2017 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。本年度は，当初の予定どおり，まず１）予備電離手法の高度化を目指し，高周波電磁界を用いた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，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の洗い出しを行った[(1) M.Tanaka, Y.Hitotsubashi, Y.Okuno, Journal of Propulsion and Power, Vol.34, No.1, pp.40-47 (2018.1)]。また，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行い，作動気体温度が比較的高い（～3000K）ながらも，本方式での発電を実証し[(2)K.Shikishima，A.Ikuta, M.Tanaka, Y.Okuno，Proceedings of The International Conference on Electrical Engineering 2017，Weihai，China，ICEE-S7-04 (2017.7)]，さらに数値シミュレーションにおいて，ディスク形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検討し，ディスク形発電機発電機の優位性を明らかにした[(3)鶴岡美緖，田中 学，奥野喜裕，電気学会論文誌B，138巻，3号， pp.236-241 (2018.3)]。
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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29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基礎を築くことができた。具体的には，
１）高周波予備電離手法の高度化 昨年度（平成28年度）での基礎実験を踏まえた発展的成果として，高周波予備電離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，MHD発電機への適応の際の留意点を明らかにし[上記成果論文(1)]，下記の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使用した発電機での高周波予備電離手法の適用（高周波誘導コイルの実装方法）に貢献した。
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 作動気体温度が比較的高い（～3000K）ながらも，世界ではじめて本方式での発電を実証することができた[上記成果論文(2)]。本成果の学術的意義は大きいが，実際の発電機における高周波予備電離手法の高度化（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。また数値シミュレーションから，予備電離プラズマ方式においては，ディスク形発電機発電機ではリニア形発電機に比べて発電に適切な非平衡希ガスプラズマを維持しやすい（電極現象に関連した損失が小さい）ことから，適応可能性が高いく優位であることを明らかにし[上記成果論文(3)]，本研究の進むべき方向性を明確にすることができた。
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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| Strategy for Future Research Activity |
次年度（平成30年度）は，これまでの3年間の成果を受けて，本研究の最終目的である「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機性能の把握ならびに数値シミュレーション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，高周波予備電離手法に関するこれまでの検討結果を踏まえ，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，世界初の実証実験に着手することが可能となった。次年度（平成30年度）は，この成果を更に発展させ，実用的な作動気体温度（2400K程度以下）での実証実験による更なる発電機性能の把握を強力に推進する。すなわち，予備電離電力の効率的注入を目指して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・入口断面面積比）の依存性を実験的に明確にする。
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
上記の実験と平行して，実験を模擬した電気流体プラズマ数値シミュレーションを進め，実験結果との比較を行い，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）での数値解析から発電機内プラズマの均一性と発電性能に関する示唆を，また磁界に平行な面（r-z面）での数値解析からプラズマ電磁流体の挙動と発電性能に関する示唆を得る。その一方で，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らかにする。
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Research Products
(13 results)
