Development of large-scale simulation and optimized design of porous receiver for high efficiency solar fuel production

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本研究では、集光型太陽熱利用で用いられる多孔質ソーラーレシーバを対象に、多孔質構造部で起こる熱輻射-熱伝導-対流熱伝達が複合した高温(1400-1600℃程度)伝熱現象について研究を行う。これまで構築した熱流体数値シミュレーション手法を基に、形状最適化の手法を導入し実験的な検証を行うことで、高効率高温型シーラーレシーバの設計ツールを完成させることを目的とする。レシーバにおけるミクロ-マクロスケール伝熱現象の相互作用の解明に向けて、これまでに構築してきた多孔質レシーバでの熱輻射-熱伝導-対流熱伝達連成数値シミュレーションを利用し、集光照射とは別に外部構造体からの熱輻射(以下外来照射と呼ぶ)が多孔質部での伝熱現象やエネルギーバランスに与える影響を調査した。これにより、レシーバ出口側に強制対流や熱放射で運ばれたエネルギーの一部から外来照射としてレシーバへ戻ってくることを明らかにした。また、熱媒である空気の質量流束が小さいケースでは、外来照射によってレシーバでの光熱変換効率を理論効率よりも過大評価してしまう問題も明らかとした。また、ラボスケールで使用されている多孔質レシーバ/リアクタについて、その全体を対象とした熱流動と熱輻射の数値シミュレーション法開発、また内部流れ可視化用実験装置の構築を行った。熱流動シミュレーションでは多孔質体のCTスキャン画像から3次元構造を再構築し、実際の多孔質レシーバ/リアクタ内起こる熱流動現象を解析出来るようになった。また、ラボスケール多孔質レシーバ/リアクタの同サイズ・同形状の可視化実験装置を構築し、内部に実在多孔質を入れることで数値シミュレーションの結果と比較を行った。熱輻射に関しては、モンテカルロ光線追跡によって、多孔質レシーバ/リアクタ内での吸収量や熱流束の分布を明らかとした。