2019 Fiscal Year Research-status Report
システム最適化した高効率集光型太陽電池水素生成機構の高精度コスト試算モデルの構築
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18K05015
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
太田 靖之 宮崎大学, キャリアマネジメント推進機構, 助教 (10518450)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 太陽光‐水素製造 / 集光型太陽電池 / 固体高分子(PEM)水電解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
海外高日射地域にて太陽光によりCO2フリー水素を高効率・低コストに生成して日本に輸送・消費する再生可能エネルギーシステム構築を目指して、高コストが懸念される太陽光水素生成に関する実稼働データを、宮崎大学に設置する集光型太陽電池・水電解装置により取得することが本研究の要旨である。
屋外において実際の太陽光を用いた太陽光‐水素生成について実証試験を行い1日積算の太陽光エネルギーから水素エネルギーへのエネルギー変換効率においてサブキロワットスケールのシステムでは世界最高の18.78%を達成した。さらに、発電量が日射量の変動によって急峻に変動する集光型太陽電池に対応したDC/DCコンバータの開発を行い、1日の日射量の変動に対して高いDC/DC変換効率を達成した。
実環境下での太陽光スペクトルを考慮した多接合型太陽電池の発電量予測モデルを構築した。多接合型太陽電池は、集光型太陽電池の発電素子として用いられる。太陽光スペクトルを考慮することで、多接合型太陽電池出力の計算値が実測値とよく一致した。また、日本国内各地点における多接合型太陽電池発電量予測を実施した。大気パラメータは、NEDOが公開している5地点における日射スペクトルデータベースより抽出した。また、太陽電池出力モデルを用いて太陽光水素生成量予測を実施した。
固体高分子型水電解装置の劣化の要因を明らかにするために、水電解装置に供給する水中の不純物の影響を調査し、水素製造に使用できる水質の特定を行った。固体高分子型水電解装置の劣化の要因が、Mg、Caが膜電極接合体に吸着することが要因であることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実環境下において太陽光スペクトルを考慮した多接合型太陽電池の発電量予測モデルを構築した。多接合型太陽電池は、集光型太陽電池の発電素子に用いられる。多接合型太陽電池は太陽光スペクトルの影響を受ける。したがって、高精度な発電量予測モデルの構築には太陽光スペクトルの影響を考慮する必要がある。太陽光スペクトルに影響を及ぼす大気パラメータであるエアロゾル密度と可降水量を宮崎大学で実測している太陽光スペクトルから抽出し、それら大気パラメータの年間変動を発電量予測モデルに導入した。構築した発電量予測モデルと実際に測定した太陽電池発電特性を比較することで、発電量予測モデルを評価した。太陽光スペクトルを考慮することで、多接合型太陽電池出力の計算値が実測値とよく一致した。また、日本国内各地点における多接合型太陽電池発電量予測を実施した。大気パラメータは、NEDOが公開している5地点における日射スペクトルデータベースより抽出した。また、日射量データはNEDOが公開している年間時別日射量データベース(METPV-11)を用いた。
本太陽電池出力モデルを応用して太陽光水素生成量予測を実施した。宮崎大学に設置した集光型太陽電池・水電解装置より取得した実稼働データより、装置を構成するDC/DCコンバータおよび水電解装置の動作解析を行い、動作モデルを構築した。動作モデルと太陽電池発電量モデルを組み合わせることで水素生成量を求めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
太陽光スペクトルを考慮した多接合型太陽電池の発電量予測モデルと集光型太陽電池・水電解装置を構成するDC/DCコンバータおよび水電解装置の動作モデルにより構築した太陽光水素生成量予測モデルを用いて水素生成コストの試算を行う。より精度の高いコスト試算を行うために、太陽光‐水素製造装置の天日下での実稼働データを活用する。太陽光‐水素製造装置を構成する集光型太陽電池および固体高分子型水電解装置のシステム最適化設計を行い、太陽光から水素エネルギーへの変換効率の向上を行う。固体高分子型水電解装置の詳細な動作解析を行い、水電解装置の耐久性向上を行う。
また、太陽光をもとに生成した水素の活用を目的に、水素と二酸化炭素の触媒反応により合成したメタンの屋外動作環境での反応条件の最適化を行う。
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