| 研究課題/領域番号 |
19H02657
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| 研究機関 | 新潟大学 |
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研究代表者 |
松原 幸治 新潟大学, 自然科学系, 教授 (20283004)
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| 研究分担者 |
Bellan Selvan 新潟大学, 研究推進機構, 助教 (50785293)
長瀬 慶紀 宮崎大学, 工学部, 教授 (90180489)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 流動層式粒子ソーラーレシーバ / 顕熱蓄熱 / 化学蓄熱 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、粒子の定常流による高温型ソーラー集熱技術の確立に向けて、実験と数値解析を行った。それによって、次の研究成果が得られた。
(1) 1kWth太陽シミュレータを用いて定常流型粒子ソーラーレシーバの実験を行った。これまでの粒子流量を固定した実験では空気流量を変化させた条件が少なかったので、より多様な条件で実験を行った。これまで、粒子流量を15g/minに固定した場合、空気流量を10g/min、20g/min、30g/minの3通りに変えた実験を行っていた。このため、新たに、空気流量を13g/minと26g/minに設定して実験を行った。また、粒子流量を20g/minに固定した場合についても、同様な空気流量で追加実験を行った。これらの実験によって、流動層の下部の温度は空気流量の影響を受けたが、流動層の上層付近と出口付近の温度は、600℃以上を維持しており、あまり変わらなかった。
(2) これまでの定常流型粒子レシーバは空気流による熱損失が大きいことが判明したため、空気の強制流動を伴わない新しい粒子レシーバを提案した。この新型レシーバの非定常三次元解析モデルを構築し、内部の粒子の流動を可視化した。
(3) 3組のキセノンランプと楕円反射鏡から構成される5kWth太陽シミュレータについて、熱流束測定を行った。今回は、乱反射板による反射光をカメラで撮影して画像計測を行った。反射板の一点の熱流束をガードン放射計で測定し、画像の輝度値と熱流束の関係を求めた。これにより反射板上の熱流束の分布を得た。
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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
本研究の進捗状況は次の通りである。
(1) 定常流型粒子ソーラーレシーバの実験によって、空気流量の影響を明確に示すことができた。流動層下部と上層付近で空気流量の影響が大きく異なることは、粒子レシーバの設計において有用な知見となる。
(2) 空気の強制流動を利用しない新型粒子レシーバの数値解析によって流動現象を明らかにすることができた。粒子のベクトル線図によると、粒子の流れは、千鳥状に配置した斜めの邪魔板に沿って大きく蛇行するが、邪魔板の上側の流れは遅く、むしろ邪魔板の下側の流れが速いことが分かった。また、粒子体積分率の可視化によって、邪魔板の端部にバブルが生じることが確認できた。この形式の粒子レシーバについて、集熱特性の検討には至らなかったが、これまで問題となっていた空気強制流による熱損失が無いため集熱効率が大幅に向上することが期待される。
(3) これまでの実験は1kWth太陽シミュレータで行ってきたが、新たに5kWth太陽シミュレータを導入し、熱流束分布の測定を実施できた。三つのランプは、それぞれ、ピーク熱流束1000kW/m2程度の集光を示しており、合計3000kW/m2程度の集光であることを確認できた。これまでの1kWth太陽シミュレータによる熱流束を大幅に上回っており、高効率での高温型集熱実験に適している。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度は次のように研究を推進する計画である。
(1) 定常流型粒子ソーラーレシーバの実験については、過去の類似の系による実験値との比較を行う。本研究のように、粒子の流入と流出を行ったレシーバの実験例は少ないが、粒子の流入と流出が無いレシーバの実験例は幾つか見つかったので、本実験の結果と比較する。それにより、粒子の流入と流出が集熱特性に与える影響を調べる。
(2) 空気強制流動を伴わない新型粒子レシーバの解析については、流路内の邪魔板を外して単純化した場合の解析も行って、過去の文献値等との比較によって、計算結果を検証する。その上で流路内の邪魔板を最適化する計画である。適当な文献が見つからなかった場合は、本研究の中で検証実験も行う。
(3) 5kWth太陽シミュレータの熱流束分布計測については、これまで焦点から3cm離れた平面で実施していたが、より焦点に近いか、もしくは、焦点での計測も実施する計画である。これまでの画像計測では、集光を照射する前に反射板上の格子を撮影し、格子を外して、集光照射した時の反射光を撮影した。反射板の一点において、ガードン放射計による熱流束計測を行い、画像における輝度と熱流束を関連付けた。データ処理はマニュアルで行っていたため時間がかかっていたことが問題であった。このため、画像処理を一部自動化できるようソフトウェアを開発する。
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