2016 Fiscal Year Annual Research Report
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
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15H02346
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
奥野 喜裕 東京工業大学, 工学院, 教授 (10194507)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤野 貴康 筑波大学, システム情報系, 准教授 (80375427)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 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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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，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。本年度（平成28年度）は，当初の予定どおり，まず１）リニア形状ファラデー形MHD発電機でのXe（キセノン）作動気体による低温度動作化実証実験[(1) M.Tanaka, Y.Aoki, L.Zhao, Y.Okuno, IEEE Trans. Plasma Science, Vol.44, No.7, pp.1241-1246 (2016.7)] ならび数値シミュレーションによる作動気体依存性の把握と高性能化指針の明確化[(2) M.Tanaka, Y.Okuno, Journal of Propulsion and Power, Vol.32, No.4, pp.1009-1014 (2016.7)]を行った。また２）予備電離・プラズマ制御手法の基礎技術の構築に取り組む [(3) M.Tanaka, Y.Hitotsubashi, Y.Okuno，14th International Energy Conversion Engineering Conference, AIAA-2016-4522, Salt Lake City (2016.6)] とともに，数値解析において，より詳細なプラズマ生成モデルを構築した[(4) R.Takahashi, T.Fujino, Y.Okuno，同上, AIAA-2016-4523, Salt Lake City (2016.6)]。これらの成果は，高周波予備電離手法によるシードフリー希ガスプラズマMHD発電の実現に向けての重要な基礎となり，来年度以降実施する高周波予備電離プラズマMHD発電に関する実証基礎実験に資するものとなった。
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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
今年度（平成28年度）の成果により，「シードフリー環境適合型クリーンMHD発電」の実用化に向けて，その基礎技術となる予備電離手法の確立を念頭に置いた研究に発展させることができた。具体的には，
１）リニア形状ファラデー形MHD発電機でのXe（キセノン）作動気体による低温度動作化実証実験ならび数値シミュレーションによる作動気体依存性の把握と高性能化指針の明確化 まず初年度（平成27年度）に実証したディスク形状ホール形MHD発電機でのXeにおける低温度動作化をリニア形状ファラデー形MHD発電機において検証するとともに，プラズマの安定性，均一性の観点から検討を進め，ファラデー形発電機おいてもXeが低温度動作化に優位であることを明らかにした[上記成果論文(1)]。その一方で，同一運転条件，同一形状発電機ではXeはAr（アルゴン）に比べて達成できる最高性能が低下することが判明したことから，数値シミュレーションにより作動気体依存性ならびに高性能化指針を明確にした[上記成果論文(2)]。
２）予備電離・プラズマ制御手法の基礎技術の構築 シードプラズマ方式において研究代表者が独自に発案・開発し，多くの有用な実績を持つ高周波誘導加熱による予備電離手法の適応可能性を探ること目的とし，その基礎実験として，希ガスの亜音速，超音速流れに対して高周波電磁界を印加し，プラズマの生成を試み，そのプラズマの構造や挙動の基本的性質を明らかにした[上記成果論文(3)]。超音速流中での高周波プラズマ生成はほとんど研究例がなく，学術的にも意義深い。一方で，数値解析において，より詳細なプラズマ生成モデルを構築し，予備電離・プラズマ制御手法の基礎技術の構築に資する示唆を得た[上記成果論文(4)]。
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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| Strategy for Future Research Activity |
次年度（平成29年度）は，「シードフリー環境適合型クリーンMHD発電」の実用化に向けて，その基礎技術となる予備電離手法の高度化を目指すとともに，実際のMHD発電機への適応を念頭に置いた研究に発展させる。具体的には，下記の2点に焦点を絞って遂行する。
１）高周波予備電離手法の高度化
本年度（平成28年度），高周波予備電離手法の適応可能性を探ること目的として，希ガスの亜音速，超音速流れにおいて高周波プラズマの生成を試み，基本的なプラズマの構造や挙動を明らかにしたが，来年度はこの成果を更に発展させ，亜音速，超音速流れでの高周波プラズマと境界層や衝撃波といった流体挙動との相互作用を明らかにし，高周波予備電離手法の特性をより明確にした上で，MHD発電機への適応の際の留意点等の洗い出しを行う。
２）高周波予備電離プラズマMHD発電に関する実証基礎実験と数値シミュレーション
これまでの研究成果を踏まえて，「シードフリー環境適合型クリーンMHD発電」の実用化に向けて最も重要となる高周波予備電離プラズマMHD発電に関する実証基礎実験を行うとともに，数値シミュレーションシより実験結果の裏付けと高性能化への指針を明確にする。具体的には，ディスク形MHD発電機の入口に高周波コイルを設け，希ガスを予備電離させることによるシードフリープラズマの生成を行い，この手法によるMHD発電の実証試験を行う。初期段階としては，比較的大きな予備電離電力を必要とするものと考えられるが，その低減化が本研究課題の最大の課題となる。その解決に向けて，実験データを蓄積するとともに，数値シミュレーションシによりその方策を探る。また，ディスク形発電機ならびにリニア形発電機における予備電離プラズマ方式の適応の有効性を数値シミュレーションシにより明らかにする。
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