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。

在这项研究中，我们正在研究使用固体氧化物电解电池SOEC进行建模和优化高温多孔热收集器，这是工厂发射二氧化碳回收系统的主要组成部分，该系统使用浓缩的阳光作为热源。通过用带有阳光的精细的多孔结构曝光收集器，收集器体被加热，与此同时，用作热介质的气体在多孔结构内流动，从而执行光热转化。在收集器插座上获得的热气体用作发电的热源和用于SOEC运行的热水蒸汽的生产。最后，SOEC Coelectroliz高温蒸汽和工厂发射二氧化碳气体可产生干净的合伙。这项研究涉及多孔热收集器的主要元素，这是辐射传输热传导数值模拟和优化方法的构建。先前对蜂窝结构收集热的蜂窝结构的研究表明，在某些条件下，蜂窝流动路径的流动路径直径与热收集器的光热转化效率之间的关系，其中POM（pom for Air质量）是入射热通量与空气质量通量的比率，这是热介质的空气，这是热介质，确定了。今年，从重现实验条件的角度来看，我们研究了细胞大小之间的关系，该细胞大小由每个蜂窝流动路径的流动路径直径和壁厚组成，以及在入射热通量的某些条件下，热收集器的光热转化效率。我们还对具有立方晶格流路径（蜂窝流路径 +跨度流动路径）进行热收集器进行了数值模拟，从而使蜂窝流动路径更加复杂。已经表明，可以减少收集器的细胞尺寸越小，热辐射损失越低，最终光热转化率增加。此外，构建了一种工具，以从连续的CT扫描横截面图像中重建三维结构，并将其引入计算模型。这使得可以使用计算模型重现预期在实际机器中使用的多孔结构。