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

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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。