

30～４０

３０～４０～８００～３０００

合成油、熔融塩

合成油、蒸気熔融塩、蒸気

Heガス

徴

熱媒体

NEDO 資料、日揮資料等から筆者が編集
表 2 太陽熱発電の導入実績・見通し（概算値）
2009 年までの導入量［MW］

2009 年までの発電量［GWｈ］

建設・計画中の容量
［MW］

トラフ型

500

＞１６０００＞１００００（フレネル型）

58500

タワー型

4080

3000

ディッシュ型

0.531000
出典：CSP Global Outlook 200922

THE CHEMICAL TIMES

2012  No.4
（通巻 226 号）

集光型太陽熱発電（CSP）方式とその現状

3. 熱発電装置における材料・システム技術
以上に述べてきた熱発電装置を開発・販売する上で重要な各種の要素技術についてまとめてみる。

本レヴューを終わるに当たって、写真・図等の使用許可をいただきました、（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構様および写真等使用の便宜をおはからいい
ただいたJFE エンジニアリング（株）家本様には深く感謝いたします。

3．
1 要素機器・設備
現在国内外に於いても様々な企業が高効率・高性能の太陽熱発電関連機器・設備の開発を実施してい参考文献

る。主なものとして熱媒体、集熱管、集熱板、反射板、

1）西村啓道 . The Chemical Times. 2011, 220, 7-11.

集光板、蓄熱設備がある。反射板として最も高性能な

2）田中忠良 . 日本エネルギー学会誌 . 2011, 90（4）, 351-356.のが 銀 膜 であるが 単 独では耐 環 境 性 が 劣るために

3）a）渋谷英俊 , 宮本哲史 , 都築寛志 . エネルギーと動力 . 2011,61（276）, 43-53.

様々な工夫がなされているが未だ絶対的なものは無いのが現状である。またコスト削減要求が強く低コスト化b）
森伸芳 . O plus E. 2011, 33（7）, 702-709.

が大きく問われている。

c）
中村勝重 , 中村雅一 , 中村学 , 松葉正 , 石間実 , 中村実 , 小野村敏之 . 日本エネルギー学会誌 . 2010, 89（4）, 349-354.

集熱性能は熱発電では重要因子であり、より高熱を発生するために耐熱性があり光を熱に変える効率の高いレシーバー材料技術の開発が喫緊事項である。
3．
2 新システム日本が先行している集光システムの中でビームダウン方式の優位性を今後もどう活かすか、またどう発展させるかが今後大変重要である 13）。
一 方では水を使 用しない発 電 方 式も三 菱 重 工 業（株）が開発を進めている。水を使用しないで高圧・高4）独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 編 .
“太陽熱発電の技術の現状とロードマップ”. NEDO 再生可能エネルギー技 術白書 . 2010,253-310. http://www.nedo.go.jp/content/100107273.pdf
5）沖田信雄 , 須山章子 , 伊藤義康 . エネルギーと動力 , 2010, 60（274）, 41-49.
6）http;//www.solaroaces.org/
7）金子憲治 , 花澤裕二 , 半沢智 , 瀧本大輔 , 山根小雪 , 小瀧
真理子 . “主役に躍り出る太陽熱 米国や中東で進む大計画”, ECO Japan, 2010-7-13, http://eco.nikkeibp.co.jp/article/
special/20100709/104189/

温の空気でタービンを廻し発電できる技術を提案し、砂8）NEDO 再生可能エネルギー技術白書 . 2010, p.255.

漠地帯で優位性を発揮できれば大変優位性を世界に

9）http://www.swissinfo.ch/jpn/detail/content.html?cid=8589986

示すことになる 13）a）。

10）NEDO 再生可能エネルギー技術白書 . 2010, 254-255.

また太陽熱発電技術単独ではなくガスタービン発電を複合化する技術開発も重要になると考えられる。
4. まとめ日本に於いて太陽熱発電は長い時間忘れ去られていたが、近年特にグローバル化対応が重要化するに従11）NEDO 再生可能エネルギー技術白書 . 2010, p.254.
12）“Solar thermal energy”,Wikipedia, 2012-7-3,
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_energy13）a）NEDO 再生可能エネルギー技術白書 . 2010, p.300.
b）金子憲治、花澤裕二、半沢智、瀧本大輔、山根小雪、小瀧真理子、“主役に躍り出る太陽熱 米国や中東で進む大計画日本発の新方式が登場”, ECO Japan, 2010-7-13, http://eco.nikkeibp.co.jp/article/special/20100709/104189/ /?P=5

い太陽光集光および集光熱発電等大規模発電システ

14）玉浦 裕 . 太陽エネルギー. 2000, 26（4）, 31-40.

ムの海外展開が重要課題となり、そのシステム化対応

15）“太陽熱発電構想”. Fole, 2012,（116）, p18.

は日本が得意とするインフラ産業輸出の一環としてオー16）NEDO 再生可能エネルギー技術白書 , 2010, p267.

ル日本での対応が求められつつある。そのことに鑑み、

17）International Energy Agency. Technology Roadmap

光発電に限ることなく熱発電さらには熱利用技術のさらConcentrating Solar Power, 2010, p20.

なる向上は日本にとって再生可能エネルギーの利用化に大変重要な課題であると言えるのではないだろうか。

THE CHEMICAL TIMES

2012  No.4
（通巻 226 号）

23