2020 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

Research Project

Project/Area Number	18K05015
Research Institution	University of Miyazaki
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)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords	集光型太陽電池 / Power to Gass
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。太陽光・水素生成システムにおいて、駆動力となる電力を製造する太陽電池パネルの発電量評価が重要となる。新規集光型太陽電池パネルの長期屋外評価を実施した。夏季では大気中の水分量が影響し、発電量が減少することを明らかにした。また、集光型太陽電池パネルに用いられる多接合型太陽電池素子の発電量予測モデルを構築した。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。太陽光・水素生成システムから得られる水素を用いたCO2のメタン化について新たに実施した。メタン化を行う反応管への水素・CO2混合ガスの供給量を最適化することで、メタン化に必要な消費電力を削減できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 新規集光型太陽電池パネルの屋外評価を実施した。集光型太陽電池パネルには、バンドギャップの構成が異なる多接合型太陽電池を発電素子に用いた。これまで、多接合型太陽電池に対する太陽光スペクトルの影響を明らかにし、特に、大気中の可降水量が太陽光スペクトルの長波長成分の一部を吸収し、多接合型太陽電池を構成するボトムサブセルの発電特性に大きく影響した。新規集光型太陽電池パネルでは、ボトムサブセルの材料を変更し、一般的なGeサブセルと1eVのバンドギャップを持つボトムサブセルを採用した。また、比較のため一般的なSi太陽電池パネルと発電量を比較した。長期屋外評価では、Geサブセルより構成される集光型太陽電池パネルの発電量は、大気中の可降水量が増加する夏季において、Si太陽電池パネルと比較して低下した。今後、1eVのバンドギャップボトムサブセルより構成される集光型太陽電池パネルへの太陽光スペクトルの影響を明らかにする。これまで、最適化をした太陽光・水素生成システムから得られた水素を用いてCO2のメタン化について新たに実施した。触媒が充填された反応管に、CO2と水素の混合ガスを供給することによりメタン化を行った。混合ガス供給量、反応管温度を最適化することにより、反応管に供給したCO2のうち97%をメタンに変換することができた。以上のように，計画通りに，研究が遂行している。
Strategy for Future Research Activity	新規集光型太陽電池パネルの発電データをもとに、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の高精度化を行う。これまで取得してきた太陽光・水素生成システムの天日下での実稼働データと、集光型太陽電池パネル、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。これまで実施してきた太陽光‐水素製造システム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動作解析をもとに、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。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CO2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い、太陽光からメタンまでのエネルギー変換効率の向上を行う。
Causes of Carryover	新型コロナ感染症の影響により、太陽光ー水素生成システムの天日下での稼働データを十分に取得することが困難だったため、使用額に差額が発生しました。また、補助事業期間延長を行いました。差額は、今年度継続して稼働データを取得するために、消耗品の購入に使用します。