基于超表面的粒子间近场辐射换热研究

近场辐射换热具有高于同温度下黑体辐射换热量的巨大换热潜力,这种强烈的近场辐射热流可以应用于热光伏电池、热整流等领域,具有广阔的应用背景。本文建立了超表面调控粒子间辐射换热的理论模型,结合偶极近似法与有效介质理论,计算了黑磷光栅下SiC粒子间近场辐射换热量,进一步探究了黑磷光栅电子掺杂浓度、光栅填充因子等因素对粒子换热的影响规律,同时揭示了各向异性表面等离子体极化激元(SPPs)在调控换热中的作用机制。结果表明,超表面的存在极大增强了粒子间辐射换热量,不同光栅化方向(AC方向、ZZ方向)对于粒子换热有着不同程度的影响。

常规材料与超材料间的近场辐射换热分析

研究了超材料参数对辐射热交换的影响,同时分别选用超材料、铝、硼掺杂硅3种材料,计算并分析了两个半无限大物体光滑平行表面间的近场辐射换热.数值计算结果表明,不同材料间的辐射热交换与对应的同种材料之间的辐射热交换相比,辐射热交换的增强和减弱取决于材料的辐射性质.本工作将为实际应用中材料的选择提供一定的参考价值.

薄膜和半无限大介质间的近场辐射换热研究

研究了硼掺杂硅(记为Si-19)薄膜和半无限大物体(Si-19和SiC)在100 nm真空间距下的近场辐射换热随薄膜厚度的变化。研究结果表明,当半无限大物体和薄膜为相同的Si-19材料时,由于表面波激发并相互耦合,使得近场辐射换热随薄膜的厚度变化比较复杂。当半无限大物体为SiC材料时,由于表面波的耦合遭到破坏以及辐射体的高发射率频率区和吸收体的高吸收率频率区不匹配,导致表面波的激发对不同材料间的近场辐射换热的增强程度降低,因此在相同计算区域内热流密度随厚度的增加单调增加,没有出现极值点。

石墨间的近场辐射换热强化

作为自然界存在的双曲材料之一,石墨对于实现高效辐射换热具有重要意义.本文研究石墨的光轴取向及厚度对近场辐射换热的影响,并揭示其辐射能量传输机理.当光轴平行于换热方向时,常规的非共振双曲模式对其近场辐射换热具有主要贡献;而光轴垂直于换热方向时,除常规双曲模式以外,双曲型等离子极化激元也可被激发.随着薄膜厚度的减小,非共振双曲模式的贡献减小,但双曲型等离子极化激元可与更高波矢的电磁波耦合,从而导致总的辐射换热通量超过块体石墨.对于块体石墨,当真空间距小于170 nm时,光轴平行于换热方向的结构具有更大的辐射换热通量;而随着石墨厚度减小至数十纳米时,光轴垂直于换热方向的构造可能支持更高效的辐射换热能力.

近场热光伏和热辐射电池系统中熵的应用

近场辐射换热能够极大地提高热光伏和热辐射电池系统的输出电功率,因此研究近场热光伏和热辐射电池系统的转换效率具有重要意义。本文通过计算近场效应影响下的辐射热流和熵流,给出了近场热光伏和热辐射电池系统的最大理论转换效率,并与实际转换效率对比。结果发现在近场热光伏和热辐射电池系统中,纳米线、纳米孔两种微结构和双曲线材料相比平板和电介质,不仅有更强的辐射热流,而且有更高的理论效率。但是在实际过程中,由于近场热光伏和热辐射电池系统中光谱辐射热流的峰值频率小于电池能带间隙所对应的频率,所以其实际效率低于最大理论效率。本工作为近场热光伏和热辐射电池系统的转换效率提供了一个理论极限。