熱輻射を対象としたトポロジー最適化

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K13736
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 泉井 一浩 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90314228)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西脇 眞二 京都大学, 工学研究科, 教授 (10346041) ; 山田 崇恭 京都大学, 工学研究科, 助教 (30598222) ; 鈴木 基史 京都大学, 工学研究科, 教授 (00346040)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 熱輻射 / 最適設計 / トポロジー最適化

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，高温の物体から発せられる熱エネルギーのスペクトルを自在に制御することで，熱エネルギーの有効活用を目指して，熱物体の表面形状の最適設計法の開発を行っている．太陽電池は特定の限られた波長の電磁波エネルギーのみを有効に電力に変換でき，それ以外波長の効率は高くないということが知られている．そこで，太陽電池の特性に応じたスペクトルの熱輻射デバイスを構築することができれば，非常に高効率なエネルギー変換デバイスを開発することができる．本年度は，前年度に開発した最適化問題の定式化法に基づいて，トポロジー最適化の実装を行った．ポインティング・ベクトルに基づいた目的関数を用い，随伴変数法に基づいた感度解析法の開発を行った．特定のスペクトルについての熱輻射の最大化を，外部から入射された電磁波の吸収率最大化として定式化した．特に，特定のスペクトルのみの熱輻射の最大化を行うため，望ましい波長に対しては吸収率の最大化，望ましくない波長については吸収率の最小化を行い，それぞれの波長についての目的関数を足し合わせた多目的最適化問題として定式化する方法について検討を進めた．さらに，熱輻射デバイスを開発するため，さらに導出された解の検討を進め，よりよい定式化法について検討を進めた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

トポロジー最適化の数理的検討を更に進め，実装が行えている．さらに導出された波長選択構造の物理的な意味について，検討を進めることができた．

Strategy for Future Research Activity

引き続きマルチマテリアル化への展開を考え，目的関数等のよりよい定式化法について改良を進める．

Causes of Carryover

当初簡単な計算機の購入を予定していたが，簡易なモデルにおいて，最適化問題の定式化の検討を優先的に進めることが重要で，その結果に応じて適切な計算機を選定することが必要と判断した．