2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of a solar receiver with fluidized particles as thermal storage medium for a beam-down solar concentrator
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19K05354
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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, 教授 (90180489)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
友松 重樹 宮崎大学, 工学部, 助教 (30315353)
河村 隆介 宮崎大学, 工学部, 教授 (70234135)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 蓄熱 / 太陽熱 / 太陽集光装置 / 再生可能エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽熱利用は，蓄熱により夜間でも熱が利用でき，電気を貯蔵するバッテリーと比べ，低コストでエネルギー貯蔵が可能である．太陽熱の蓄熱には溶融塩が広く使われているが，600℃を超えると分解し，220℃以下では凝固するため，使用範囲が220から600℃でしかも顕熱しか利用されていていない．そこで，使用範囲が広い固体粒子の利用による顕熱蓄熱を検討し，固体攪拌・直接加熱式蓄熱槽を開発した．しかし，固体攪拌・直接加熱式蓄熱槽は，バッチ式の加熱装置であり，溶融塩による太陽熱発電のように連続的に加熱をしながら熱機関を駆動させて発電等を行うことは困難である．そこで，固体蓄熱粒子を連続加熱するための蓄熱粒子流動加熱装置の開発と，加熱された蓄熱粒子と太陽熱で駆動する熱機関の作動流体を直接接触させるコンパクトな熱交換器の開発を行うこととした．
固体攪拌・直接加熱式蓄熱槽は，宮崎大学のビームダウン式タワー型太陽集光装置（ＢＤＳＣ）に特化した装置である．すなわち，一般のタワー型太陽集光装置に使われている受光装置と違って，上方から照射する太陽光によって蓄熱粒子を加熱できるようなっている．このような粒子加熱装置は他に見当たらないため，固体攪拌・直接加熱式蓄熱槽をもとに，ＢＤＳＣ用蓄熱粒子流動加熱装置へ改造することとした．
2020年度は，昨年度検討を行ったレシーバ，蓄熱粒子を気密を保ちながら移動させる機構，熱交換器の各要素について設計・製作を行った．また，レシーバと蓄熱粒子移動機構を組み合わせて，ＢＤＳＣにて集光太陽光をレシーバに照射し，加熱された蓄熱粒子を所定の流量で移動させる実験を行った．なお，蓄熱粒子を大気圧のレシーバから高圧の熱交換器へ移動させる際，気密性を保つための機構については，常温での確認を行った．
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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
太陽光レシーバについては，昨年度は円筒＋下向きの円錐の形状で検討を行ったが，製作のしやすさから12角柱＋下向きの12角錐の形状に変更して設計・製作した．太陽光レシーバは，中央に太陽光を受け，外周から蓄熱粒子を供給し12角錐中心へ向かって移動させ，中心下部にあけた穴から蓄熱粒子を排出させるという動作をする．また，集光太陽光が装置に当たらないように，12角錐の表面上に蓄熱粒子が常に存在する蓄熱粒子固定層ができるように出口の形状を検討した．
蓄熱粒子を所定の流量で移動させる装置として，スクリューフィーダーを設計・製作した．また，スクリューの回転をモータで制御することにより，常温の蓄熱粒子を所定の流量で移動させることを確認した．
スクリューフィーダーを太陽光レシーバ出口管に接続し，蓄熱粒子をレシーバに供給し，ＢＤＳＣにて集光太陽光を照射して蓄熱粒子を加熱し，高温の蓄熱粒子をレシーバから排出する実験を行った．ＢＤＳＣの集光度が低下したため，レシーバの出口管中心の蓄熱粒子の温度は370℃までしか加熱できなったが，そのとき出口管周辺の粒子は220℃で管壁への熱損失への対策が必要であることがわかった．また，レシーバ内の蓄熱粒子固定層は，常温での実験で確認しているが，今回の実験では集光度が低かったため，その効果を実証するまでには至らなかった．
熱交換器については，ＢＤＳＣの大きさに合わせて，設計・製作を行い，加熱した粒子を充填して，圧縮空気と熱交換する実験を行った．実験は，4.6 kg，800℃の蓄熱粒子，圧縮空気は0.3 MPaG，400 NL/minの条件で行ったことろ， 300℃の空気を7分間排出し続けることができた．
要素を組み合わせた実験を優先させたため，レシーバへ蓄熱粒子を持ち上げる装置についての検討は行ったが，製作までには至らなかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度判明した各要素の課題として，蓄熱粒子を所定の流量で移動させる装置であるスクリューフィーダの改良，レシーバの断熱，気密装置の耐熱化，受光部への蓄熱粒子持ち上げ装置の設計・製作があげられる．次年度は，まず，これらの要素ごとの課題を解決する．
スクリューフィーダに関しては，ビームダウン式タワー型太陽熱集光装置（ＢＤＳＣ）による蓄熱粒子の加熱実験を行ったところ，スクリューフィーダ内の羽根が薄かったため，熱により軟化し曲がってしまい蓄熱粒子の流量が安定しない問題が発生した．そこで次年度は，羽根の形状を検討し耐熱のための改良を行う．気密装置の耐熱化については，蓄熱粒子と接触する部分にセラミックなどの耐熱性の高い材料を使用することと，気密のシール材を耐熱性が高いものに交換することで対応する．レシーバへの蓄熱粒子持ち上げ装置については，蓄熱粒子の流量を制御しやすいことから，今年度はスクリューフィーダーを検討した．それを基に，次年度は，蓄熱粒子持ち上げ装置の設計・製作を行う．
また，実験結果を検討するにあたり，レシーバに入射する集光太陽光の放射流束計測が必要となる．そのため，宮崎大学が特許を取得している薄膜型の放射流束計を複数個使って集光部をスキャンし，レシーバ位置での放射流束分布を求める．
次年度は最終年度となるため，レシーバ，スクリューフィーダー，気密装置，熱交換器，蓄熱粒子持ち上げ装置の各要素を組み合わせて蓄熱粒子流動型太陽光レシーバを完成させる．まず，実験室において非加熱での動作確認を行い，ＢＤＳＣによる加熱実験を実施する．ＢＤＳＣでの加熱実験においては，レシーバに入射する太陽光放射流束分布，蓄熱粒子の移動速度および温度履歴，太陽熱で駆動する熱機関の作動流体の温度変化および流量を測定し，相互の関係を明らかにする．
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Research Products
(2 results)
