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成果報告書詳細
管理番号20130000000368
タイトル平成20年度成果報告書 エコイノベーション推進事業「バイオマス由来のバガス炭の太陽熱吸収能力及び発電能力等の調査」
公開日2013/12/25
報告書年度2008 - 2008
委託先名国立大学法人琉球大学
プロジェクト番号P07026
部署名技術開発推進部
和文要約本調査は、バガス(bagasse)というバイオマス由来の原料を用いた新規で安価・安全な太陽熱吸収・蓄熱材の性能を分析やシミュレーションを通じて調査することを目的とする。 バガスの炭化条件の検討は窒素中200-900℃で行った。400-600℃付近で急激に炭化が進行し、比表面積(SA)や全炭素率(TC)が急激に増加した。600℃を超えると、TCやSAの値の変化率は殆どなくなり、安定した炭化状態となる。バガス炭の微細構造は走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察したが、10_m前後の微細な多孔質構造であることがわかった。この微細な多孔質構造が比表面積の増大や嵩比重の低下に効果を持ち、更に、優れた光吸収・蓄熱特性に寄与することがわかった。バガス炭の光吸収特性はUV-VIS-NIR吸収特性で調査したが、いずれの波長領域でも優れた吸収特性を有する。例えば、UV-VIS領域ではバガス炭をわずか0.5%分散した系でも99%以上の光を吸収する能力を有する。又、メタルハライドランプを用いた疑似太陽光の吸収率は0.5%バガス炭分散系で99.97%となった。このように、本調査研究が対象にしたバガス炭は非常に太陽光(熱)吸収特性に優れることが判明した。太陽光(熱)吸収による蓄熱効果はバガス炭を分散したエチレングリコール(EG)液の温度上昇率(℃/分)を測定することによって調査した。EGのみでは、2.7℃/分であるのに対して、バガス炭を0.1%、0.3%、0.5%分散したEG液ではそれぞれ5.4, 7.5, 9.5℃/分の温度上昇率が観察され、0.5%という極めて少量のバガス炭の分散によって吸熱・蓄熱特性が大幅に改善されることを示した。又、温度上昇率はEG中のバガス炭分散濃度にほぼ比例することがわかった。バガス炭を分散させた太陽熱集熱器を建物に設置する場合の基礎的なデータとして、15cm角の小型の集熱版の模型による熱伝導率の測定及び90cm角の大型の集熱版を実際の屋上に設置して日射反射率と長波放射率の測定を行った。大型集熱版模型ではバガス炭を均等に分散させることが困難であることがわかった。結果的に熱伝導率は0.27W/mK、日射吸収率として0.85、長波放射率として0.76が得られた。これらの値はアクリル板で作った模型を用いた値である。これらのデータを含めて、鉄筋コンクリート造の簡単な住宅モデルを設定して、沖縄の気象条件の下で自然室温と冷房熱負荷に関するシミュレーションを行った。集熱板を建物の屋根面や壁面に接着した50mm厚の断熱材の上に設置すると仮定し、集熱板を設置していない場合、部分的に屋根面に設置した場合、屋根面全面に設置した場合、屋根面全面と東西壁面にも設置した場合の4つのケースの検討を行った。集熱板のないケースに比べて集熱板設置による断熱効果が明確に得られたが、これは主として断熱材の効果である。集熱板のないケースに比べて、夏期は室温にして最大4.2℃低下し、室温を28℃一定とした冷房熱負荷は日積算で約60%低下した。サトウキビの絞り粕のバガスを500℃以上で炭化して得られたバガス炭はEG或いは水に対して容易に分散し、バガス炭を0.5%分散したEG液は太陽光(熱)をほぼ100%吸収する。これは、従来のソーラー温水器(システム)の効率の約2倍の効率である。バガス炭を0.5-1%分散したEG液の温度上昇率はバガス炭を分散しないEG液に比べて3.5-5倍と非常に大きいものになった。このバガス炭を用いた太陽熱集熱器を適正に設計して建物に設置すれば、太陽熱を集熱するばかりでなく、夏の室温を大きく下げ、冷房熱負荷の低下に貢献することがわかった。 本調査を通じて、バイオマス由来のバガス炭の優れた太陽光(熱)吸収・蓄熱特性とその実用的な価値が確認された。従来の吸熱材料よりも安価・安全で低価格であり、又、従来のソーラーシステムとは構造的に異なった新しい太陽熱吸収・蓄熱材を開発することが出来、オフィスビルや学校等の公共施設への冷暖房・給湯へ十分に適用可能であることがわかった。このシステムの普及により、省エネルギーは9-18%削減でき、Cool Earth 50計画の達成に大きく寄与できる。
英文要約Title: Eco-innovation Promotion Project. Research on abilities of bagasse charcoal originates in biomass as solar radiation collecting material (FY2008) Final Report Main purpose of this research is to examine the performance of a solar heat collector with bagasse charcoal originates in biomass by model tests and numerical simulations. Several carbonizing temperature conditions were tested for bagasse charcoal between 200 and 900 degree C in Nitrogen Gas. Carbonized level greatly advanced around 400-600 degree C and rapid growing of specific area(SA) and total carbon content(TC) was observed. Carbonized level and SA were almost stable over 600 degree C. Microscopic structure of the bagasse charcoal was observed by SEM to find that there was porous organization with around 10 micron holes. This minute porous structure makes larger SA and lighter bulk specific gravity, and it also enhances absorption of light and storage of heat. The Absorption of light by the bagasse charcoal was examined by the characteristics of UV-VIS-NIR absorption and it was found that the bagasse charcoal absorbed all these light very high level. For example, the water with 0.5% bagasse charcoal absorbs 99% of light in UV-VIS range. Moreover, heat collector system with 0.5% bagasse charcoal absorbs 99.97% of light emitted by metal halide lamp. These data clearly indicate that bagasse charcoal, main material of this research, is very high absorptive material for solar radiation. Performance of heat storage was examined by the temperature rising speed of ethylene glycol(EG) with bagasse charcoal. Though temperature rising speed of EG itself is 2.7 degree C/min, those of the EG systems with gabasse of 0.1%, 0.3% and 0.5% are 5.4 degree C/min, 7.5 degree C/min and 9.5 degree C/min, respectively. These temperature rising speeds are almost proportional to the concentration of bagasse charcoal. Very small amout of bagasse charcoal that is only 0.5% of EG system can make higher performance of hear absorption and storage. Thermal conductivity, solar absorptance and IR emittance of a solar heat collector including water with 0.5% bagasse charcoal are basic thermal characteristics when the collectors are actually equipped on building surfaces. The thermal conductivity was measured by using a small collector model of 15cm square in a laboratory. Other two characteristics were measured on a rooftop by using a large collector model of 90cm square. To scatter the bagasse charcoal uniformly in the large model was found to be difficult. Finally, the thermal conductivity was 0.24W/mK and solar absorptance and IR emittance were 0.85 and 0.76. These values measured on the collector models made of acrylic resin, Simulation tests of room temperature and cooling heat load in a RC model house with simple plan in Okinawa were carried out with these thermal characteristics. Solar collectors are supposed to be equipped on heat insulators of 50mm thick attached on the roof or the walls of the house. Four cases, no collectors, collectors on the roof partly, collectors on the whole roof and collectors on the whole roof and east and west walls, were calculated. Thermal insulation effect by the collectors was recognized clearly in comparison with no collector case, although this effect came from the heat insulator. The natural room temperature in the model house with collectors on the roof and the walls is lower than the no collector case by 4.2 degree C at the peak time and the diurnal cooling load is lower by 60% if the room temperature set at 28 degree C. on a
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