太陽熱による炭酸ガス再資源化のための高温型多孔質集熱要素のモデリングと最適化

• Project/Area Number: 19J01749
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 31020:Earth resource engineering, Energy sciences-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中倉 満帆 東京大学, 生産技術研究所, 特別研究員(PD) (20849369)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 集熱器 / ソーラーレシーバ / 集光型太陽熱 / 多孔質モデリング / 最適化 / ふく射熱輸送 / 対流熱伝達 / 熱伝導

Outline of Research at the Start

世界的なエネルギー需要の高まりから、各国で太陽熱による水素や合成ガス製造について研究が行われている。多孔質構造を持つレシーバにて集光太陽光を熱エネルギーに変換し、それを反応炉の熱源へと利用する。酸化金属による触媒効果を利用する手法では、反応炉を1000℃以上の高温に保つ必要がある。本研究では、多孔質レシーバを想定にし、強ふく射・高温場に設置される多孔質体の連成熱伝達数値シミュレーションと形状最適化手法の開発を行う。また、最適化された形状を持つレシーバを試作し、実験による性能評価を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、集光太陽光を熱源とした固体酸化物電解セルSOECによる工場排出炭酸ガス再資源化システムの主要素である高温型多孔質集熱器のモデリングと最適化に取り組んでいる。微細な多孔質構造を持つ集熱器へ集光太陽光を当てることで集熱器本体を加熱すると同時に、多孔質構造の内部に熱媒となる気体を流すことで光熱変換を行う。集熱器出口で得られた高温気体は、SOEC稼働のための発電と高温水蒸気の生成の熱源として使用される。最終的に、SOECによって高温水蒸気と工場排出炭酸ガスを共電解することで、クリーンな合成ガスを生成する。本研究では、主要素となる多孔質集熱器のふく射―対流―熱伝導連成数値シミュレーションとその最適化手法構築等を行う。
これまでの集光加熱を受けるハニカム構造集熱器の研究から、入射ふく射熱流束と熱媒である空気の質量流束の比であるPOM(Power over air mass)が一定の条件下において、ハニカム流路１つあたりの流路径と集熱器における光熱変換効率の関係を明らかとした。今年度は、実験条件の再現の観点から、入射ふく射熱流束一定の条件下での、ハニカム流路1つあたりの流路径と壁の厚さからなるセルサイズと集熱器における光熱変換効率との関係を調査した。また、ハニカム流路をより複雑にした立方格子流路(ハニカム流路+スパン方向流路)を持つ集熱器の数値シミュレーションも行った。セルサイズが小さいほど、集熱器からの熱放射損失を低減することができ、最終的に光熱変換が高くなることを示した。また、CTスキャンされた連続断面画像から３次元構造を再構築し、計算モデルへと導入するツール構築を行った。これにより、実機で使用が想定される多孔質構造を計算モデルで再現することが可能となった。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Conjugate simulation of solar honeycomb receiver for high temperature heat absorption at constant incident heat flux (2020)
  • Author(s): KAWASAKI Kota、NAKAKURA Mitsuho、MATSUBARA Koji
  • Journal Title: Journal of Thermal Science and Technology Volume: 15 Issue: 2 Pages: JTST0018-JTST0018
  • DOI: 10.1299/jtst.2020jtst0018
  • NAID: 130007883963
  • ISSN: 1880-5566
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct simulation of a volumetric solar receiver with different cell sizes at high outlet temperatures (1,000-1,500°C) (2020)
  • Author(s): Nakakura Mitsuho、Matsubara Koji、Bellan Selvan、Kodama Tatsuya
  • Journal Title: Renewable Energy Volume: 146 Pages: 1143-1152
  • DOI: 10.1016/j.renene.2019.07.039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficiency and heat loss analysis of honeycomb receiver varying air mass flow rate and beam width (2019)
  • Author(s): Nakakura Mitsuho、Matsubara Koji、Bellan Selvan、Kodama Tatsuya
  • Journal Title: International Journal of Heat and Mass Transfer Volume: 137 Pages: 1027-1040
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.03.153
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 立方格子を基本構造とするボリュメトリックソーラーレシーバの数値解析 (2020)
  • Author(s): 落合 晃大, 中倉 満帆, 松原 幸治, Bellan Selvan
  • Organizer: 第57回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] 集光照射を受ける多孔質ソーラーレシーバのふく射・対流・熱伝導連成解析 (2019)
  • Author(s): 松原幸治、落合晃大、中倉満帆
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2019
• [Presentation] Numerical simulation of volumetric honeycomb receiver with concentrated irradiation (2019)
  • Author(s): Kota Kawasaki, Mitsuho Nakakura, Koji Matsubara, Selvan Bellan
  • Organizer: The 7th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow (ASCHT2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conjugate radiation-convection-conduction heat transfer analysis of porous receiver having cubic lattice structure (2019)
  • Author(s): Akihiro Ochiai, Mitsuho Nakakura, Koji Matsubara, Selvan Bellan
  • Organizer: The 7th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow (ASCHT2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 灰色体近似によるハニカムレシーバ連成伝達の直接シミュレーション (2019)
  • Author(s): 中倉満帆、落合晃大、川崎耕太、松原幸治
  • Organizer: 第56回日本伝熱シンポジウム
• [Remarks] researchmap-個人ページ
  • URL: https://researchmap.jp/minakakura
• [Remarks] researchmap-個人ページ
  • URL: https://researchmap.jp/minakakura/