دانلود پایان نامه

شد. درنتیجه شار انرژی تشعشعی وارد بر سطح زمین، از ۲ بخش تشعشع خورشید و تشعشع آسمان تشکیل شده است(شکل ۱-۲). در این شکل شار تشعشعی برحسب GW/m3 (شار انرژی بر واحد سطح در بازهی طول موج ۱ میکرومتر معادل ۱۰۰۰ W/m2) و MW/m3 (شار انرژی بر واحد سطح در بازهی طول موج ۱ میکرومتر معادل ۱ W/m2) آورده شده است. حدود ۹۵ درصد تشعشع خورشید در بازه ۰.۳-۲.۴ ?m وارد میشود در صورتیکه، تشعشع آسمان عمدتا در بازه ۴-۸۵ ?m و کاملا در محدوده مادون قرمز قرار میگیرد. در صورتیکه رطوبت خیلی زیاد نباشد، در بازه ۸-۱۳ ?m تشعشع آسمان بسیار کم است. در سایر طول موجها تشعشع آسمان تقریبا بر یک توزیع پلانک در دمایی در حدود ۳۰۰ کلوین منطبق است. به بازه ۸-۱۳ ?m پنجره اتمسفری۵ گفته میشود. در این بازه اتمسفر به صورت یک چاه حرارتی عمل میکند و تشعشع گسیل شده از اجسام واقع در سطح زمین با تشعشع ورودی جو بالانس نمیشود. این واقعیت مبنای خنککاری تشعشعی است. به این ترتیب خنککاری، بدون مصرف انرژی امکان پذیر خواهد بود[۴]. این روش در نگهداری مواد غذایی و دارویی، تهیه آب خنک، خنککاری ساختمانها[۵و۶و۷] و چگالش رطوبت هوا[۸و۹و۱۰] کاربرد دارد.

شکل ‏۱-۲- تشعشع خورشید (سمت چپ) و تشعشع آسمان و مقایسه آن با توزیع پلانک ۲۸۸.۱ K (سمت راست) [۱۱]
در صورتیکه یک جسم سیاه در طول شب در هوای آزاد قرار گیرد، بیشترین توان خنککاری قابل دسترسی خواهد بود. ولی به دلیل تبادل حرارت جابهجایی با هوا امکان خنککاری بیشتر از ۱۰-۲۰ ?C امکان پذیر نیست[۱۲]. با استفاده از یک پوشش جابهجایی۶، با کاهش ضریب انتقال حرارت جابهجایی در حالت ایدهآل میتوان به دمایی حدود ۳۰-۴۰ ?C پایینتر از محیط رسید. ولی خواص تشعشعی طیفی متفاوت پوشش نسبت به هوا باعث کاهش توان خنککاری میشود. ضریب عبور یک پوشش ایدهآل باید در بازه ۸-۱۳ ?m برابر با ۱ و در سایر طول موجها برابر با صفر باشد. در طول روز شار تشعشعی قابل ملاحظهای در محدوده ۰.۳-۲.۴ ?mبر سطح زمین وارد میشود، که خنککاری را بسیار سخت میکند. بنابراین یک پوشش ایدهآل برای خنککاری در روز علاوه بر شرایط قبلی باید ضریب بازتاب بسیار بالایی در محدوده تشعشع خورشید داشته باشد.
هدف بخش عمده فعالیتهای ۳ دهه اخیر، دستیابی به یک پوشش مناسب برای خنککاری تحت نور مستقیم خورشید بوده است، ولی این مسئله همچنان به صورت یک چالش باقی مانده است.
۱-۳ آینههای حرارتی
منظور از آینه حرارتی پوششی است که به نور مرئی اجازه عبور میدهد در حالیکه، از انتقال حرارت تشعشعی در محدوده مادون قرمز جلوگیری میکند. در نتیجه با استفاده از چنین پوششی علاوه بر تأمین نور مورد نیاز برای روشنایی ساختمان، از اتلاف انرژی به صورت تشعشعی جلوگیری خواهد شد. علاوه بر این چنین پوششهایی در بالا بردن جذب انرژی در سلولهای خورشیدی و کلکتورهای خورشیدی کاربرد خواهند داشت. ضریب عبور در محدوده نور مرئی ( ۰.۴-۰.۷ ?m) و ضریب بازتاب در محدوده مادون قرمز (طول موجهای بالاتر از ۰.۷ ?m) برای یک آینه حرارتی ایدهآل، برابر با یک است[۴و۱۳].
۱-۴ تعریف مسئله
در پژوهش حاضر خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه با تغییر دادن جنس لایهها، ترتیب چینش لایهها، ضخامت لایهها و تعداد لایهها بهینهسازی میشود. بهینه سازی با توجه به مسائل کاربردی و در یک یا چند بازه طول موج انجام خواهد شد.
در پروژه حاضر ساختارهای بهینه جهت کاربرد در خنککاری تشعشعی و آینههای حرارتی معرفی خواهد شد. همچنین ساختارهای لایه نازک با ضرایب جذب، بازتاب و عبور ماکزیمم در محدوده تشعشع خورشید معرفی خواهد شد. چنین ساختارهایی میتوانند در کلکتورهای خورشیدی، سلولهای خورشیدی و آبگرمکنهای خورشیدی کاربرد داشته باشند.
۱-۵ اهداف پژوهش
اهداف این مطالعه عبارتند از:
۱- محاسبه خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه نازک
۲- معرفی پوششهای لایه نازک بهینه برای کاربردهای متنوع با در نظر گرفتن محدوده وسیعی از مواد مختلف
۳- ارائهی یک بررسی تئوری جامع در مورد خنککاری تشعشعی و استفاده از پوششهای لایه نازک به عنوان پوشش جابهجایی۷
۴- معرفی پوششهای بهینه جهت خنککاری تشعشعی در روز و شب
۵- معرفی ساختارهای بهینه جهت کاربرد به عنوان آینه حرارتی
۱-۶ روش انجام پژوهش
در این پروژه بهینه سازی با استفاده از دو روش الگوریتم ژنتیک۸ و عملیات حرارتی شبیهسازی شده۹ انجام خواهد شد. خواص تشعشعی ساختارهای چند لایه نازک با استفاده از روشهای الکترومغناطیسی محاسبه میشود.
پس از نوشتن کد محاسباتی و وارد کردن ضرایب شکست و استهلاک۱۰ مواد مختلف مدل محاسبه خواص یک ساختار چند لایه نازک تهیه میشود. سپس با تعریف یک تابع هدف بر اساس فیزیک مسئله، بهینهسازی به کمک ۲ روش یاد شده انجام میشود.
در فصل دوم برخی از پژوهشهای قبلی انجام شده، مرور میشود. در این فصل مهمترین پژوهشهای تجربی و تئوری انجامشده در زمینه خنککاری تشعشعی و آینههای حرارتی شرح داده میشود. در فصل سوم نحوه محاسبه خواص تشعشعی برای یک ساختار چندلایه مورد بحث قرار میگیرد. مدلسازی فیزیکی مسائل به همراه روش بهینهسازی در فصل چهارم مورد مورد بحث قرار میگیرد و تابع هدف برای هر مسئله معرفی میشود. نتایج بهینهسازی به همراه کلیه پوششهای بهینه در فصل پنجم آورده شده است. در فصل ششم نتیجهگیری و جمعبندی نهایی نتایج همراه با ارائه پیشنهادهایی ارائه شده است.

۲- فصل دوم
فصل دوم: مروری بر کارهای انجام شده
در این فصل پژوهشهای تجربی و تئوری انجام شده در مورد کاربرد لایههای نازک و ساختارهای چندلایه به عنوان پوششهای انتخابگر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. همچنین سایر پژوهشهای انجام شده در زمینه خنککاری تشعشعی و آینههای حرارتی مرور خواهد شد.
۲-۱ کارهای انجام شده قبلی
فو (Fu) و همکاران [۱۴] خواص تشعشعی ساختارهای چند لایهای را برای لایه های نازک با ضریب شکست مثبت و منفی، مقایسه کرد. وی یک ساختار متشکل از چهارلایه را در نظر گرفت. لایههای اول و چهارم را محیط نیمه بی نهایت با مواد دی الکتریک یکسان و ضریب شکست مساوی در نظر گرفت. لایه های میانی را یکی از خلا و دیگری را با ضریب شکست منفی در نظر گرفت. ضخامت لایههای میانی را ۸/۰ سانتی متر انتخاب کرد. نتایج وی نشان دادند که، انتخاب لایه با ضریب شکست منفی، منجر به ضریب عبور بسیار بزرگی برای ساختار چند لایهای می شود.
راویندرا (Ravindra) و همکاران [۱۵] اثر زاویه تابش پرتو ورودی به لایه سیلیکون ضخیم به ضخامت ۷۰۰ میکرو متر در طول موج های ۹/۰ میکرومتر و ۷/۲ میکرومتر را بررسی کرد. وی از روش غیر همدوس برای سیلیکون ضخیم استفاده کرد. نتایج وی نشان داد، تغییر در ضریب صدور با زاویه تابش از زاویه صفر تا ? ۷۰ خیلی ناچیز است. ولی ضریب صدور برای زاویه تابش بزرگتر از ? ۷۰، به سرعت تغییر می کند. وی این نتایج را برای دماهای ?C 30، ?C 500 و ?C 1000 بدست آورد. همچنین او نشان داد، در دماهای بالا، ضریب صدور سیلیکون به مقدار ذاتی آن یعنی ۷/۰ می رسد و در محدوده طول موج ۱ میکرومتر تا ۲۰ میکرومتر، مستقل از طول موج می باشد. همچنین نتایج او نشان دادند ضریب عبور در طول موجهای کوتاهتر، حوالی لبه جذب سیلیکون، ناچیز است و نیز ضریب عبور در دماهای بالا، قابل چشمپوشی است.
راویندرا اثر زاویه پرتو ورودی در حالت زیر لایه سیلیکون ضخیم پوشیده شده با دی اکسید سیلیکون را نیز بررسی کرد. ضخامت زیر لایه سیلیکون ۷۰۰ میکرومتر و ضخامت پوشش دی اکسید سیلیکون برابر با ۰۰۱/۰ میکرومتر، ۰۱/۰ میکرومتر و ۱/۰ میکرومتر در نظر گرفته شد. وی نتایج مدلسازی خود را در دماهای ?C 30، ?C 500 و ?C 900 ارائه داد.
لی (Lee) و همکاران [۱۶] خواص تشعشعی ساختار های چند لایهای شامل سیلیکون و پوشش دی اکسید سیلیکون، در محدوده طول موج ۱تا ۵ میکرو متر را بررسی کرد. در این کار سیلیکون آلاییده کم۱۱ استفاده شد و اثر پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی یک سمت و یا هر دو سمت بررسی شد. زیر لایه سیلیکون با ضخامت ۷/۰ میلیمتر و پوشش دی اکسید سیلیکون با ضخامت ۳۰۰ نانو متر در نظر گرفته شد. وی جهت مدل سازی خواص تشعشعی به علت ضخیم بودن زیر لایه سیلیکون از روش غیر همدوس۱۲ استفاده کرد. وی نتایج شبیه سازی خود را برای دماهای?C 25 و ?C 500 ارائه داد. وی به کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر۱۳ ضریب بازتاب چند نمونه از سیلیکون پوشش داده شده با دی اکسید سیلیکون در دمای اتاق را بدست آورد و با نتایج مدل سازی به روش غیر همدوس مقایسه کرد که از تطابق خوبی برخوردار بود.
لی(Lee) و همکاران [۱۷] خواص تشعشعی لایه های نیمه شفاف را شبیه سازی کرد. وی از روش رد یابی پرتو ها۱۴ جهت شبیه سازی خواص تشعشعی استفاده کرد. وی نتنایج خود را در محدوده طول موج ۵/۰ میکرو متر تا ۵/۴ میکرومتر ارائه داد. نتایج وی نشان داد پوشش دی اکسید سیلیکون منجر به کاهش شدید ضریب بازتاب می شود. نتایج لی، در محدوده ی دمای اتاق تا دمای ?C 500 و برای سیلیکون ضخیم به ضخامت ۶۲۵ میکرومتر با پوشش دی اکسید سیلیکون به ضخامت ۳۰۰ نانومتر بررسی شد.
بونک (Bohnke) و همکاران [۱۸] سطوح با ضریب بازتاب بالا و همچنین ضریب صدور بالا را بررسی کرد. وی از پوشش های آلومینیم و دی اکسید سیلیکون استفاده نمود. او نشان داد، پوشش آلومینیم منجر به حصول ضریب بازتاب بالا و پوشش دی اکسید سیلیکون منجر به ضریب صدور بالا می شود. نتایج وی نشان دادند اگر یک لایه دی اکسید سیلیکون بر روی یک لایه آلومینیم پوشش داده شود، ضریب بازتاب کمتری نسبت به حالت پوشش با یک لایه آلومینیم، بدست می آید. اگرچه پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی لایه آلومینیم منجر به کاهش ضریب بازتاب گشت، ولی این ساختار منجر به یک سطح صادر کننده، جهت تقویت تشعشع حرارتی شد.
وی به روش رسوب بخار شیمیایی، عمل لایه نشانی را انجام داد و سپس به کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر، ضرایب بازتاب و عبور را بدست آورد. او نتیجه گرفت، استفاده از پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی پوشش آلومینیم ساختار مناسبی جهت حصول بازتاب مناسب، توام با صدور سطحی کافی می باشد، که میتوان از این ساختار در کاربردهای فضایی، جهت کنترل دما استفاده کرد.
لی (Lee) و همکاران [۱۹] در سال ۲۰۰۵ یک برنامه به زبان VBA نوشت که خواص ساختارهای متفاوت پر کاربرد در فرآیند RTP را محاسبه میکند.
علومی [۳] اثر تغییر پارامترهای مختلف ازجمله زاویه برخورد، پلاریزاسیون، دما، جنس، ضخامت و ترتیب چینش لایهها را بر خواص تشعشعی ساختارهای چند لایه برای چندین چینش گوناگون محاسبه کرد. وی همچنین ساختار بهینه را برای ۹ لایه شامل یک بستر

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید