PRO/II による

集光型スターリング・エンジン

グリーンウッド

4気筒副動クランク・エンジン

集光型太陽熱発電（CSP発電）に使われているスウェーデンのKockums社のU4-95エンジン（作動ガス：水素）の4気筒副動クランク・エンジン（Four-cycle double-acting configuration, FCDA)はヒータ管壁に集熱し、管壁を810℃に直接加熱する。集光面とエンジンシリンダーは最短距離にして高温材料を最小限にしている。発電端効率27%である。

4気筒副動スターリング・エンジン

25kWディッシュを標準モジュールとして多量生産によるコストダウンというコンセプトである。コンクリート基礎も使わず鋼管をバイブレータで押し込んで支柱を建てるというローコスト建設法。

サザン・カルフォルニア・エヂソン社ならびにSandia National Laboratoriesによればその設置面積1m²当たりの1日の出力は

Type of CSP	kWh/m²	%	unit cost (yen/W)
Tracking Stirling Solar Dish	629	31.25	320
Central Receiver (Tower Type)	327		500
Parabolic Trough	260	33.0	316
Tracking Photovoltanic	217	23	500

すでに2プロジェクトの受注実績があるがサンディアゴ・エレクトリック社はカルフォルニア州インペリアル・バレーで3万台のサンキャッチャー・パワー・システムを設置し750MWの発電をする。サザン・カルフォルニ・エヂソン社がサン・ベルナルディオ郡に3.4万台のサンキャッチャー・パワー・システムを設置し850MW発電する。

建設費は公表されていない。仮に多量生産で25kWが10,000,000円で建設可能とすれば建設単価は400円/Wとなる。

追尾型であるからキャパシティー・ファクター=0.417、ウエザー・ファクター=0.4、利用率=0.9として、1kW相当出力で年間発電量は1,314kWh/yとなる。40年運転で均等化経費率=11.26%/yとすれば発電単価は34.28円/kWhとなる。

PRO/IIでリバースエンジニアリングしてみる。

スターリングサイクルと等価の外熱式再生型ガスタービンサイクル

圧縮比2、最低圧2atm、集光面温度810^oC、冷却水温度60^oC、再生器の回収熱ゼロとすると軸出力効率は29.0%となる。発電機効率93%とすれば発電端効率27%となる。冷却水は60-63.3^oC（平均61.65^oC）でシリンダージャケットとラジエーターを循環しているようだ。詳しくは

圧縮機断熱効率90%、吸入温度140^oC、吸入圧力2atm、吸入量10kgmol/h、吐出圧力4atm、吐出温度259^oC、消費動力8.27kW

膨張機断熱効率95%、入口温度770oC、排気温度573^oC、消費動力13.93kW

正味出力5.66kW

集光面熱負荷19.5kW、集光面積0.063m²、集光器入口温度493^oC、集光器入口温度770^oC

再生器熱負荷16.3kW、伝熱面積0.176m²

シリンダージャケット冷却負荷13.8kW、伝熱面積0.756m²、シリンダージャケット入口温度339^oC

集光面温度810^oCと冷却水60-63.3^oCからカルノー・サイクルを計算すると。

h=1-T_L/T_H=1-(273+61.65)/(273+810)=0.691%

実サイクル効率27%はカルノー効率の

27/69.1=39.1%

このようにランキンサイクルの55%に比較し低いのは集光面やシリンダージャケット冷却面積に制約があるためである。

スペインのアルメニアに設置されているドイツSchlaich Bergermann und Partnerの10kW級発電システムもある。その集光部の直径はφ8.5m，使用しているエンジンはドイツSOLOのV161エンジンです。2気筒単動クランク・エンジンであり，作動ガスには15MPaのヘリウムを用い，高温温度650℃において，発電出力9.5kWe（発電端効率24%）が得られるという。

400Wのフリーピストン・スターリング・エンジン集光発電

パナソニックからヘリウムガス封入の400Wのフリーピストン・スターリング・エンジンが市販されている。リニアジェネレーターなど組み込んだすぐれものだ。構造上水冷却のようだ。仮りに温度条件がおなじなら、27%の効率で400W出力が得られるとしてみよう。そうすると集光面積は1.5m²で良いということになる。直径1.4mのバラポラ鏡と太陽の位置センサーとパソコンとサーボモーターまたは車用のワイパーモーターを組み合わせた太陽追尾装置があればよいことになる。

光学アクリル材を使って特殊成形し、鏡面を蒸着するバラポラ鏡、アルミ板を精密研磨する製品など多数入手可能。

㈱プロマテリアルというベンチャーは封入ガス圧10atmのヘリウムガスを作動流体にし、500^oCの加熱源、30^oCの冷却水で300W出力（DC24V）スターリング・エンジンを15万円で2011年販売予定という。エンジンだけの建設単価は500円/Wである。フレスネル集光レンズと組み合わせて発電できる。パソコンを使うフィードバック式の太陽追尾装置メーカーも沢山あるのでdo it your self で組み立てることができる。建設単価は1,000円/Wも可能か。キャパソティー・ファクター=0.417、ウエザー・ファクター=0.4、利用率=0.9として、１kW相当出力の年間発電量は1,314kWh/yとなる。均等化経費率=11.26%/yとすれば発電単価は85円/kWhとなる。結晶型ソーラーセルと同じコストパーフォーマンスが期待できる。

February 11, 2010

Rev. October 2, 2010

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