成果報告書詳細
管理番号20160000000496
タイトル平成26年度-平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 超高温領域未利用エネルギー貯蔵技術の研究開発
公開日2016/6/22
報告書年度2014 - 2015
委託先名株式会社四国総合研究所 学校法人玉川学園玉川大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約(1)超高温蓄熱システムの開発
実用規模の排熱回収利用システムや太陽熱発電受光部・蓄熱部への適用を想定し、システム構成や概略構造、配管計装図やヒートマスバランス等を検討した。蓄熱システム構成機器の仕様を検討した。蓄熱材料にアルミニウム等の汎用金属を使用すれば、システム構成機器はすべて市販の汎用部品で構成することができ、実現性は高いと評価した。出熱特性シミュレーションを実施し、結果は小型蓄熱システムの試運転で得られた出熱特性と一致した。蓄熱システムの起動停止方法、入出熱運転方法、保護・保安・安全対策を検討した。蓄熱材料として亜鉛あるいはアルミニウムを使用した小型蓄熱システム(蓄熱材料容量約2L)を試作し、順調に試運転を行った。伝熱媒体として伝熱セメントを使用した場合と炭化ケイ素粉末を使用した場合で出熱特性を比較したところ、炭化ケイ素粉末のほうが出熱が多くなった。
(2)超高温蓄熱用金属材料の開発
2-1.蓄熱用金属材料の開発
蓄熱温度400-900℃レベルの蓄熱用金属材料の開発を目標とし、購入した熱分析装置を用いて、純金属および合金の重量変化、融点および融解潜熱を測定した。熱分析測定を繰り返し行っても、重量、融点および潜熱がほぼ一定である金属材料を蓄熱材料の候補とした。結果として、純金属(単成分系)では、400℃レベルで亜鉛、600-700℃レベルでアルミニウム、900℃レベルで銀が選定された。なお、候補と考えた銅は、熱分析の結果、文献値よりも融点が高く、潜熱量が非常に小さく、重量変化が大きいことから酸化による劣化が考えられ、蓄熱材として不適であると判断した。また、合金(二成分系)では、共晶点の利用が有効であり、600℃レベルでアルミニウム(Al)‐12mass%ケイ素(Si)合金、800℃レベルで銀‐28mass%銅合金を選定した。
2-2. 蓄熱容器内金属材料挙動シミュレーション技術の開発
蓄熱用金属材料は蓄熱容器内で融解、凝固、流動など複雑な挙動を示すが、外部からその状態を測定することは非常に困難である。そこで,シミュレーションを使って蓄熱容器内部の状態を予想し、内部の状態が不均一になっていないかを評価する必要がある。また、最適な蓄熱容器形状や入出熱方法を検討するためにも内部の状態や熱伝導のシミュレーションが必要である。そこで、蓄熱用金属材料の挙動を解析するためのシミュレーション技術の開発を行った。蓄熱用金属材料の融解、凝固、流動などの物理的な状態変化と蓄熱容器外部からの入出熱や容器内部の伝熱、金属の顕熱や融解潜熱など熱移動を一体的に取り扱うシミュレーションプログラムを熱連成問題として開発することができた。さらに、蓄熱材料に亜鉛およびアルミニウムを使用した実験結果と計算結果を比較検討した。
(3)真空断熱容器の開発
高温用ゲッターの候補としてジルコニウム多孔質焼結体の試作を試みたが、ゲッターに適用できる焼結体は製作できなかった。真空断熱容器内外壁を接続する部分の断熱材として、熱伝導率の小さいセラミックスを挟むことを試みたが、接合がうまくできなかった。
実用化に向けての調査研究を行った。鉄鋼業の調査では、1000℃以上の高温排熱があり、本プロジェクトの実用化が期待できるとの調査結果を得た。実用化に向けての課題は熱設計であり、密閉系蓄熱容器の開発や実用的な熱交換器およびシステムの開発を目的として、断熱方式の検討と金属製容器の検討を行った。検討の結果、高温蓄熱系では真空断熱よりも高性能断熱材を適切に用いる方が有効であることを明らかにした。主たる原因は、断熱材を覆う金属製容器壁のフィン効果であり、このフィン効果による熱損失が大きいことが確認できた。真空断熱容器開発では,真空断熱容器内外壁の肉厚を極力薄くするか外壁の材料の熱伝導率を低くする必要がある。現在の材料技術では、これらの課題を克服することが困難であり、真空断熱技術を高温度で用いることを断念し、高性能断熱材の検討を行った。高性能断熱材を用いた小型蓄熱システム実験結果と境界条件として断熱条件を用いたシミュレーション結果は比較的良く一致しており,高性能断熱材の有効性が確認できた。金属製容器の検討では、らせん状の溝加工を施した熱交換一体型ステンレス製容器の設計・製作を行った.また、高温用金属製容器を開発し、高温蓄熱が実現できた場合、発電および水素製造が可能なことを確認し、バイナリー発電および水素貯蔵に関して予備的検討を行った。
英文要約Title: Advanced Research Program for Energy and Environmental Technologies/ Research and Development Project for Storage and Recycling Technology of High Temperature Unused Thermal Energy
(1)Development of high temperature heat storage system: Assuming some practical size recovery systems of exhaust heat or sunbeam receiver systems, we studied the new heat storage system applied to them. We studied the rough structure, the piping & instruments diagram, and the heat-mass balance of them. We studied specifications for the components of the systems. We could use parts appeared on the market for the all components of the system, if we applied the common metals like zinc or aluminum to the heat storage material. We calculated the characteristics of heat output from heat exchanger. The calculated results agreed with the experimental values of the trial heat storage system. We studied the method of starting, stopping, operating and the safeguard of the system. We made small trial heat storage systems that the heat storage material was zinc or aluminum, and operated them successfully. The heat output value of the heat storage system with silicon carbide powder was more than that with heat conductive cement that was used as heat transfer medium between heat exchanger and heat storage container.
(2)Development of metallic materials for high temperature heat storage: 2-1. Development of metallic thermal storage materials: This work aims at developing metallic thermal storage (regenerative) materials for use at the temperature levels of 400 to 900°C. Using a commercial differential thermal analysis (DTA), weight changes, melting point and latent heat of melting were measured for pure metals and alloys. The candidates for the regenerative material were chosen as those showing no changes in their weights, melting points and latent heats on repeated thermal measurements. As a result of this criterion, in the pure metal category, zinc was chosen for 400°C temperature level, aluminum for 600 to 700°C temperature range and silver for 900°C level. Contrarily, copper, which was considered a candidate, was not chosen as a regenerative material because the measurements showed that copper has a higher melting point than that reported in literature, an extremely low latent heat, as well as degradation due to oxidation, which is evident from large weight changes. In the category of alloys (i.e. in the binary component systems), it is effective to make use of the eutectic point, and alloys of Al-12mass%Si and Silver-28mass%Cu were chosen for use at 600°C and 800°C temperature levels, respectively. 2-2. Technology development for simulation of behavior of metallic thermal storage material in regenerator: Thermal storage (or regenerative) material shows complex behaviors such as melting, solidification and flow, within the material housing. However, observing or determining the state of the material within the regenerator from outside is an extremely difficult task. Therefore, simulations were carried out to predict the internal state of the regenerator, and the inhomogeneity of the internal state was assessed. It should be noted that even for determining the optimum shape of the regenerator and methods of transferring heat in-and-out of the regenerator, it will be necessary to simulate the internal state and heat conduction in the regenerator. To do so, simulation techniques were developed to analyze the behavior of regenerative material in the regenerator.
(3)Development of vacuum heat insulation container: We tried to make getter elements made of zirconium for vacuum containers, but failed. We tried to join ceramics and stainless-steel for heat insulation between inside wall and outside wall of vacuum container, but failed.
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