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太陽熱による炭酸ガス再資源化のための高温型多孔質集熱要素のモデリングと最適化

用于太阳能二氧化碳回收的高温多孔集热元件的建模和优化

基本信息

批准号：
19J01749
负责人：
中倉満帆
金额：
$ 3.08万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、集光太陽光を熱源とした固体酸化物電解セルSOECによる工場排出炭酸ガス再資源化システムの主要素である高温型多孔質集熱器のモデリングと最適化に取り組んでいる。微細な多孔質構造を持つ集熱器へ集光太陽光を当てることで集熱器本体を加熱すると同時に、多孔質構造の内部に熱媒となる気体を流すことで光熱変換を行う。集熱器出口で得られた高温気体は、SOEC稼働のための発電と高温水蒸気の生成の熱源として使用される。最終的に、SOECによって高温水蒸気と工場排出炭酸ガスを共電解することで、クリーンな合成ガスを生成する。本研究では、主要素となる多孔質集熱器のふく射―対流―熱伝導連成数値シミュレーションとその最適化手法構築等を行う。これまでの集光加熱を受けるハニカム構造集熱器の研究から、入射ふく射熱流束と熱媒である空気の質量流束の比であるPOM(Power over air mass)が一定の条件下において、ハニカム流路１つあたりの流路径と集熱器における光熱変換効率の関係を明らかとした。今年度は、実験条件の再現の観点から、入射ふく射熱流束一定の条件下での、ハニカム流路1つあたりの流路径と壁の厚さからなるセルサイズと集熱器における光熱変換効率との関係を調査した。また、ハニカム流路をより複雑にした立方格子流路(ハニカム流路+スパン方向流路)を持つ集熱器の数値シミュレーションも行った。セルサイズが小さいほど、集熱器からの熱放射損失を低減することができ、最終的に光熱変換が高くなることを示した。また、CTスキャンされた連続断面画像から３次元構造を再構築し、計算モデルへと導入するツール構築を行った。これにより、実機で使用が想定される多孔質構造を計算モデルで再現することが可能となった。

This study is aimed at optimizing the composition of high temperature porous heat collectors for recycling carbon dioxide from industrial plants by solid-acid electrolysis and solar radiation heat sources. The fine porous structure holds the collector and collects sunlight. The collector body is heated at the same time. The heat medium inside the porous structure flows. The light and heat are converted. The collector outlet can be used as a heat source for generating high temperature gas, SOEC and high temperature water vapor. Finally, SOEC is produced by electrolysis of carbon dioxide discharged from high temperature water and plant. In this study, the main elements of porous heat collectors are discussed, such as the numerical value of radiation-convection-heat conduction system and the optimization method of construction. A Study on the Relationship between the Heat Transfer Efficiency and the Heat Transfer Efficiency of a Solar Collector Structure Based on the Ratio of Power over Air Mass (POM) to the Heat Transfer Efficiency of a Solar Collector under Certain Conditions The relationship between the photothermal conversion efficiency and the wall thickness of the collector was investigated under certain conditions of the incident radiation heat beam and the temperature condition. The flow path of the collector is divided into two parts: cubic lattice flow path (flow path of the collector + flow path in the direction of the collector) and number of collector elements. The heat radiation loss of the collector is reduced, and the final heat and heat conversion is increased. The three-dimensional structure is reconstructed, and the calculation of the three-dimensional structure is performed. The porous structure can be calculated and reproduced by using this method.