[論文レビュー] Designing thermal energy harvesting devices with natural materials through optimized microstructures

Qingxiang Ji, Xueyan Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、自然素材を用いた熱エネルギー回収デバイスの一般化された設計フレームワークを提案し、複合微構造の最適化によって実現する。2スケール均質化理論と最適ラテンハイパーキューブおよび遺伝的アルゴリズムを組み合わせることで、変換最適化材料を模倣する効果的な熱的特性を達成し、有限要素シミュレーションを通じて高性能で製造に適したデバイスを実証する。

ABSTRACT

Metamaterial thermal energy devices obtained from transformation optics have recently attracted wide attention due to their vast potential in energy storage, thermal harvesting or heat manipulation. However, these devices usually require inhomogeneous and extreme material parameters which are difficult to realize in large-scale applications. Here, we demonstrate a general process to design thermal harvesting devices with available natural materials through optimized composite microstructures. We apply two-scale homogenization theory to obtain effective properties of the microstructures. Optimal Latin hypercube technique, combined with a genetic algorithm, is then implemented on the microstructures to achieve optimized design parameters. The optimized microstructures can accurately approximate the behavior of transformed materials. We design such devices and numerically characterize good thermal-energy harvesting performances. To validate the wide-range application of our approach, we illustrate other types of microstructures that mimic well the constitutive parameters. The approach we propose can be used to design novel thermal harvesting devices available with existing technology, and can also act as a beneficial vehicle to explore other transformation optics enabled designs.

研究の動機と目的

• 変換熱力学が要求する不均一かつ異方的熱的物性を大規模応用において実現する課題を克服すること。
• 利用可能な自然素材と複合微構造を用いて、理想の変換された熱的媒体を近似する実用的な設計手法を開発すること。
• 計算で最適化された微構造を用いて、外部場への摂動を最小限に抑えた高性能な熱エネルギー回収デバイスを実現すること。
• 多様な微構造幾何形状、特に複雑で非対称な設計への応用を通じて、本手法の汎用性を検証すること。
• 他の波動に基づくメタマテリアル、特に形式不変の支配方程式を持つものへも適用可能な柔軟でスケーラブルな設計フレームワークを提供すること。

提案手法

• 周期的微構造の有効熱伝導度テンソルを計算するために、2スケール均質化理論が用いられる。
• 微構造パラメータの高次元設計空間を効率的に探索するために、最適ラテンハイパーキューブサンプリング手法が採用される。
• 目的の変換された熱伝導度テンソルに最もよく一致するように、微構造の幾何形状および物性値を遺伝的アルゴリズムで最適化する。
• ステディステート条件下での最適化されたデバイスの熱回収性能を有限要素シミュレーションで検証する。
• ラミナリス、トランスレーテッド、スプリットリング構造を含む多様な基本細胞幾何形状に本手法を適用し、広範な適用可能性を示す。
• 材料の熱伝導度および幾何的体積分率の上限などの設計制約を最適化プロセスに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然素材を用いた複合微構造は、変換熱力学が要求する異方的かつ不均一な熱的物性を効果的に近似できるか？
• RQ2 微構造の設計空間を効率的に探索することで、最適な熱回収性能を達成できるか？
• RQ3 有効媒体理論が適用できない複雑または非対称な微構造幾何形状をどれだけ活用して、変換された熱的媒体を模倣できるか？
• RQ4 利用可能な自然素材から作られた最適化された微構造で達成可能な最大の熱集中効率はどの程度か？
• RQ5 提案された最適化フレームワークは、形式不変の支配方程式を持つ他の波動に基づくメタマテリアル設計へ一般化可能か？

主な発見

• 最適化された微構造は、変換された媒体の熱的挙動を正確に再現し、熱エネルギー回収デバイスにおける高い集中効率を達成した。
• 最大で約90％の集中効率が達成され、基本細胞の最適な面積分率は $ f_1 = 0.34238 $ および $ f_2 = 0.91675 $ であった。
• 本手法により、300、400、600 Wm⁻¹K⁻¹の熱伝導度を持つ自然素材を用いた熱回収素子の設計に成功し、素材の柔軟性を示した。
• 有効媒体理論が適用できない複雑な幾何形状（例：スプリットリング構造）に対しても、最適化された微構造は外部場への摂動を最小限に抑えつつ良好な回収性能を達成した。
• ラミナリス、トランスレーテッド、スプリットリング構造を含む多様な基本細胞設計に対して本アプローチは安定しており、広範な適用可能性が確認された。
• 最適化プロセスにより、材料物性や幾何パラメータの制限といった実用的制約を組み込むことができ、実用的実装可能性が向上した。