超材料热场调控与能量收集器的研究

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1、清华大学超材料热场调控与能量收集器的研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：刘文美指导教师:李勃副研究员二○一七年五月ResearchonThermalFieldManipulationandThermalEnergyHarvestingUsingMetamaterialsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinM

2、aterialsScienceandEngineeringbyLiuWenmeiThesisSupervisor:AssociateProfessorLiBoMay,2017摘要摘要在能源与环境的双重压力下，如何提高能量利用效率，如何捕获周围环境中的能量并将其转化成电能存储、驱动小型电子器件或者用于二次电池的充电，以及如何利用太阳能等自然界清洁能源进行光电反应或光催化将其转化成为电能等，都成为新能源材料与器件研究的热点与难点。而所有能源的利用的过程中无法避免的是热能的损失，且这一部分占据很大的比重，若能提高热能的收集

3、效率，则能量的利用效率可以得到显著的提高。自然材料其均一性与各向同性导致其在热能收集方面受到限制。而超材料，作为一种新型的人工材料，可以根据应用的要求，进行空间上的结构设计，可以实现自然界材料所不具备的超常物理性质。体现在热学方面即可以调控热流从而调控热场，通过热流的集中与温度梯度的提高，实现热能的收集。二维热场调控理论已经在仿真与实验中得到了验证，但并未涉及能量的收集与利用。对于三维热场调控与热能收集理论，因其对结构设计与加工精度的要求较高，目前只在仿真上验证了其可行性，尚未进行实验验证。本文基于热学超材料与热电材

4、料的工作原理，设计了一个包含热能收集和能量转化与利用的系统，主要包括：原创性的提出了一个具有高对称性的三维花状超材料热能收集结构；进行了基于有限元分析COMSOLMultiphysics的仿真并进行了实验验证，实现了三维能量收集结构从理论到实验的重要突破；同时，巧妙的利用热电偶的高精度测温，解决了三维结构的测试难点；最后结合三维超材料能量收集结构与热电材料的优势，提出了能量收集与转化的高效系统的概念。结果表明：三维花状热能收集结构具有高度的对称性，其能量收集核心的热流密度与温度梯度得到大幅度的提高，而外部的温度场与热

5、流流向不受到能量收集结构的影响。花状能量收集结构在二维的情况下同样适用，并且具备良好的能量收集效率。另外，本文亦对二维扇形状能量收集结构以及陶瓷复合材料能量收集结构进行了讨论。与没有能量收集结构时相比，三维花状结构的能量收集核心的温度梯度与热流密度大幅增强。在能量收集核心区域沿温度梯度方向放置热电材料可以有效地将收集的热能转化为电能，实现能量的存储或用于二次电池的充电。除此之外，该结构也可用于太阳能电池板、未来能源集成系统以及热治疗等方面。关键词：超材料；能量收集；热场调控；三维；多物理场IAbstractAbstr

6、actUnderdualpressureofenergyandenvironment,newmaterialsanddevicesforincreasingefficiencyofenergy,harvestingenergyformambientenvironmentandconvertingittoDCvoltageforminipowerorrecharging,andsolarlighttochemicalenergyconversion(clearfuels)havebeenchallenginghotsp

7、otsforresearchers.Promotingenergyefficiency,finallycomesdowntopreventheatlossandincreasethermoelectricconversionefficiency.Inhomogeneousandisotropicnaturalmaterialsfailtoharvestthermalenergy,whilemetamaterials,agroupofproperty-orientedartificialmaterials,areapt

8、tomanipulatemulti-physicalfields.Thermalmetamaterials,whichareanisotropicandspatiallyartificial,canmanipulatethermalfield,includingconcentrating,shielding,andinvertingheatfl