充填層熱エネルギー貯蔵システムにおける顕熱および潜熱貯蔵の実験的比較

岩床熱エネルギー貯蔵(RTES)システムは、低コストで堅牢、スケーラブルな顕熱貯蔵ソリューションとして注目されている。本レビューは、充填層岩石の計算流体力学(CFD)モデリング戦略、特に連続多孔質媒体アプローチと信頼性の高いシミュレーションに必要な閉鎖相関に焦点を当てた評価を提供する。まず、物理的解像度と計算実現可能性のトレードオフの観点から、ポアスケールモデリングとボリューム平均連続モデリングの違いを議論する。次に、古典的な充填層モデルや岩床固有の定式化を含む、主要な圧力損失および摩擦係数相関をレビュー・比較する。油圧抵抗予測は、粒子形状、表面粗さ、空隙率、床径比、充填配置に大きく依存する…

• 有機PCMの熱伝導率0.16 W·m−1K−1という低さにもかかわらず、熱交換器の設計最適化(伝熱面積203m2、PCMからフィンまでの最大距離約1.5mm)により80kW超の放電電力を実現した実証機を設計・調査した
• PCM熱交換器体積0.79m3で80kW超の放電電力を達成し、トランジット水がタンクから完全に排出された後も65kWを維持した
• 融解時にサーモサイフォン駆動の自然対流が観測され、伝熱をさらに向上させる可能性が示された

産業プロセスでは大量の熱エネルギーが消費されるが、熱源とシンクの時間、温度レベル、電力需要、稼働スケジュールの違いから、回収可能な多くの廃熱が未利用のままとなっている。熱エネルギー貯蔵(TES)は、熱供給と熱需要を切り離し、廃熱回収、ピーク負荷削減、プロセス熱の電化、連続・バッチ・断続的プロセスの柔軟な運用を支援できる。本レビューは、単なる貯蔵材料の視点ではなく、プロセス統合の視点から産業用TESを評価する。感熱、潜熱、熱化学、吸着ベース、ハイブリッド、蒸気ベースの貯蔵システムを、供給温度、貯蔵期間、充放電電力、応答時間、熱損失、信頼性、統合の複雑さ、技術経済的実現可能性の観点から比較する。…

• 積層造形(AM)は内部ジオメトリ・多孔性・表面積対体積比・流路を精密制御でき、従来のTES技術の熱伝達率不足という実用化制約を克服する有望なアプローチとして登場した。
• 粉末床溶融結合、指向性エネルギー堆積、材料押出、バット光重合、バインダージェッティングなど、TES用途に関連するAM技術がレビューされ、製造プロセス・材料選択・熱性能の関係がSHTES、LHTES、TCESシステム全体で議論されている。
• 格子ネットワークや三次元周期最小曲面(TPMS)ジオメトリ、埋め込み熱交換器、トポロジー最適化などの計算設計手法による熱伝達向上戦略と相変化材料(PCM)統合構造に重点が置かれている。

• 円盤型スターリングエンジンとPCM蓄熱を統合したハイブリッドCSPシステムを設計・実験し、最大50Wの電気出力と31.9%の総合熱効率を達成した。
• PCM蓄熱ユニットにより6時間の制御された熱放電が可能で、35Wの安定した電気出力を維持した。
• エクセルギー分析により最大エクセルギー効率14.2%を確認し、主な不可逆性は受信機熱損失と有限温度熱伝達に起因した。