本文へジャンプ

成果報告書詳細
管理番号20180000000252
タイトル平成29年度成果報告書 地熱発電技術研究開発 低温域の地熱資源有効活用のための小型バイナリー発電システムの開発 環境負荷と伝熱特性を考慮したバイナリー発電用高性能低沸点流体の開発
公開日2018/6/2
報告書年度2017 - 2017
委託先名国立大学法人東京大学 旭硝子株式会社
プロジェクト番号P13009
部署名新エネルギー部
和文要約近年、全国に分布する温泉熱エネルギーを発電に利用できるバイナリー発電の導入拡大が期待されているが、現在バイナリー発電に使用されている低沸点流体は、低GWP、低ODP、安全性(可燃性、じょ限量)の面から十分でない。
 本研究は、環境負荷、安全性に加え、熱効率向上およびシステムの小型化のために、粘性係数、熱伝導率、潜熱などの熱流動特性も考慮した、未利用温泉熱の有効活用ができる新たな高性能低沸点媒体を開発することを目的とした。
 東京大学では、温泉バイナリー発電用高性能低沸点流体の伝熱解析を担当し、下記(1)ー(5)の研究開発項目を実施した。
(1) 熱交換器シミュレーションによる流体の熱物性値に対する指針獲得、熱物性値の影響評価、および低沸点流体の燃焼性評価
(2) 低沸点流体の伝熱性能評価用バイナリー発電システム構築
(3) 数値解析を用いた新しいバイナリー発電用熱交換器構造の検討
(4) バイナリー発電システムを用いた新低沸点流体のデータ取得
(5) コンパクトなバイナリー発電システムの提案
 以上を通じて、バイナリー発電・テストベンチを用いた発電性能・熱交換器性能の評価実験、詳細な伝熱特性評価のための単管流路実験、燃焼性評価実験、熱交換器内の2相流熱流体数値シミュレーション、および高性能熱交換器の試作評価を行い、低沸点作動流体の熱流動特性がバイナリー発電システム、熱交換性能に及ぼす影響を多角的に調査した。研究成果の概要を以下に列挙する。
・スクロールタービンおよび新たに試作した斜め波状壁熱交換器を組み込んだバイナリー発電システムを構築し、種々の低沸点流体に対して発電特性を評価し、動作条件が発電量、システム特性に及ぼす影響を明らかにした。
・斜め波状壁熱交換器における沸騰伝熱特性を新たに開発した2相流熱流体解析手法を用いた3次元数値シミュレーションにより評価した。また、種々の低沸点流体に対して、斜め波状壁熱交換器における沸騰熱伝達率を実験的に計測し、伝熱促進効果を明らかにした。
・旭硝子株式会社によって分子設計・合成された候補流体を含む種々の低沸点流体に対して、小規模バイナリー作動域に相当する低熱流束・低質量流束条件下における沸騰伝熱特性およびドライアウト特性を系統的に評価した。予熱器・蒸発器・凝縮器からなる熱交換器全体の単相流および二相流伝熱特性を考慮し、新流体開発に資する、基礎的な熱流体工学的知見を獲得した。
・少量の試料を短時間にスクリーニング可能な流体の燃焼性評価方法を構築し、簡便な評価システムとして有効に機能することを実証した。
・新たな設計コンセプトに基づく高性能熱交換器を提案し、コンパクトなバイナリー発電システムを構成するための具体的な指針を示した。
 旭硝子では、沸点30ー50℃程度、ODPほぼ0、GWP100以下、低毒性で不燃性の要件を満たし伝熱特性に優れた高性能低沸点作動流体の構造設計、合成、物性値評価を行った。
 これまでハロゲン系化合物に対して培ってきた情報科学的なシミュレーション技法を、バイナリー発電に必要な物性値(沸点、熱伝導度、潜熱など)の推算が可能となる様に拡張して、従来の市販ソフトウエアよりも高い精度で推算できる手法を構築し、熱伝導率が高いことで伝熱性能が良い新低沸点流体の分子構造の候補として十数種類をピックアップした。これらについて合成方法を検討し、沸点、熱伝導率などの物性値および毒性を測定等により明らかにし、総合的に評価を行った結果、ケトン構造1種類、ケトン構造またはエーテル構造を含む混合物2種類を最終候補として選出した。
英文要約Recently, renewed attention has been paid to low-temperature binary-cycle systems, utilizing the heat in hot springs with a considerably-large introduction potential. Conventional low-boiling-point fluids for binary-cycle systems do not satisfy all the requirements from the environmental impact, low GWP, low ODP, no flammability and no toxicity.
Our goal is to develop a new high-performance low-boiling-point fluid, which is applicable to low-temperature geothermal energy conversion and suited for effective utilization of unused energy from hot springs. In this project, heat transfer and fluid flow characteristics along with the environmental impacts and safety factors are taken into account in the new-fluid development.
In the University of Tokyo’s group, heat transfer analyses focusing on the following five issues have been performed: 1) Considerations on the thermo-physical properties through 1D analyses, heat transfer evaluations through local flow-boiling measurements, and combustibility evaluations, 2) construction of binary-cycle test bench, 3) CFD-based heat-exchanger simulations, 4) heat transfer evaluations of new working fluids, and 5) proposal of more compact system. Main accomplishments are summarized as: (1) A compact system using a scroll turbine and a new heat exchanger with oblique wavy walls has been constructed. Power generation characteristics for different working fluids and operating conditions have been measured. (2) CFD simulations accounting for phase-change heat transfer have been performed. Boiling heat transfer enhancement in the prototyped plate heat exchanger has been demonstrated. (3) Boiling heat transfer and dryout characteristics of various fluids covering a wide range of boiling points and reduced pressure have been systematically evaluated, and fundamental data under low heat and mass fluxes, corresponding to small-scale system, has been obtained. (4) A simple combustibility-screening method has been developed. (5) A new heat-exchanger concept has been proposed for more compact system.
In Asahi Glass Company (AGC) ’s group, our research scopes were on 1. Structural designing, 2. Study on synthesis, 3. Analyses and studies of properties of the high-performance, low-boiling-point fluids. We extended the informatics-based simulation techniques previously developed by AGC, for structural designing of the new working fluid, and established a method which can provide the chemical and physical properties with much improved accuracy if compared to conventional software. By using this method, we have picked out more than ten halogenated compounds which may have high performance (high thermal conductivity). We have studied on synthesizing these compounds and actually measured properties and toxicity of them. By comparing these results totally, we selected out one ketone-modified halogenated compounds and two mixtures which include ketone-modified or ether-modified halogenated compounds as the most promising fluids.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る