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コンストラクタル法則に基づく低エンタルピー熱利用発電システムの最適化

研究課題

研究課題/領域番号 20K04313
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分19020:熱工学関連
研究機関佐賀大学

研究代表者

安永 健  佐賀大学, 海洋エネルギー研究所, 助教 (50758076)

研究分担者 足立 高弘  秋田大学, 理工学研究科, 教授 (60344769)
松田 吉隆  佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 准教授 (00578429)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2020年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
キーワード低エンタルピー / 低温度差発電 / FTT / エクセルギー / コンストラクタル最適化 / 低エンタルピー熱 / 有限時間の熱力学 / コンストラクタル法則 / 低熱源間温度差発電 / 海洋温度差発電 / エントロピー生成最小化 / プレート式熱交換器 / 伝熱面 形状最適化 / 伝熱面形状最適化 / 標準熱効 / エントロピー生成量最小化
研究開始時の研究の概要

本研究は、Finite-time Thermodynamicsを基に、低熱源間温度差の発電システム特有の熱機関内・外の不可逆損失を考慮し、新たな熱力学的基礎モデルを構築することを第一の研究目的とする。さらに同モデルを駆使し、物体形状と熱・流動抵抗の原理を示すコンストラクタル法則に基づき、発電システム内の熱源の最適流量制御および熱交換器の伝熱面形状の最適化を目指した基盤を確立することを第二の研究目的とする。本研究は、低熱源間温度差発電システムの新たな基礎理論を確立し、その活用にて発電システムを高効率化かつ最適化を行うことを目指す。

研究成果の概要

工場排熱、温泉水、海洋温度差等の熱エネルギーは、熱源間の温度差が極めて小さく、利用可能な流量が制約され、これまで十分に活用されていない。本研究では、熱源の温度、流量の有限性を考慮したFinite-time thermodynamics (FTT)モデルを構築し、新たな視点から発電システム内のエクセルギー解析を行う事で、発電システムの性能を予測し、より詳細なデータ解析によって構成機器が出力に与える影響を明確にした。更に、FTTモデルを発電装置の運転制御およびプレート式熱交換器の性能評価指標に展開した。この性能評価指数を伝熱面形状最適化の目的関数に用い、伝熱面形状を最適化する手法の基礎を構築した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、低位で未利用な熱エネルギーを利活用して発電するシステムの研究である。低位の熱エネルギー利用では、従来の火力発電とは設計条件が大きく異なり、熱機関の出力は、熱交換時の温度ロス(非平衡)、熱機関が利用可能な温度差等のバランスが重要である。本研究は、熱源・冷却側が熱的平衡になる状態を基準とした熱効率やエクセルギーを算出するという、これまでに無い、独創的な考えを導入し、プロセス全体の視点から発電性能だけでなく構成機器個別の性能評価に発展させた。この熱力学モデルの基礎構築は、学術的および工業的に大きな意義が有り、発電装置の性能向上に必要なだけでなく、社会実装に重要な視点となり得ると考える。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (37件)

すべて 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 5件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 13件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] Universiti Technologi Malysia(マレーシア)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Performance Analysis of a 10 MW Ocean Thermal Energy Conversion Plant Using Rankine Cycle in Malaysia2023

    • 著者名/発表者名
      Thirugnana Sathiabama T.、Jaafar Abu Bakar、Rajoo Srithar、Azmi Ahmad Aiman、Karthikeyan Hariharan Jai、Yasunaga Takeshi、Nakaoka Tsutomu、Kamyab Hesam、Chelliapan Shreeshivadasan、Ikegami Yasuyuki
    • 雑誌名

      Sustainability

      巻: 15 号: 4 ページ: 3777-3777

    • DOI

      10.3390/su15043777

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A Pseudo-measurement Approach to State Estimation for Liquid Level Control of Separator in an OTEC Plant Using Uehara Cycle2022

    • 著者名/発表者名
      Ushijima Kotaro、Matsuda Yoshitaka、Sugi Takenao、Goto Satoru、Morisaki Takafumi、Yasunaga Takeshi、Ikegami Yasuyuki
    • 雑誌名

      Proceedings of the ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and its Applications

      巻: 2022 号: 0 ページ: 129-134

    • DOI

      10.5687/sss.2022.129

    • ISSN
      2188-4730, 2188-4749
    • 年月日
      2022-03-31
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] OTEC and Advanced Deep Ocean Water Use for Kumejima: An Introduction2022

    • 著者名/発表者名
      Martin Benjamin、Okamura Shin、Yasunaga Takeshi、Ikegami Yasuyuki、Ota Naoki
    • 雑誌名

      Proceedings of OCEANS 2022 in Chennai

      巻: - ページ: 1-5

    • DOI

      10.1109/oceanschennai45887.2022.9775240

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際共著
  • [雑誌論文] Construction of a State Space Model for a Spray Flash Desalination System with Valve Dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Matsuda, Ayato Ehara, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami
    • 雑誌名

      Proceedings of SICE Annual Conference 2022

      巻: - ページ: 448-453

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Construction of a State Space Model with Working Fluid Flow Rate Inputs for an OTEC Plant Using Double-stage Rankine Cycle2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Matsuda, Daiki Suyama, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami
    • 雑誌名

      Proceedings of SICE Annual Conference 2022

      巻: - ページ: 442-447

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Power Generation Control of OTEC Plant Using Hybrid Cycle by Cold Seawater Flow Rate Regulation2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Matsuda, Ryo Izutsu, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami,
    • 雑誌名

      Proceedings of SICE Annual Conference 2022

      巻: - ページ: 71-74

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 熱力学的視点からの海洋温度差発電向け熱交換器の性能評価手法の提案2022

    • 著者名/発表者名
      宮﨑 彬,安永 健,Kevin Fontaine,池上 康之
    • 雑誌名

      OTEC

      巻: 26 ページ: 19-24

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] 久米島沖における海洋温度差発電と海洋深層水複合利用のための海洋調査2021

    • 著者名/発表者名
      浦田和也, 安永健, 池上康之, 小見聡史, 冨賀見清彦, 田中辰彦, 鎌野忠, 石田雅照, 大原順, 西田哲也, 中岡勉
    • 雑誌名

      海洋深層水研究

      巻: 22 ページ: 39-47

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Comprehensive heat exchanger performance evaluation method on ocean thermal energy conversion for maximum net power2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Akira Miyazaki, Kevin Fontaine, Yasuyuki Ikegami
    • 雑誌名

      Proceedings of the 6th International Seminar on ORC Power Systems

      巻: -

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Exergetic Performance Evaluation of Ocean Thermal Energy Conversion System with Crossflow Plate Heat Exchangers2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Taisei Nakamura, Tomoya Okuno, Yasuyuki Ikegami
    • 雑誌名

      Proceedings of the 6th International Seminar on ORC Power Systems

      巻: -

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Performance Evaluation Concept for Ocean Thermal Energy Conversion toward Standardization and Intelligent Design2021

    • 著者名/発表者名
      Yasunaga Takeshi, Fontaine Kevin, Ikegami Yasuyuki
    • 雑誌名

      Energies

      巻: 14 号: 8 ページ: 2336-2336

    • DOI

      10.3390/en14082336

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 海洋温度差発電の基礎発電特性(熱力学的モデルの構築と熱源流量の影響)2020

    • 著者名/発表者名
      YASUNAGA Takeshi、IKEGAMI Yasuyuki
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 86 号: 886 ページ: 19-00383-19-00383

    • DOI

      10.1299/transjsme.19-00383

    • NAID

      130007864402

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theoretical model construction for renewable low-grade thermal energy conversion: an insight from finite-time thermodynamics2020

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami
    • 雑誌名

      Proceedings of IIR Rankine Conference 2020

      巻: N/A ページ: 1185-1185

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Parametric analysis of novel self-water supply ORC power system for hot spring thermal energy conversion2020

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Tomoya Okuno, Yasuyuki Ikegami
    • 雑誌名

      Proceedings of IIR Rankine Conference 2020

      巻: N/A ページ: 1184-1184

    • NAID

      130007999776

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Performance evaluation of the ocean thermal energy conversion system using cross-flow plate type heat exchangers2020

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Taisei Nakamura, Tomoya Okuno, Yasuyuki Ikegami
    • 雑誌名

      OTEC (in Japanese)

      巻: 25 ページ: 69-74

    • NAID

      40022474321

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [学会発表] Construction of a State Space Model for a Spray Flash Desalination System with Valve Dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Matsuda
    • 学会等名
      SICE Annual Conference 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Construction of a State Space Model with Working Fluid Flow Rate Inputs for an OTEC Plant Using Double-stage Rankine Cycle2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Matsuda
    • 学会等名
      SICE Annual Conference 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Power Generation Control of OTEC Plant Using Hybrid Cycle by Cold Seawater Flow Rate Regulation2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Matsuda
    • 学会等名
      SICE Annual Conference 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Pseudo-measurement Approach to State Estimation for Liquid Level Control of Separator in an OTEC Plant Using Uehara Cycle2022

    • 著者名/発表者名
      Kotaro Ushijima
    • 学会等名
      ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and its Applications
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] OTEC and Advanced Deep Ocean Water Use for Kumejima: An Introduction2022

    • 著者名/発表者名
      Martin Benjamin
    • 学会等名
      OCEANS 2022 - Chennai
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] COMPONENTS IN CLOSED CYCLE OTEC SYSTEM: A REVIEW2022

    • 著者名/発表者名
      Karthikeyan, H. J.
    • 学会等名
      18th International Conference on Clean Energy
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] AN ASSESSMENT ON TECHNICAL CHALLENGES OF HEAT EXCHANGER IN HYBRID OTEC2022

    • 著者名/発表者名
      Azmi, A. A
    • 学会等名
      18th International Conference on Clean Energy
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ハイブリッドサイクルを用いた海洋温度差発電プラントの温海水流量調節による発電量制御2022

    • 著者名/発表者名
      井筒遼
    • 学会等名
      第66回システム制御情報学会研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Comprehensive heat exchanger performance evaluation method on ocean thermal energy conversion for maximum net power2021

    • 著者名/発表者名
      Akira Miyazaki
    • 学会等名
      The 6th International Seminar on ORC Power Systems
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Exergetic Performance Evaluation of Ocean Thermal Energy Conversion System with Crossflow Plate Heat Exchangers2021

    • 著者名/発表者名
      Taisei Nakamura
    • 学会等名
      The 6th International Seminar on ORC Power Systems
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Finite-time Thermodynamics に基づく海洋温度差発電用熱交換器の 性能評価指標の提案2021

    • 著者名/発表者名
      宮﨑 彬
    • 学会等名
      第 25 回動力・エネルギー技術シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 画像処理を用いた透明樹脂プレート式蒸発器の可視化による ボイド率測定 低ボイド率域の気泡流動2021

    • 著者名/発表者名
      中山 雅士
    • 学会等名
      日本機械学会熱工学コンファレンス
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Thermodynamics for the Standardization of Performance Evaluation on OTEC2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami
    • 学会等名
      8th International OTEC Symposium
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simplification of Heat Exchanger Selection for OTEC Using Carnot Cycle Based Maximum Power Output Assessment2021

    • 著者名/発表者名
      Fontaine Kevin, Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami
    • 学会等名
      8th International OTEC Symposium
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Theoretical model construction for renewable low-grade thermal energy conversion: an insight from finite-time thermodynamics2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami
    • 学会等名
      IIR Rankine Conference 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Parametric analysis of novel self-water supply ORC power system for hot spring thermal energy conversion2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Tomoya Okuno, Yasuyuki Ikegami
    • 学会等名
      IIR Rankine Conference 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Parametric Analysis on Novel Self-water Supply ORC Power System for Hot-Spring Thermal Energy Conversion (in Japanese)2020

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Okuno, Takeshi Yasunaga, Yasuyuki Ikegami
    • 学会等名
      Thermal Engineering Conference 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Fundamental Characteristics of Power Output on Ocean Thermal Energy Conversion System Using Cross-flow Heat Exchangers (in Japanese)2020

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Yasunaga, Taisei Nakamura, Tomoya Okuno, Yasuyuki Ikegami
    • 学会等名
      Thermal Engineering Conference 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [備考] 佐賀大学教員活動データベース

    • URL

      https://research.dl.saga-u.ac.jp/profile/ja.4741da2f3a41f9d759c123490551be02.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 安永健研究進捗紹介ホームページ

    • URL

      https://takeshi-yasunaga.hp.peraichi.com/research

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] マレーシアにおける革新的なOTECの開発による低炭素社会のための持続可能なエネルギーシステムの構築

    • URL

      https://www.jst.go.jp/global/kadai/h3003_malaysia.html

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-01-30  

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