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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J01749/
• 关键词: 集熱器; ソーラーレシーバ; 集光型太陽熱; 多孔質モデリング; 最適化; ふく射熱輸送; 対流熱伝達; 熱伝導

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 で は, concentrated sunlight を heat source と し た solid acidic content electrolytic セ ル SOEC に よ る workshop discharge carbon acid ガ ス recycling シ ス テ ム の main element で あ る high-temperature type porous collector の モ デ リ ン グ と optimization に group take り ん で い る. Subtle な を porous structure with つ collector へ concentrated sunlight を when て る こ と で collector ontology を heating す る と に, porous structure at the same time の internal に HTM と な る 気 body を flow す こ と で variations of field in う を line. The outlet of the collector で acquires られた high-temperature gas, SOEC gas <s:1> ため <e:1> electricity is generated と high-temperature water vapor <e:1> generates <s:1> heat source と て て される is used. Final に, SOEC に よ っ て high temperature water steam 気 と workshop discharge carbon acid ガ ス を altogether electrolytic す る こ と で, ク リ ー ン な synthetic ガ ス を generated す る. This study で は, main element と な る porous collector の ふ く shot - dominated flow - hot 伝 guide into the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と そ の optimization technique to construct line を う, etc. こ れ ま で の concentrated heating を by け る ハ ニ カ ム structure collector の research か ら, incident ふ く radiation heat flux beam と HTM で あ る empty 気 の mass flow beam の than で あ る POM (Power over the air Mass) under certain conditions の が に お い て, ハ ニ カ ム flow 1 つ あ た り の flow path と collector に お け る solar-thermal - in sharper rate の masato を and Ming ら か と し た. Our は ", be の 験 condition reappearance の 観 point か ら, incident ふ く radiation heat flux under the condition of a certain の beam で の, ハ ニ カ ム flow 1 つ あ た り の flow path と thick wall の さ か ら な る セ ル サ イ ズ と collector に お け る - in sharper rate of field と の を masato department investigation し た. ま た, ハ ニ カ ム flow を よ り complex 雑 に し た cubic lattice flow (ハ ニ カ ム flow + ス パ ン direction flow) を hold つ collector の the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン も line っ た. セ ル サ イ ズ が small さ い ほ ど, collector か ら の を low heat radiation loss reduction す る こ と が で き, final に sunlight variations in high が く な る こ と を shown し た. ま た, CT ス キ ャ ン さ れ た even 続 section portrait か ら を 3 dimensional structure to construct し, calculation モ デ ル へ と import す る ツ ー ル line build を っ た. こ れ に よ り, be machine で use が scenarios さ れ る を porous structure calculation モ デ ル で reappearance す る こ と が may と な っ た.

项目成果

Numerical simulation of volumetric honeycomb receiver with concentrated irradiation

集中辐照体积蜂窝接收器的数值模拟

• 发表时间: 2019
• 作者: Kota Kawasaki;Mitsuho Nakakura;Koji Matsubara;Selvan Bellan
• 通讯作者: Selvan Bellan

Efficiency and heat loss analysis of honeycomb receiver varying air mass flow rate and beam width

• DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.03.153
• 发表时间: 2019-07
• 期刊: International Journal of Heat and Mass Transfer
• 影响因子: 5.2
• 作者: Mitsuho Nakakura;K. Matsubara;Selvan Bellan;T. Kodama

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集光照射を受ける多孔質ソーラーレシーバのふく射・対流・熱伝導連成解析

聚焦辐照下多孔太阳能接收器的辐射、对流和热传导耦合分析

• 发表时间: 2019
• 作者: 松原 幸治;落合 晃大;中倉 満帆
• 通讯作者: 中倉 満帆

立方格子を基本構造とするボリュメトリックソーラーレシーバの数値解析

立方晶格基本结构体积太阳能接收器的数值分析

• 发表时间: 2020
• 作者: 落合 晃大;中倉 満帆;松原 幸治;Bellan Selvan
• 通讯作者: Bellan Selvan