2016 Fiscal Year Research-status Report
ＢＤ太陽集光装置の固体撹拌・直接加熱式蓄熱槽の開発
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16K06973
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
長瀬 慶紀 宮崎大学, 工学部, 准教授 (90180489)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 再生可能エネルギー / 蓄熱 / 太陽熱 / ビームダウン式太陽集光装置 / 放射流束 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宮崎大学に設置されているビームダウン式タワー型太陽集光装置（以下，「ＢＤ太陽集光装置」）は，タワー型太陽集光装置の一種であるが，これまでのタワー型太陽集光装置と異なり太陽光を下向きに集光する方式である．従来のタワー型集光装置用蓄熱装置をそのまま利用するのは困難であるため，ＢＤ太陽集光装置に適した蓄熱装置を開発する必要がある．また，従来の蓄熱装置では，溶融塩を蓄熱材として利用しているため600℃以下の蓄熱となり，現在主流であるトラフ型やフレネル型よりも高温化できるタワー型のメリットが生かされていない．よって，本研究は，ＢＤ太陽集光装置に適した高温型蓄熱装置を開発することを目的とし，蓄熱材料の加熱温度1000℃を目標とした．
平成28年度は，ＢＤ太陽集光装置の第２焦点位置での熱流束分布を参考にして蓄熱装置を設計し，製作を行った．この蓄熱装置は，機械的に蓄熱材料を撹拌し，順次，蓄熱材料表面を集光された太陽光で加熱しながら蓄熱していくものである．次に，第２焦点に光濃縮装置（ＣＰＣ）を設置して計測した放射流束分布と蓄熱材料の表面形状から温度計測位置を決定した．また，蓄熱材料には，熱物性値が既知で入手しやすいアルミナ球を採用し，蓄熱装置のピストンとシリンダの隙間を考慮し粒径φ5mmのものを使用した．南中時刻付近の50分間，ＢＤ太陽集光装置にて加熱実験を行った結果，ＣＰＣ出口から150mmの位置では，最高温度1190℃，入射エネルギーにする蓄熱効率18％，また，250mmの位置では，最高温度1570℃，蓄熱効率16％であった．さらに，蓄熱完了後の熱損失が小さいことも確認できた．一方，蓄熱装置の中心部が集中的に加熱され，蓄熱材料の外側はあまり加熱されていないことから，蓄熱後の蓄熱材料の温度分布が均一になるように加熱し，さらに蓄熱効率を改善するため，蓄熱装置の改良を行う予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の平成28年度の計画では，蓄熱装置の設計・製作を行い，温度計測位置ならびに蓄熱槽の設置高さを決定することであった．
これまでに計測されているBD太陽集光装置の第２焦点での二次元放射流束分布から，CPC焦点位置の放射流束分布も中心部が高いガウス分布のような形状になっていると考え，さらに蓄熱装置の駆動方法を考慮して蓄熱装置の設計・製作を行った．また，第2焦点に設置されたCPCでさらに集光された太陽光の二次元放射流束分布を求めるため，CPC出口からの距離すなわち高さ位置を変えながら申請者が開発した放射流束センサーを使って計測を行った．その結果，予想通り焦点位置では，ガウス分布のような形状であり，高さ位置が低くなるにつれ，中央部分が凹んだ形状になることがわかった．蓄熱材料は，表面でのみ集光された太陽光で加熱されるため，撹拌時における蓄熱材料の表面形状とCPC下の二次元放射流束分布形状から，蓄熱材料の温度計測位置ならびに蓄熱装置の設置高さを決定した．このように今年度の計画した内容をすべて実施することができた．
さらに，次年度以降でBD太陽集光装置での加熱実験を行う予定であるが，BD太陽集光装置は共同利用施設であるため使用期間が限定されており，また，天候に左右される実験でもあるため，前倒しして加熱実験の一部を実施したため，当初の計画以上に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
設計・製作した蓄熱装置を使用して，蓄熱材料や運転条件（主として撹拌速度）をパラメータとしてＢＤ太陽集光装置での加熱実験を行う．すなわち，蓄熱材料として熱物性値が明らかな球体（蓄熱材料を構成する蓄熱粒子）を三種類以上用意し，粒径および撹拌速度（ピストン速度）を変化させて，ＢＤ太陽集光装置で加熱実験し，蓄熱材料の温度分布，蓄熱量および入射光に対する蓄熱量の割合（蓄熱効率）を求める．また，蓄熱材料温度の均一性について評価を行うとともに，蓄熱粒子の熱伝導率などの物性値やピストン速度との関係を求める．適宜，蓄熱装置の改良を行い，ＢＤ太陽集光装置を利用して蓄熱材料や撹拌速度を変えて実施した加熱実験から，蓄熱温度や蓄熱効率などの性能を評価し，設計・製作・改良した蓄熱装置に対する蓄熱材料の要求仕様と最適な運転条件を明らかにする．
なお，蓄熱粒子については，粒径が小さいほど蓄熱材料全体の表面積が大きくなるとともに，蓄熱粒子の中心まで温度を上げる時間を短縮できるという利点がある．その反面，ピストンとシリンダとのクリアランスを小さくすることが必要となり熱膨張の影響が大きくなるため製作の困難さが増すことや，シリンダに接触する蓄熱粒子の数が多くなるためピストンの駆動力を大きくする必要がある．そのため，現装置で粒径の小さい蓄熱粒子を加熱するには，ピストン付近に噛みこまない程度の粒径のアルミナ球を置き，その上に粒径の小さい蓄熱粒子を載せて二層構造にするなどの検討を行う必要がある．
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