スターリングエンジンと相変化材料を用いたハイブリッド太陽熱発電システムの設計、最適化、効率向上に関する研究
Hybrid solar power system using stirling engine and phase change material for energy storage: design, optimization and efficiency enhancement
本研究は、円盤型スターリングエンジンと相変化材料(PCM)熱エネルギー貯蔵を統合したハイブリッド太陽熱発電(CSP)システムの熱力学的・実験的調査を報告する。このシステムは、電力生成と熱貯蔵充電を同時に行うために、開口面積3.25m2と6.00m2の2つの放物面鏡型集光器を採用している。オマーンでの実屋外条件下(平均直達日射量=1000W/m2)で実施された実験により、以下の結果が得られた。(1) 円盤型スターリングサブシステムは、高温端温度330°Cで最大50Wの電気出力を達成し、総合熱効率は31.9%、スターリングエンジン単体の効率は17%であった。(2) PCM貯蔵ユニット(KNO3–NaNO3共晶混合物)は、熱調整戦略を用いて6時間制御された熱放電を可能にし、35Wの安定した電気出力を維持した。(3) エクセルギー分析により、最大エクセルギー効率は14.2%であり、主な不可逆性は受信機の熱損失と有限温度熱伝達に起因することが明らかになった。これらの結果は、潜熱熱貯蔵と円盤型スターリング技術の統合が、運用継続性と dispatchability を大幅に向上させることを示している。このハイブリッド構成は、高日射地域における小規模で連続的な太陽光発電のための技術的に実行可能な道を提供する。
- 円盤型スターリングエンジンとPCM蓄熱を統合したハイブリッドCSPシステムを設計・実験し、最大50Wの電気出力と31.9%の総合熱効率を達成した。
- PCM蓄熱ユニットにより6時間の制御された熱放電が可能で、35Wの安定した電気出力を維持した。
- エクセルギー分析により最大エクセルギー効率14.2%を確認し、主な不可逆性は受信機熱損失と有限温度熱伝達に起因した。
本研究は、スターリングエンジンと相変化材料による蓄熱を組み合わせたハイブリッド太陽熱発電システムの実証結果を示しており、小規模・連続的な太陽光発電の技術的実行可能性を高める点で注目に値する。特に、日射がない時間帯でも6時間にわたり安定した電力供給(35W)を維持できたことは、再生可能エネルギーの間欠性課題への一つの解決策となり得る。現時点では出力規模が極めて小さい(最大50W)ため実用化には程遠いが、高日射地域におけるオフグリッド電源や分散型エネルギーリソースとしての応用可能性を秘めており、蓄熱一体型CSPの小型化トレンドを追う投資家にとって参考になる。