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

开发用于高效太阳能燃料生产的多孔接收器的大规模模拟和优化设计

• 批准号: 22K14191
• 负责人: 中倉 満帆
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Niigata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14191/
• 关键词: 多孔質; 多孔体; 集光型太陽熱; 太陽熱燃料化; ソーラーレシーバ; 熱輻射; 強制対流; 最適設計; 伝熱; 数値シミュレーション

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。

这项研究将研究高温（约1400-1600°C）传热现象，其中热辐射，热传导和对流传热发生在多孔结构中，与热辐射，热传导和对流传热结合在多孔结构中。目的是通过基于先前构造的数值模拟方法引入形状优化技术来完成高效高温密封剂接收器的设计工具。为了阐明接收器中的微宏尺度传热现象之间的相互作用，我们使用了迄今为止我们已经构建的组合热辐射传导传热传热传热传播的数值模拟，并研究了来自外部结构（以下称为外国辐射）对热传递现象和能量的收集量的影响。这表明，强迫对流或热辐射到接收器出口侧携带的能量的一部分将作为外源辐射返回接收器。还可以揭示出，如果空气的质量通量是热介质的情况，问题是外部照射高估了接收器的光热转化效率，而不是理论效率。此外，开发了在实验室尺度上使用的多孔接收器/反应器，并为整个多孔接收器/反应器构建了用于可视化内部流动的实验装置。在热流仿真中，从多孔体的CT扫描图像重建了三维结构，从而可以分析实际的多孔接收器/反应器中发生的热流现象。此外，我们构建了一个可视化的实验设备，该设备具有实验室尺度的多孔接收器/反应器的相同大小和形状，并在其中添加了实际的多孔材料，以将结果与数值模拟结果进行比较。关于热辐射，蒙特卡洛射线追踪显示了多孔接收器/反应器中热通量的吸收量和分布。

项目成果

ふく射加熱を受ける多孔質体の熱流動解析

辐射加热多孔材料的热流体分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 向中野 涼;甲斐 拓弥;中倉 満帆;松原 幸治
• 通讯作者: 松原 幸治

多孔質体の定常熱流動解析

多孔材料的稳态热水力分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 浮須 景;松原 幸治;中倉 満帆
• 通讯作者: 中倉 満帆

光照射を受ける多孔性格子流路のモンテカルロ光学解析

受光照射的多孔晶格通道的蒙特卡罗光学分析

• 发表时间: 2023
• 作者: 甲斐 拓弥;Khai Yi Kuan;中倉 満帆;松原 幸治
• 通讯作者: 松原 幸治

集光照射を受けるボリュメトリックソーラーレシーバの非定常伝熱解析

聚焦辐照下体积太阳能接收器的非稳态传热分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 高橋 亮太;中倉 満帆;松原 幸治
• 通讯作者: 松原 幸治

Conjugate radiation-convection-conduction simulation of cubic lattice solar receiver with high porosity for high-temperature heat absorption

高孔隙率高温吸热立方晶格太阳能接收器的辐射-对流-传导共轭模拟

• DOI: 10.1299/jtst.22-00057
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Thermal Science and Technology
• 影响因子: 1.2
• 作者: MARUYAMA Hikaru;OCHIAI Akihiro;NAKAKURA Mitsuho;BELLAN Selvan;SEOK CHO Hyun;MATSUBARA Koji
• 通讯作者: MATSUBARA Koji