Topology optimization of solar thermal receiver for converting carbon dioxide into fuel

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本研究では、太陽光を集熱し、得られる高温環境下において炭酸ガスを熱化学分解することにより、水素や炭化水素などの燃料生成を目的としている。その総合効率向上において、太陽集熱器の 高効率化が鍵である。通常、集熱器には多孔質材料が用いられており、内部のふく射、熱伝導、対流熱伝達を考慮した多孔質形状の最適化が求められる。 本研究では、境界埋め込み法に基づく、ふく射、熱伝導、対流熱伝達の連成解析コードを開発し、さらに随伴解析を用いて形状最適化を行うフレームワークを提案する。得られた最適形状を試作し、受入研究室における熱交換器評価用風洞実験、および新潟大学が管理するソーラーシミュレーター実験装置において、その伝熱・集熱効率を実験的に実証する。令和4年度は、太陽集熱器多孔質内部の流れ場、温度場、ふく射の連成解析のために、デカルト座標系に複雑形状を埋め込み、流れと伝熱を統一的に扱うためのアルゴリズムを開発し、これのコード化および検証を完了した。