太陽熱発電所とは｜定義・仕組み・CSPとPVの違い・主要プラント

太陽光発電所は、太陽光を電気に変換するもので、太陽光発電（PV）を直接利用する場合と、集光型太陽熱発電（CSP）を間接的に利用する場合があります。集光型太陽熱発電システムは、レンズや鏡、追尾装置などを用いて、広い範囲の太陽光を小さなビームに集光します。太陽光発電は、光電効果を利用して光を電流に変換します。世界最大の太陽光発電所は、カリフォルニア州のモハーベ砂漠にある354MWのSEGS（Solar Energy Generating Systems）CSP施設。その他の大型CSPプラントとしては、アリゾナ州のアグアカリエンテ・ソーラー・プロジェクト（250MW）、スペインのソルノバ・ソーラー・パワー・ステーション（150MW、完成時は250MW）、アンダソル・ソーラー・パワー・ステーション（150MW）などがあります。

太陽熱発電所は、1980年代に登場しました。太陽光発電の利用が増えています。

定義と基本概念

ここでいう「太陽熱発電所」は主に集光型太陽熱発電（CSP：Concentrated Solar Power）を指します。CSPは多数のミラーやレンズで日射を集め、その熱エネルギーで作動流体を加熱して蒸気を発生させ、蒸気タービンやスターリング機関で発電します。一方、PV（太陽光発電）は光を直接電気に変換する方式です。

仕組み（CSPの動作プロセス）

• 集光：鏡やレンズ（パラボリックトラフ、ヘリオスタット群、リニアフレネル、ディッシュなど）で太陽光を一点または線に集める。
• 受熱：集めた光を受ける受光器（レシーバー）で高温の熱を得る。
• 熱媒循環：受光器で加熱された熱媒（油、溶融塩、水蒸気など）を熱交換器へ送る。
• 発電：熱交換で蒸気を発生させ、タービンを回して発電機で電力を生成する。
• 蓄熱（任意）：溶融塩などの蓄熱材に熱を蓄え、夜間や曇天時に放出して発電を継続できる。

CSPの種類

• パラボリック・トラフ型：曲面鏡で線状焦点に集光し、受光管で熱を回収。商用化された代表的方式。
• ソーラータワー（ヘリオスタット群）：多数の追尾鏡（ヘリオスタット）で中央の塔上受光器に集光し高温を得る。高温化や高効率化、蓄熱との相性が良い。
• リニアフレネル型：平面に近い長い鏡で直線的に集光するため構造が単純で低コスト化しやすい。
• ディッシュ・スターリング型：パラボラアンテナ状の鏡で一点に集光し、スターリングエンジンで発電。小規模向け。

CSPとPVの主な違い

• 原理：PVは光電効果で光を直接電気に変換、CSPは光を熱に変換してから機械→電気に変換する。
• 出力調整性：CSPは熱蓄熱を組み合わせることで夜間や需要に合わせた出力が可能（ベース電源化が容易）。PVは蓄電池で対応する必要がある。
• 適地条件：CSPは直達日射（DNI）が強い砂漠などの地域で有利。PVは拡散光でも発電するため適用範囲が広い。
• 設備規模とコスト：PVは小～大までスケールが柔軟でコスト低下が著しい。CSPは大規模集中型で初期投資が大きいが、蓄熱による発電の価値がある。

主要な設備・構成要素

• 鏡（ミラー）や追尾装置：太陽を追尾して高い集光を維持する。
• 受光器（レシーバー）：集光エネルギーを熱に変換する部分。
• 熱媒・蓄熱槽：溶融塩、熱媒油、水蒸気など。溶融塩を用いた長時間蓄熱システムは実運転で実績あり。
• 発電機系（蒸気タービン等）と制御装置：電力出力を制御、系統連系を行う。
• 冷却系：蒸気凝縮や熱交換に必要（水冷・空冷がある）。

利点と課題

• 利点
  • 熱蓄熱による出力調整・安定供給が可能であること。
  • 発電時の温室効果ガス排出が低い（運転中）。
  • 大型の集中型発電に向くため、送電網との相性が良い。
• 課題
  • 初期投資が大きく、経済性は設置条件や蓄熱の有無に依存する。
  • 直達日射が必要で、気候・立地条件が限定される。
  • 水消費（冷却や洗浄）や土地利用、景観・生態系への影響がある。
  • 近年のPV＋蓄電池のコスト低下により、競争が激しい。

主要プラントと実績

歴史的に大規模なCSPは1970～1980年代から運転され、技術改良が続けられてきました。本文冒頭にあるように、世界的に知られる施設としてはSEGS（カリフォルニア、354MW）や、アグアカリエンテ、スペインのソルノバ系列、アンダソルなどの大型プラントがあります。近年はソーラータワー方式や溶融塩蓄熱の採用例が増え、発電の柔軟性を高める試みが進んでいます。

運用・保守と環境配慮

ミラーの定期清掃や追尾精度の維持、受光器の点検、蓄熱材の管理などが必要です。乾燥地域での設置が多いため冷却水の使用を抑えた空冷方式や、周辺生態系への配慮、反射光による鳥類への影響評価など環境対策も重要になります。

経済性と将来展望

PVの急激なコスト低下によりCSPは価格面で競争が難しくなっていますが、蓄熱を組み込んだ系統運用や産業用の高温熱利用、ハイブリッド化（化石燃料やバイオマスとの併用）などでニッチな需要があります。技術革新（高温受光器、高効率タービン、溶融塩の性能向上）や大規模インフラ需要によって、特に日射の強い地域では今後も一定の役割が期待されます。

まとめ

太陽熱発電所（CSP）は、光を熱に変換して発電する方式で、熱蓄熱により出力調整が可能な点が最大の特徴です。PVと比べて適地や経済性に制約がありますが、再生可能エネルギーのベースロード化・需要追従運転を支える有力な技術の一つです。設置候補地の気候条件や電力需給の性質に応じて、CSPとPVを組み合わせた最適設計が求められます。

質問と回答

Q:太陽光発電所とは何ですか?

Q:世界最大級の太陽光発電所や集光型太陽熱発電所には、どのようなものがありますか?

Q:集光型太陽熱発電システムの仕組みは?

Q: なぜ最近、太陽光発電の利用が増えているのですか?

Q:太陽光発電所を設置するメリットは何ですか?

Q:太陽光発電は、どのように光を電流に変換するのですか?

Q:各国政府は、太陽光などの再生可能エネルギーの利用を促進するための取り組みを行っているのでしょうか?

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