[논문 리뷰] Designing thermal energy harvesting devices with natural materials through optimized microstructures

Qingxiang Ji, Xueyan Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 20.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 복합 미세구조를 최적화하여 천연 재료를 사용하는 열 에너지 수확 장치를 위한 일반적인 설계 프레임워크를 제안한다. 이는 이중 척도 균질화 이론과 최적의 라틴 하이퍼큐브 및 유전 알고리즘 최적화를 결합하여 변환 최적화 재료를 모방하는 효과적인 열 성질을 달성하며, 유한 요소 시뮬레이션을 통해 고성능이고 제작에 유리한 장치를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 응용에서 변환 열역학이 요구하는 비균일하고 이방성 있는 열 물성 매개변수를 실현하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 이deal한 변환된 열 매질을 근사하기 위해 이용 가능한 천연 재료와 복합 미세구조를 사용하는 실용적인 설계 방법론을 개발하기 위해.
• 컴퓨터로 최적화된 미세구조를 활용해 외부 필드 간섭을 최소화하면서 고성능 열 에너지 수확 장치를 구현하기 위해.
• 다양한 미세구조 기하형상, 특히 복잡하고 비대칭적인 설계에 적용하여 방법의 유연성과 적용 범위를 검증하기 위해.
• 열 시스템을 초월해 다른 파동 기반 메타물질에 적용 가능한 유연하고 확장 가능한 설계 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 주기적인 미세구조의 효과적 열전도도 텐서를 계산하기 위해 이중 척도 균질화 이론을 사용한다.
• 미세구조 매개변수의 고차원 설계 공간을 효율적으로 탐색하기 위해 최적의 라틴 하이퍼큐브 샘플링 기법을 활용한다.
• 목표로 하는 변환된 열전도도 텐서에 가장 잘 맞는 미세구조 기하형상과 재료 성질을 최적화하기 위해 유전 알고리즘을 적용한다.
• 정 steady-state 조건 하에서 최적화된 장치의 열 수확 성능을 유한 요소 시뮬레이션을 통해 검증한다.
• 균일한, 이동된, 그리고 분할 고리 형태의 기본 세포 기하형상에 대해 방법을 적용하여 광범위한 적용 가능성을 입증한다.
• 재료 열전도도 및 기하적 비율의 범위와 같은 설계 제약 조건을 최적화 과정에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천연 재료로 구성된 복합 미세구조는 변환 열역학이 요구하는 이방성 및 비균일한 열 성질을 효과적으로 근사할 수 있는가?
• RQ2 최적의 열 수확 성능을 달성하기 위해 어떻게 효율적으로 미세구조의 설계 공간을 탐색할 수 있는가?
• RQ3 효용성 매체 이론이 적용되지 않는 복잡하거나 비대칭적인 미세구조 기하형상은 얼마나 잘 변환된 열 매질을 모방할 수 있는가?
• RQ4 사용 가능한 천연 재료로 제작된 최적화된 미세구조를 통해 달성 가능한 최대 열 농축 효율은 얼마인가?
• RQ5 제안된 최적화 프레임워크는 형상 불변 미분 방정식을 가진 다른 파동 기반 메타물질 설계에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 미세구조는 변환된 매질의 열 거동을 정확히 근사하여 열 에너지 수확 장치에서 높은 농축 효율을 달성한다.
• 최대 농축 효율 약 90%를 달성하였으며, 최적의 기본 세포 면적 비율은 $ f_1 = 0.34238 $ 및 $ f_2 = 0.91675 $였다.
• 이 방법은 300, 400, 600 Wm⁻¹K⁻¹의 열전도도를 가진 천연 재료를 사용하여 열 수확 장치를 성공적으로 설계함으로써 재료의 유연성을 입증했다.
• 효용성 매체 이론이 적용되지 않는 복잡한 기하형상인 분할 고리 구조의 경우에도 최적화된 미세구조는 외부 필드 간섭을 최소화하면서 양호한 수확 성능을 달성했다.
• 이론은 라미나, 이동형, 분할 고리 구조를 포함한 다양한 기본 세포 설계에 대해 강건하게 작동하여 광범위한 적용 가능성을 확인했다.
• 최적화 과정은 재료 성질 및 기하학적 매개변수의 범위 제약 조건을 통합할 수 있어 실제 적용 가능성과 실용성을 향상시켰다.