| 研究課題/領域番号 |
15H02346
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
奥野 喜裕 東京工業大学, 工学院, 教授 (10194507)
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| 研究分担者 |
藤野 貴康 筑波大学, システム情報系, 准教授 (80375427)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | MHD発電 / 電力工学 / エネルギー効率化 / 省エネルギー / 電磁流体力学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，ＭＨＤ（電磁流体力学）発電において，これまで煩雑ながらも不可避とされてきた「シード」（作動気体への金属蒸気の微量添加）のフリー化という既成概念を大きく転換するブレークスルーを，本研究代表者の過去から最新にわたる一連の独創的な研究成果に立脚して達成し，「シードフリー環境適合型クリーンＭＨＤ発電」の実用化に向けた新たな突破口を開く基盤を構築することを目的としている。本研究課題でのこれまでの研究成果として，まず超音速流れでの高周波プラズマと境界層や衝撃波など流体挙動との相互作用を明らかにした上で，高周波電力による予備電離手法を実際のディスク形発電機に適用（高周波誘導コイルの実装）し，世界初の実証実験に着手することを可能とした。このことを受け，昨年度，作動気体温度3000Kでの発電実証に成功していたが，本年度は，当初の予定どおり，まず１）作動気体温度をさらに下げ，実用的な作動気体温度（2400K程度以下）での実証実験を行い，連続運転が可能な2200KにおけるシードフリーＭＨＤ発電を世界で初めて実証するとこに成功した（国際会議にて発表）。さらに２）数値シミュレーションによる性能評価と高性能化に向けた指針の明確化を目的として，発電機内プラズマの詳細なモデル化を進めるとともに，磁界に垂直な面（r-θ面）での2次元数値解析から発電機内のシードフリー希ガスプラズマの特異な挙動と発電特性に関する考察を行い，また磁界に平行な面（r-z面）での2次元数値解析から，特に発電機形状が予備電離電力ならびに発電性能に与える影響を考察し，発電システムの実現に向けて高性能化（等エントロピー効率の向上）と予備電離電力の低減を可能とする発電機の可能性を明らかにした（いずれも国内研究会にて発表済み）。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題でのこれまでの研究を通して，まず高周波予備電離手法の実際のディスク形発電機への適用（高周波誘導コイルの実装）を図り，世界初のシードフリーＭＨＤ発電実証実験に着手することを可能とした。この準備のもと，作動気体温度3000Kでの発電実証に成功するとともに，さらに実用的な作動気体温度（2400K程度以下）での実証実験を行い，連続運転が可能な2200KにおけるシードフリーＭＨＤ発電を世界で初めて実証するとこに成功した。今後さらに詳細な検証が必要であるが，高周波電力の投入電力の増加とともに，プラズマがより均一になり（プラズマの電気伝導度が増加し），発電出力が増加すること，また作動気体温度の低下とともに必要となる高周波電力の投入電力は増加するが，大きくは増加しないことなど，有用な結果が得られている。これら本研究成果の学術的意義は大きいが，高周波予備電離手法の更なる高度化（プラズマの均一化，低予備電離電力化）に向けた検討が不可欠であることが明らかになりつつある。
一方で，数値解析においては，発電機内プラズマの詳細なモデル化を進め，シードフリー希ガスＭＨＤプラズマにおける電離，再結合過程の詳細な検討を行うともに，磁界に垂直な面（r-θ面）での2次元数値解析から発電機内のシードフリー希ガスプラズマの不均一構造の発生と発電特性との関係を明らかにした。また磁界に平行な面（r-z面）での2次元数値解析から，特に発電機形状（出口・スロート断面積比）が予備電離電力ならびに発電性能に与える影響を考察し，高効率発電システムの実現に向けて不可欠となるエンタルピー抽出率に対する等エントロピー効率割合の向上と予備電離電力の低減が同時に達成できる可能性を明らかにした。
これらの研究成果は，確実に次年度以降の本研究の進展に資するものとなっており，「おおむね順調に進展している」と判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度（最終年度）は，これまでの4年間の成果を踏まえ，本研究課題「シードフリー環境適合型クリーンＭＨＤ発電の実用化に向けた基盤構築」の仕上げに向けて，実証実験による発電性能の把握ならびに数値解析からの考察を強力に推進する。具体的には，下記の大きく2点に焦点を絞って遂行し，本研究課題の総合評価を取りまとめるとともに，将来の発展研究に向けての具体的な課題を抽出する。
１）高周波予備電離プラズマＭＨＤ発電実証の高度化
上で述べたとおり，これまでの研究成果により，高周波予備電離手法を実際のディスク形発電機に適用（高周波誘導コイルを実装）し，連続運転が可能な作動気体温度2200KにおけるシードフリーＭＨＤ発電を世界で初めて実証した。今後は，すでに着手し検討を進めている予備電離電力の効率的注入を目指した高周波誘導コイルの実装方法（ターン数や設置位置）の方針を明らかにするとともに，運転条件（作動気体温度，圧力，印加磁束密度）や発電機形状（出口・スロート断面面積比）の依存性を実験的に明確にする。
２）数値解析による性能評価と高性能化に向けた指針の明確化
上記の実験と平行して，より実験に即した数値解析を遂行し，実験結果との比較から実験へのフィードバックをかける。すなわち，磁界に垂直な面（r-θ面）での2次元数値解析から発電機内プラズマの均一構造の維持条件を明らかにするとともに，磁界に平行な面（r-z面）での2次元数値解析から予備電離の非一様性が発電性能に与える影響を考察し，実験での発電機性能向上に向けての示唆を得る。また，将来の発電機の大型化を見据え，そのスケール則や高性能化（等エントロピー効率の向上）と予備電離電力の低減を可能とする発電機の可能性を探り，「シードフリー環境適合型クリーンＭＨＤ発電の実用化」に向けた開発ロードマップを明確にする。
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