北海道大学 研究シーズ集

エネルギー:17件

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  • 燃焼機器で生じる音響振動解析

    燃焼装置や燃焼ガス排気系統でしばしば音響振動が生じ、騒音の発生や燃焼措置の寿命低下を引き起こす。これは、燃焼装置や排気系統で生じる発熱変動と音響圧力変動が連動することより生じる。本研究は、この物理過程の解析とその抑制技術の検討を行っている。

    研究の内容

    燃焼装置や燃焼ガス排気系統でしばしば音響振動が生じ、騒音の発生や燃焼措置の寿命を低下につながる。これは、燃焼装置や排気系統で生じる発熱変動と音響圧力変動が連動することより生じるが、これが生じる物理過程の解析と抑制技術の検討を行っている。研究の手法としては、単一の円管内に可燃性ガスを封入しその一端に着火させ火炎が管内を伝播する際に生じる音響振動現象を用いる。この伝播現象に種々の境界条件(開放端条件・伝播方向・混合ガス組成・伝播管直径と長さ・火炎面の構造等)を与え、音響振動現象を引き起こした上で、その要因を燃焼の不安定性解析手法により理解する。ここで再現された振動現象は単純化された系で観察されるものであるが一般性のある現象であり、実際の燃焼機器や排気系統で生じる音響振動現象の理解に直接つながるものである。

  • リチウムイオン電池の火災安全性向上技術

    リチウムイオン電池はそのエネルギー密度の高さから利用が急激に拡大している。一方で電池内部に有機溶媒を使用していることから火災安全性の確保が重要である。本研究は有機溶媒の燃焼現象に焦点をあててその燃焼抑制技術に関する研究を行っている。

    研究の内容

    リチウムイオン電池はそのエネルギー密度の高さから利用が急激に拡大している。一方で電池内部の電解液に有機溶媒を使用していることから火災安全性の確保が重要である。本研究は有機溶媒の燃焼抑制を目指して燃焼抑制剤添加効果の定量化手法の開発や燃焼抑制に効果のある添加剤の探索、さらには、電解液に含まれるリチウム塩自体の有機溶媒の燃焼性に及ぼす効果などを研究している。また、電解液の燃焼素反応機構を考慮した火災現象のモデル化および数値解析を実施している。

  • 微小重力場を利用した燃焼現象解明

    燃焼現象は局所的な温度上昇を伴うことから周辺に常に自然対流が生じる。このことが現象を複雑化し、その基本的理解を難しくしている。本研究では微小重力環境を活用することで、自然対流を取り除き燃焼現象を基本的立場から理解しようとするものである。

    研究の内容

    燃焼現象は局所的な温度上昇を伴うことから周辺に自然対流が常に生じる。このことが現象を複雑化し、その基本的理解を難しくしている。本研究では微小重力環境を活用することで、自然対流を取り除き燃焼現象に含まれる基礎的過程(拡散・熱伝導・すす生成・着火・火炎伝播等)を理解し、このような現象が介在する燃焼装置や燃焼現象の数値予測やモデリングに役立てていこうとするものである。北海道大学には常時利用可能な40m級の大型落下塔があり、微小重力実験を容易に実施可能な環境にある。また、国際共同研究による航空機を用いた微小重力実験や国際宇宙ステーションによる実験も進めており、微小重力場を利用した燃焼研究を行う上で恵まれた環境にある。

  • クラウド版地中熱ヒートポンプ設計・性能予測プログラム
    ”Web Ground Club”と日本全国3次元グリッド地層データベース

    複層地盤や地下水流れ効果、冷却塔の付帯も計算できる

    10 年程前に地中熱ヒートポンプシステム(GSHP)設計・性能予測ツールGround Club(GC)を開発し,約150 本頒布.現在,クラウド対応の進化版ツールGCCを試用公開.日本全国 3 次元地層物性データベースを構築,GCCに搭載.

    研究の内容

     

  • 再生可能エネルギーを農業生産に活用する試み

    断熱性・複数熱源・作物選択・協働の重要性

    栽培室と地中深2-3m埋設ダクト間の空気循環により、栽培室気温は夏季には低下、冬季には上昇した。そして夏季は栽培ベッドに雪冷却水を、冬季は堆肥熱保温水を循環させ、栽培ベッド内をチコリー生育温度15℃近傍に制御してチコリー生産を可能にした。

    • 夏季イメージ:栽培室―地中との空気循 盛夏でのチコリー生産環による栽培室冷却と雪冷水による栽培ベッドの冷却

    • 盛夏でのチコリー生産

    研究の内容

    閉鎖された温室施設や閉校小学校の体育館を利用して、地中熱・雪冷熱・堆肥熱を活用してチコリーとホワイトアスパラガスの周年栽培に挑戦した。夏季は地中熱と雪冷水、冬季は地中熱と堆肥熱保温水によりベッド内を15℃近傍に制御できた。このためには栽培室の断熱性が重要である。この体系は地下部に養分を蓄積し、かつ生育に光を要求しない作物が適する(前述以外にウド、黄ニラ等)。これらを遂行には、設備をメンテナンスできる会社や人材をパートナーとする体制が必要である。温泉廃湯の局所保温による冬季アスパラガス生産にも取り組み、供給熱量は従来のハウス暖房の1/6に低減できた。技術とそれを生かす地域協働が重要である。

  • 農畜産施設のエネルギーマネジメントシステムの開発

    農畜産施設機器の省エネ化とバイオガス発電の新たな計画運用技術の構築

    農畜産業は環境問題、エネルギー問題、労働力不足等の問題を抱えています。このような問題をICTの活用によって効率化・最適化する手法の開発や、多様な技術・ノウハウをデータ化・可視化するシステム工学的なアプローチで解決する研究に取り組んでいます。

    • 図1 バイオガス発電施設

    • 図2 監視制御用PC

    研究の内容

    本研究室では、分散型エネルギー源を含めたエネルギー管理の最適化技術・ノウハウを応用し、エネルギー依存の高い農畜産施設内のエネルギー使用状況のモニタリング(見える化)システムを開発しました。
    農畜産業は、太陽エネルギーを用いた光合成と、これに立脚する生物活動によってバイオマスが生産されます。これらをエネルギー利用することは自然循環機能の維持増進と、その持続的発展を図る観点からも急務とされています。このようなバイオマスエネルギーのうち、家畜ふん尿等を燃料とした「バイオガス発電」(図1)は、電気と熱の併給によって熱も含めた蓄エネルギーが可能な電源特性を有しています。これらを効率的に制御する技術開発(図2)やエネルギーの有効利用方策に関する研究も行っています。

    石川 志保 特任助教 Shiho Ishikawa
    博士(農学)
  • 高効率半導体太陽電池

    導波路と結合した、フォトン-とフォトキャリアが直交するマルチストライプ半導体よりなる新型太陽電池

    光吸収とフォトキャリア収集の最適化を同時実現し、複数半導体ストライプにより全太陽スペクトルに亘って光電変換することで、温度上昇・素子劣化が抑制され、拡散光に強い高効率集光型太陽光発電システムをリディレクション光導波路との結合により実現する。

    • 図1. 変換効率ηのα、μ依存性の解明による変換効率向上のスキーム

    • 図2. 新しい光電変換素子の構造図(右下内挿図はその断面図、Wk[k=1-4]は各セルのストライプ幅)。左下内挿図は従来型太陽電池。

    研究の内容

    従来型太陽電池では、フォトキャリアの移動方向と光の進行方向が平行の為、キャリア収集と吸収光子数はトレードオフの関係にある。本研究では、キャリア移動方向と光進行方向の直交性により、光吸収最適化とキャリア収集効率最適化を両立できる。太陽光を順次高エネルギー成分から低エネルギー成分へとスペクトル全体に亘って光電変換するので、熱としての散逸を最小限に留め、高効率を得うる。光波進行方向変換膜付き導波路タイプの集光系により、拡散光に強い太陽光発電システムを実現できる。高エネルギーフォトンを、中間ギャップ、ナローギャップ半導体へ進入させないことでボンドの変性を未然に防ぎ、素子の長寿命化が期待できる。曇天時にも強く、熱力学的限界に迫る高変換効率と高信頼性をもつ、3拍子揃った究極の集光型太陽電池システムを実現できる。

    石橋 晃 教授 Akira Ishibashi
    理学博士
  • Gd₂Si₂O₇系高性能シンチレータの開発とその応用

    放射線検出器用大発光量シンチレータの開発

    シンチレータは放射線により発光する物質で医療診断装置、石油探査などで使用されます。Gd2Si2O7 (GPS)シンチレータは、高発光量、高エネルギー分解能、非潮解性等の優れた特長をもち、単結晶とセラミクスプレート・粉体が作れます。

    • GPSの高温環境下での発光量温度依存性。GSO(従来品)を遙かに凌駕

    • GPSプレートを用いた可搬型α線検出装置の試作機

    • ラドン子孫核種:核燃料起因α線放出核種=50:1環境における核燃料起因α線放出核種の弁別例

    研究の内容

    Gd2Si2O7:Ce(GPS)単結晶シンチレータは、NaI:Tlの1.4倍程度の大発光量、高エネルギー分解能、非潮解性、自己放射能無しといった優れた特長を持ち、250℃以上の高温環境でも使用可能な事から、石油探査の大深度化への貢献が期待されます。(株)オキサイドへの技術移転が完了し、SPECT等に応用していただける状態になりました。また5cm角GPS焼結体プレートの安定製造技術を確立しました。位置検出型光電子増倍管組み合わせることにより、福島第一原子力発電所事故で放出されたα線を放出する核燃料物質を高感度で検出可能になりました。試作装置では従来装置では考えられなかった核燃料起因α線放出核種:自然放射能(ラドン子孫核種) = 1: 200の環境下で核燃料起因α線放出核種の検出に成功しました。

    金子 純一 准教授 Junichi H. Kaneko
    博士(工学)・経営管理修士(専門職)
  • 再生可能エネルギー発電の出力把握と出力変動対策

    太陽光発電や風力発電の出力変動をリアルタイムに把握しその変動を抑制

    負荷電力(A)と再生可能エネルギー発電出力(B)とが混ざった電力潮流情報から,(A)と(B)を抽出する手法を開発しました。また(B)は天候に依存して大きく変動しますが,蓄電池を使って変動を抑制する制御手法と蓄電池容量評価手法を開発しました。

    • 図1  PV出力推定の一例

    • 図2 蓄電池を用いた出力変動抑制

    研究の内容

    本研究室では,独立成分分析(ICA)と呼ばれる信号解析技術を応用し,配電線を流れる電力潮流情報に隠れている「再生可能エネルギー発電(RE電源)の出力」をリアルタイムに抽出する手法を開発しました。系統内のPV設置容量などの予備情報を使用することなく,高精度な出力推定が可能です(図1)。
    また,蓄電池を用いてRE電源出力変動を補償するための制御手法も開発しています(図2)。また,個別のウインドファーム・メガソーラなどの出力変動抑制に必要な蓄電池容量を推計するシミュレーション技術も開発しました。

    北 裕幸 教授 情報科学研究科長 Hiroyuki Kita
    博士(工学)
  • 流れと伝熱の数値シミュレーション

    界面活性剤による乱流抵抗低減流れのモデル化とシミュレーション

    界面活性剤添加による乱流抵抗低減流れのモデル化とシミュレーションを行い,抵抗低減メカニズムを明らかにする.また,同時に伝熱解析を行って流動特性と伝熱特性を詳細に調べる.

    • 摩擦係数のレイノルズ数依存性

    • 壁近傍(流れに直交する断面)の速度ベクトル(色は圧力)要素を添加することによって乱れが減衰している様子が分かる

    研究の内容

    水に微量の長鎖状高分子あるいは棒状ミセルを形成する界面活性剤を添加すると,乱流域での抵抗が著しく低減することはToms効果として知られている.微小なダンベル状要素で高分子を模擬したモデルを構築し,本モデルを用いて二次元チャネル内乱流のDNS(直接数値シミュレーション)を行い,Toms効果を再現した.また,この離散要素が縦渦減衰による抵抗低減機構と壁面近傍の付加応力による抵抗増加機構の2つの機構を内在していることを示した.さらに要素に強い力が加わった場合に,要素が切断される効果を加えることにより,抵抗低減が特定のレイノルズ数範囲で生じるという特徴を再現することができた.

  • 地熱資源モニタリングと誘発地震のリスク評価

    地球物理観測による地熱資源モニタリングとリスク評価

    重力探査や震源精密決定による地熱資源開発に必要な地下構造の評価。精密重力測定や地殻変動観測による地熱貯留層資源のモニタリング。地熱井開発に伴う誘発地震のリスク評価や地震活動予測の研究。

    研究の内容

    ○近年開発が盛んな地熱資源開発では、基盤構造調査から地熱貯留層の検討が行われる。重力探査と精密な震源分布、地震波速度構造解析などから、基盤構造に関する調査を実施している。
    ○地熱発電では、蒸気を生産するとともに熱水を地下へ還元するが、資源を持続的に利用するためには、地熱貯留層の収支をモニタリングすることが必要である。精密重力測定および地殻変動観測を利用して、地下流体の状態を物理的に評価し、適正な資源利用量を検討する。
    ○地熱井への高圧流体の注入などにより、有感地震が誘発され問題となることがある。地熱開発地域の地殻応力状態や、周辺の断層、地震活動特性、流体注入量などのパラメータから、誘発地震のリスク評価を行う手法を開発することで、適正かつ持続的な資源開発の指針を与える。

    高橋 浩晃 教授 地震火山研究観測センター長 Hiroaki Takahashi
    博士(理学)
  • 無機固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池

    液相からの硫化物固体電解質の作製

    高いリチウムイオン伝導性を示す硫化物系ガラスを有機溶媒に溶解させ、これを乾燥させるという単純なプロセスで、硫化物系固体電解質を析出させることに成功した。また、電極活物質へのコーティングに適用可能であることも見出した。

    研究の内容

    リチウムイオン伝導性固体電解質を電解質として用いる全固体リチウム二次電池において、良好な電極-電解質間界面の構築が電池の高エネルギー密度化に非常に重要である。本研究では、液相から硫化物系固体電解質を作製することにより、良好な電極-電解質界面の構築を目指した。Li2S-P2S5系固体電解質をN-メチルホルムアミド(NMF)に溶解させて均質な溶液を作製し、その溶液からNMFを除去することでLi2S-P2S5系固体電解質を再析出させることに成功した。この溶液と正極材料であるLiCoO2を混合し、NMFを除去することによってLiCoO2上に固体電解質をコーティングした。これを用いて電極複合体を作製し、得られた電極複合体、硫化物系無機固体電解質を用いて全固体リチウム電池を作製したところ、安定に動作することを確認した。

    忠永 清治 教授 Kiyoharu Tadanaga
    博士(工学)
  • 耐氷点下起動性に優れた固体高分子形燃料電池の開発

    電池内マイクロナノ凍結現象の解明

    普通では観察することのできない燃料電池内の反応層近傍凍結現象を、超低温型電子顕微鏡を用いて可視化しています。さらに電気化学測定を組み合わせ、寒冷地利用で問題となる生成水凍結現象の解明と耐氷点下起動性に優れた電池の開発を行っています。

    研究の内容

    高効率でクリーンなエネルギー変換機器である固体高分子形燃料電池において、反応による生成水は下の左図のように数十nmの径の触媒層空隙を通り、数μm径の空隙を有する多孔膜であるマイクロポーラスレイヤー(MPL)を介して、ガス拡散層・ガス供給チャネルへと排出される。寒冷地での氷点下環境起動では、生成水が凍結し、発電停止、劣化を引き起こす問題が生じるが、現象がマイクロナノスケールであるため計測が難しく、現象解明は未だ不十分の状況である。本研究では、水がどの部位で凍結し、どのような機構で性能停止および経年劣化に繋がるかを微視的観察、電気化学測定、触媒層モデル解析により解明し、耐起動性の向上や長寿命化を達成することを目指している。下の中図は触媒層が氷で埋められている様子、右図は解析でモデル化している触媒層の構造模式図である

  • 相変化せずに蓄熱する固体蓄熱材

    結晶構造の変化により蓄熱する固体蓄熱材

    トランス-1,4-ポリブタジエンは、固体の結晶構造の変化により蓄熱する特徴があり、この蓄熱材を用いた蓄熱器には、蓄熱材を入れる容器が不要になります。トランス-1,4-ポリブタジエンを用いた蓄熱器の宇宙実証に世界で初めて成功しました。

    • 蓄熱量の測定(DSC 曲線)

    • 表1 蓄熱温度と蓄熱量

    研究の内容

    超小型衛星の熱設計をしやすくすることを最終目標に、超小型衛星の熱制御に適した熱制御材として、結晶構造の変化により蓄熱する蓄熱材の開発を行っています。
    多くの蓄熱材が固相-液相の相変化によって蓄熱しています。微小重力下での液相は、伝熱面との濡れ性が悪いと伝熱面に接触せず、熱伝達が著しく悪くなるという欠点があります。そこで、本研究では、固相-固相の結晶構造の変化により蓄熱するトランス-1,4-ポリブタジエンに注目しています。
    開発された蓄熱器は、2014年6月20日に打ち上げられた超小型衛星HODOYOSHI4号機に搭載され、宇宙での性能実証試験が行われてきました。HODOYOSHI4号機のデータを解析したところ、蓄熱器が宇宙空間でも所定の温度で蓄熱・放熱していることが確認されました。

  • 高温潜熱蓄熱マイクロカプセル

    500˚C超の高温域で高密度蓄熱が可能な、コア(合金潜熱 蓄熱材)–シェル(Al2O3)型の潜熱蓄熱マイクロカプセル

    固液相変化時の潜熱を利用する潜熱蓄熱法は高密度蓄熱可能な点で魅力的です。潜熱蓄熱材のマイクロカプセル化により蓄熱のみならず、熱輸送、熱制御用途への展開が可能となります。500 ºC超の高温域で利用可能な潜熱蓄熱マイクロカプセルを開発しました

    研究の内容

    500 ˚C超に融点を持つAl基合金を新たに潜熱蓄熱材として見出し、この合金のマイクロ粒子(約20μm~)へ化成/酸化処理を巧みに施すことで、コア(Al基合金)–シェル(Al2O3)型潜熱蓄熱マイクロカプセルの開発に成功しました(図1)。このマイクロカプセルは固体顕熱蓄熱材と比べて約5倍以上の高蓄熱容量を持ち、機械的特性に優れます。また、シェルがAl2O3であるため「セラミックス粒子」として扱えます。即ち、現行セラミックス顕熱蓄熱技術の利用形態を継承したまま性能をグレードアップできる画期的な蓄熱材料です。

  • 核融合炉・高エネルギー炉用構造材料の開発

    高熱伝導性を有する鉄系複合材料

    鉄系構造材料中に高熱伝導性物質を適切に配置し、構造材料全体の熱伝導性を飛躍的に向上させる。エネルギー生産の高効率化及び放射性廃棄物の低減が見込まれ、これまで解がなかった核融合炉・高エネルギー炉ダイバータ用鉄系構造材料の開発に目途がつく。

    • 核融合実証炉(DEMO炉)と熱交換機器(ダイバータ)の概念図

    研究の内容

    核融合実証炉(DEMO炉)稼働中のプラズマに直面する熱交換機器の開発を念頭に、実際に使用が見込まれる鉄系材料の低熱伝導性に焦点を当て、成功の鍵を握ると考えられる熱伝導性の大幅な改善を目的とする。DEMO炉用ダイバータの冷却管付近で生ずる500℃の温度勾配はこれまでの工学機器において未経験の巨大熱負荷を与えるが、当該機器構造体全体の熱負荷を軽減できれば、これまで解がなかったDEMO炉用構造材料開発の最重要課題をクリアするだけでなく、高熱伝導性を有する鉄鋼複合材料として工学的にも大きな付加価値を持たせることになる。各種鉄系材料(純鉄,低放射化フェライト・マルテンサイト鋼,酸化物分散強化フェライト鋼)に高熱伝導性材料のCuおよびW細線を適切に配置し、ヒートシンクとしての役割をもたせながら構造材料としての強度も担保する

  • 複合量子ビーム超高圧電子顕微鏡と材料研究

    マルチ量子ビーム科学と工学応用

    北海道大学超高圧電子顕微鏡研究室では、複合量子ビーム照射による微細組織変化のその場観察が原子スケールで可能な世界初となる光・イオン・電子の複合量子ビーム超高圧電子顕微鏡を開発しました。

    研究の内容

    【世界初の複合量子ビーム超高圧電子顕微鏡:左図】2014年に複数のレーザーを利用できる光学系を増設し、イオンビーム、レーザー光、電子など複数の量子ビーム照射下で原子レベルでのその場観察が可能な複合量子ビーム超高圧電子顕微鏡を開発。現在、その場分光システム開発中。

    【紫外線照射によるナノ結晶成長:右図】紫外線を水中プラズマ処理をしたZnに照射することによってZnOナノ結晶を成長させることに成功しました。現在、その成長メカニズムや応用について研究を推進しています。Scientific Report, 5, 11429(2015), AIP Advances, 7(2017) pp. 035220,
    その他参考文献:Nano Letters, 17(2017) pp. 2088-2093