فهرست مطالبعنوان صفحهفهرست مطالبششفهرست اشکالهشتفهرست جداولشانزدهفهرست علائم و نمادهاهجدهچکيده1فصل اول: مقدمه21-1 پيشگفتار21-2 خنک کاري تشعشعي41-3 آينه هاي حرارتي51-4 تعريف مسئله51-5 اهداف پژوهش61-6 روش انجام پژوهش6فصل دوم: مروري بر کارهاي انجام شده72-1 کارهاي انجام شده قبلي7فصل سوم: محاسبه خواص تشعشعي لايه هاي نازک243-1 ضريب شکست و بردار موج مختلط243-2 پولاريزاسيون sو p253-3 محاسبه خواص تشعشعي سطح مشترک دو محيط253-4 محاسبه خواص تشعشعي يک لايه ضخيم273-5 محاسبه خواص تشعشعي يک لايه نازک293-6 محاسبه خواص تشعشعي يک ساختار چند لايه313-6-1 پلاريزاسيون s313-6-2 پلاريزاسيون p333-7 محاسبه خواص تشعشعي يک ساختار چند لايه شامل يک لايه ضخيم34فصل چهارم: مدلسازي و روش بهينه سازي374-1 خنک کاري تشعشعي374-2 آينه هاي حرارتي424-3 ضريب جذب ماکزيمم در محدوده تشعشع خورشيد434-4 ضريب عبور ماکزيمم در محدوده تشعشع خورشيد434-5 ضريب بازتاب ماکزيمم در محدوده تشعشع خورشيد444-6 روش بهينه سازي444-6-1 الگوريتم ژنتيک444-6-2 روش عمليات حرارتي شبيه سازي شده46فصل پنجم: ارائه و تحليل نتايج495-1 اعتبارسنجي محاسبات495-2 خنک کاري تشعشعي535-2-1 خنک کاري در طول روز535-2-2 خنک کاري در شب685-2-3 خنک کاري با استفاده از مواد با قابليت انحلال در آب765-3 آينه هاي حرارتي815-3-1 لايه ضخيم SiO2825-3-2 لايه ضخيم BaTiO3885-4 ضريب جذب ماکزيمم در محدوده تشعشعي خورشيد975-4-1 ضريب جذب ماکزيمم سلولهاي خورشيدي لايه نازک1015-5 ضريب بازتاب ماکزيمم در محدوده تشعشعي خورشيد1035-6 ضريب عبور ماکزيمم در محدوده تشعشعي خورشيد104فصل ششم: نتيجه گيري و پيشنهاد1056-1 نتيجه گيري1056-2 پيشنهاد براي پژوهش هاي آتي106پيوست 1: نحوه محاسبه خواص تشعشعي به کمک نظريه الکتروديناميک ........................................................................108پ1-1معادلات مکسول............................................................................................................................................108پ1-2معادله موج.............. ......................................................................................................................................110پ1-2-1 فرض هدايت الکتريکي صفر... ......................................................................................................................110پ1-2-2 فرض هدايت الکتريکي غير صفر............ .......................................................................................................113پ1-3بردار پويينتينگ..............................................................................................................................................114پ1-4محاسبه خواص تشعشعي سطح مشترک دو محيط................... ........................................................................117پ1-4-1 پلاريزاسيون s......... ......................................................................................................................................117پ1-4-2 پلاريزاسيون p......... ......................................................................................................................................120پ1-5محاسبه خواص تشعشعي يک ساختار چند لايه....... .......................................................................................123پ1-5-1 پلاريزاسيون s......... ......................................................................................................................................123پ1-5-2 پلاريزاسيون p...............................................................................................................................................127پيوست 2: نمودارهاي خواص تشعشعي ساختارهاي بهينه130پ2-1-نمودارهاي ساختارهاي بهينه خنک کاري در روز130پ2-2-نمودارهاي ساختارهاي بهينه خنک کاري در شب144پ2-3-نمودارهاي ساختارهاي بهينه آينه حرارتي150پ2-4-نمودارهاي ساختارهاي بهينه با ضريب جذب بالا156مراجع162 فهرست اشکالعنوانصفحهشکل 1‑1- يک ساختار چندلايه3شکل 1‑2- تشعشع خورشيد (سمت چپ) و تشعشع آسمان و مقايسه آن با توزيع پلانک 288.1 K (سمت راست)4شکل2‑1– ضريب بازتاب اندازه گيري شده ساختار SiO/Al/Glassبراي ضخامت 0.8 μm، (خط چين پايين) 1 μm (خط پر رنگ) و 1.2 μm (خط چين پايين) از لايه SiO10شکل 2‑2 – ضريب بازتاب ساختار Si3N4/Al/Glass11شکل 2‑3- نمودار و برحسب ضخامت slabبراي گازهاي NH3، C2H4و C2H4O11شکل 2‑4- نمودار و برحسب درصد C2H4Oدر C2H4براي مخلوطي از اين دو گاز براي سه ضخامت مختلف12شکل2‑5 – ضريب بازتاب ساختار SiO0.6N0.2/Al/Glass و بهينه سازي بر اساس ضخامت13شکل 2‑6- نمودار و را برحسب ضخامت لايه هاي SiO2و SiO0.25N1.52در ساختار SiO2/SiO0.25N1.52/Al/Glass13شکل2‑7 – ضريب بازتاب ساختار SiO2/SiO0.25N1.52/Al/Glass14شکل2‑8 – ضرايب بازتاب (R) ، عبور (T) و جذب (A) CdTe/Siاندازه گيري شده توسط بن لتار و همکاران16شکل2‑9 – ضرايب بازتاب (R) ، عبور (T) و جذب (A) CdSاندازه گيري شده توسط بن لتار و همکاران17شکل2‑10 – ضرايب بازتاب (R) ، عبور (T) و جذب (A) اندازه گيري شده براي ترکيب شيشه (3 mm) ، فولاد زنگ نزن (45 nm) و قلع (195 nm) توسط مهيب و همکاران18شکل 2‑11 – نمودار دماي محيط (Tamb) و مينيمم دماي ثبت شده (Trad) در طول ساعات روز توسط مهيب و همکاران 19شکل2‑12 – پوشش نوساني دوبعدي22شکل 2‑13 - پوشش نوساني سه بعدي23شکل 3‑1-کسر انرژي بازتابيده و عبور کرده از يک لايه ضخيم29شکل 3‑2- کسر انرژي بازتابيده و عبور کرده از يک لايه نازک با درنظر گرفتن تغيير فاز موج30شکل 3‑3- يک ساختار متشکل از N-2لايه نازک32شکل 3‑4- يک ساختار متشکل از N-2لايه نازک35شکل3‑5– فلوچارت محاسبه خواص تشعشعي در يک طول موج مشخص36شکل 4‑1- محفظه خنک کاري ، پوشش جابه جايي و منطقه خنک کاري38شکل 4‑2- تابش يک پرتو با شدت واحد از پوشش به سمت پايين39شکل 4‑3- تابش يک پرتو با شدت واحد از منطقه خنک کاري به سمت بالا39شکل 4‑4- شار طيفي خورشيد41شکل 4‑5- شار طيفي جو41شکل 4‑6 – فلوچارت الگوريتم ژنتيک45شکل 4‑7- فلوچارت روش عمليات حررتي شبيه سازي شده47شکل 5‑1- ضريب عبور و بازتاب يک لايه Al2O3به ضخامت 3 ميليمتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [54]50شکل 5‑2- ضريب عبور و بازتاب يک لايه CaF2به ضخامت 5 ميليمتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [54]50شکل 5‑3- ضريب عبور يک لايه پلي اتيلن به ضخامت 50 ميکرومتر و يک لايه پلي اتيلن با پوشش 120 نانومتر Teو مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [26]50شکل 5‑4- ضريب عبور و بازتاب يک لايه KBrبه ضخامت 5 ميليمتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [54]51شکل 5‑5- ضريب عبور و بازتاب يک لايه LiFبه ضخامت 5 ميليمتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [54]51شکل 5‑6- ضريب عبور و بازتاب يک لايه NaFبه ضخامت 6/1 ميليمتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [54]51شکل 5‑7- ضريب عبور يک لايه پلي اتيلن به ضخامت 50 ميکرومتر پوشش داده شده با لايه نازک PbSe به ضخامت 210 نانومتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [28]52شکل 5‑8- ضريب عبور يک لايه پلي اتيلن به ضخامت 420 ميکرومتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [23]52شکل 5‑9- ضريب عبور و بازتاب يک لايه SrTiO3به ضخامت 1/3 ميليمتر و مقايسه با مقادير اندازه گيري شده در مرجع [54]52شکل 5‑10- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط CPدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S1157شکل 5‑11- خواص تشعشعي ساختار S11در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال58شکل 5‑12- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S11در محدوده تشعشع خورشيد58شکل 5‑13- خواص تشعشعي ساختار S11در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال58شکل 5‑14- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S11در محدوده مادون قرمز59شکل 5‑15- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري CPدر هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S1259شکل 5‑16- خواص تشعشعي ساختار S12در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال59شکل 5‑17- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S12در محدوده تشعشع خورشيد60شکل 5‑18- خواص تشعشعي ساختار S12در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال60شکل 5‑19- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S12در محدوده مادون قرمز60شکل 5‑20- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري CPدر هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S1361شکل 5‑21- خواص تشعشعي ساختار S13در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال61شکل 5‑22- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S13در محدوده تشعشع خورشيد62شکل 5‑23- خواص تشعشعي ساختار S13در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال62شکل 5‑24- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S13در محدوده مادون قرمز62شکل 5‑25- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط CPدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S1463شکل 5‑26- خواص تشعشعي ساختار S14در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال63شکل 5‑27- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S14در محدوده تشعشع خورشيد63شکل 5‑28- خواص تشعشعي ساختار S14در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال64شکل 5‑29- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S14در محدوده مادون قرمز64شکل 5‑30- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط CPدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S1564شکل 5‑31- خواص تشعشعي ساختار S15در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال65شکل 5‑32- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S15در محدوده تشعشع خورشيد65شکل 5‑33- خواص تشعشعي ساختار S15در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال65شکل 5‑34- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S15در محدوده مادون قرمز66شکل 5‑35- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري CPدر هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S1871شکل 5‑36- خواص تشعشعي ساختار S18در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال71شکل 5‑37- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S18در محدوده مادون قرمز71شکل 5‑38- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط CPدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S2172شکل 5‑39- خواص تشعشعي ساختار S21در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال72شکل 5‑40- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S21در محدوده مادون قرمز73شکل 5‑41- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري CPدر هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S2573شکل 5‑42- خواص تشعشعي ساختار S25در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال74شکل 5‑43- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S25در محدوده مادون قرمز74شکل 5‑44- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط CPدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به يک لايهي KBr76شکل 5‑45- نمودار تغييرات CPبر حسب ضخامت CaF2و پلي اتيلن در دو طرف KBr775‑46- نمودار تغييرات CPبر حسب ضخامت CaF2و پلي اتيلن در دو طرف NaF78شکل 5‑47- خواص تشعشعي ساختار S28در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال78شکل 5‑48- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S28در محدوده مادون قرمز79شکل 5‑49- خواص تشعشعي ساختار S29در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال79شکل 5‑50- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S29در محدوده مادون قرمز79شکل 5‑51- خواص تشعشعي ساختار S30در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال80شکل 5‑52- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S30در محدوده مادون قرمز80شکل 5‑53- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري تابع هدف در هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S3283شکل 5‑54- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S32در ناحيه نور مرئي84شکل 5‑55- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S32در بازه 0.7-2.4 μm84شکل 5‑56- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S32در بازه 4-85 μm84شکل 5‑57- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط تابع هدف در هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S3485شکل 5‑58- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S34در ناحيه نور مرئي85شکل 5‑59- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S34در بازه 0.7-2.4 μm86شکل 5‑60- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S34در بازه 4-85 μm86شکل 5‑61- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط تابع هدف در هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S3587شکل 5‑62- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S35در ناحيه نور مرئي87شکل 5‑63- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S35در بازه 0.7-2.4 μm87شکل 5‑64- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S35در بازه 4-85 μm88شکل 5‑65- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط تابع هدف در هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S3789شکل 5‑66- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S37در ناحيه نور مرئي90شکل 5‑67- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S37در بازه 0.7-2.4 μm90شکل 5‑68- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S37در بازه 4-85 μm90شکل 5‑69- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري تابع هدف در هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S4091شکل 5‑70- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S40در ناحيه نور مرئي91شکل 5‑71- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S40در بازه 0.7-2.4 μm92شکل 5‑72- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S40در بازه 4-85 μm92شکل 5‑73- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط تابع هدف در هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S4292شکل 5‑74- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S42در ناحيه نور مرئي93شکل 5‑75- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S42در بازه 0.7-2.4 μm93شکل 5‑76- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S42در بازه 4-85 μm94شکل 5‑77- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري تابع هدف در هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S4394شکل 5‑78- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S43در ناحيه نور مرئي95شکل 5‑79- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S43در بازه 0.7-2.4 μm95شکل 5‑80- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S43در بازه 4-85 μm95شکل 5‑81- ضريب عبور نرمال و نيمکروي يک لايه 5 ميليمتري از BaTiO3در ناحيه نور مرئي96شکل 5‑82- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي يک لايه 5 ميليمتري از BaTiO3در بازه 0.7-2.4 μm96شکل 5‑83- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي يک لايه 5 ميليمتري از BaTiO3در بازه 4-85 μm97شکل 5‑84- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط -Asolدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S44100شکل 5‑85- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S44در محدوده تشعشع خورشبد100شکل 5‑86- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري -Asolدر هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) منجر به ساختار S51101یازدهشکل 5‑87- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S51در محدوده تشعشع خورشبد101شکل 5‑88- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط -Asolدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) براي محاسبه ضخامت هاي بهينه سلول خورشيدي لايه نازک GaAs/Si102شکل 5‑89- نمودار بهترين مقدار و مقدار جاري -Asolدر هر تکرار (الگوريتم عمليات حرارتي شبيه سازي شده) براي محاسبه ضخامت هاي بهينه سلول خورشيدي لايه نازک CdTe/Ge102شکل 5‑90- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط -Rsolدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S64103شکل 5‑91- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي پوشش S64در محدوده تشعشع خورشبد103شکل 5‑92- نمودار بهترين مقدار و مقدار متوسط -Tsolدر هر نسل (الگوريتم ژنتيک) منجر به ساختار S65104شکل 5‑93- ضريب عبور نرمال و نيمکروي پوشش S65در محدوده تشعشع خورشبد104شکل پ1‑1-برخورد يک پرتو با پلاريزاسيون sبه يک سطح116شکلپ1-2 -برخورد يک پرتو با پلاريزاسيون pبه يک سطح119شکل پ1‑3- يک ساختار متشکل از N-2لايه نازک123شکل پ2‑1- خواص تشعشعي ساختار S1در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال130شکل پ2‑2- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S1در محدوده تشعشع خورشيد131شکل پ2‑3- خواص تشعشعي ساختار S1در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال131شکل پ2‑4- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S1در محدوده مادون قرمز131شکل پ2‑5- خواص تشعشعي ساختار S2در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال132شکل پ2‑6- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S2در محدوده تشعشع خورشيد132شکل پ2‑7- خواص تشعشعي ساختار S2در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال132شکل پ2‑8- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S2در محدوده مادون قرمز133شکل پ2‑9- خواص تشعشعي ساختار S3در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال133شکل پ2‑10- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S3در محدوده تشعشع خورشيد133شکل پ2‑11- خواص تشعشعي ساختار S3در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال134شکل پ2‑12- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S3در محدوده مادون قرمز134شکل پ2‑13- خواص تشعشعي ساختار S4در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال134شکل پ2‑14- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S4در محدوده تشعشع خورشيد135شکل پ2‑15- خواص تشعشعي ساختار S4در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال135شکل پ2‑16- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S4در محدوده مادون قرمز135شکل پ2‑17- خواص تشعشعي ساختار S5در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال136شکل پ2‑18- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S5در محدوده تشعشع خورشيد136شکل پ2‑19- خواص تشعشعي ساختار S5در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال136شکل پ2‑20- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S5در محدوده مادون قرمز137شکل پ2‑21- خواص تشعشعي ساختار S6در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال137شکل پ2‑22- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S6در محدوده تشعشع خورشيد137دوازدهشکل پ2‑23- خواص تشعشعي ساختار S6در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال138شکل پ2‑24- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S6در محدوده مادون قرمز138شکل پ2‑25- خواص تشعشعي ساختار S7در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال138شکل پ2‑26- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S7در محدوده تشعشع خورشيد139شکل پ2‑27- خواص تشعشعي ساختار S7در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال139شکل پ2‑28- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S7در محدوده مادون قرمز139شکل پ2‑29- خواص تشعشعي ساختار S8در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال140شکل پ2‑30- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S8در محدوده تشعشع خورشيد140شکل پ2‑31- خواص تشعشعي ساختار S8در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال140شکل پ2‑32- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S8در محدوده مادون قرمز141شکل پ2‑33- خواص تشعشعي ساختار S9در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال141شکل پ2‑34- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S9در محدوده تشعشع خورشيد141شکل پ2‑35- خواص تشعشعي ساختار S9در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال142شکل پ2‑36- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S9در محدوده مادون قرمز142شکل پ2‑37- خواص تشعشعي ساختار S10در محدوده تشعشع خورشيد، در جهت نرمال142شکل پ2‑38- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S10در محدوده تشعشع خورشيد143شکل پ2‑39- خواص تشعشعي ساختار S10در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال143شکل پ2‑40- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S10در محدوده مادون قرمز143شکل پ2‑41- خواص تشعشعي ساختار S16در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال144شکل پ2‑42- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S16در محدوده مادون قرمز144شکل پ2‑43- خواص تشعشعي ساختار S17در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال144شکل پ2‑44- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S17در محدوده مادون قرمز145شکل پ2‑45- خواص تشعشعي ساختار S19در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال145شکل پ2‑46- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S19در محدوده مادون قرمز145شکل پ2‑47- خواص تشعشعي ساختار S20در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال146شکل پ2‑48- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S20در محدوده مادون قرمز146شکل پ2‑49- خواص تشعشعي ساختار S22در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال146شکل پ2‑50- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S22در محدوده مادون قرمز147شکل پ2‑51- خواص تشعشعي ساختار S23در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال147شکل پ2‑52- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S23در محدوده مادون قرمز147شکل پ2‑53- خواص تشعشعي ساختار S24در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال148شکل پ2‑54- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S24در محدوده مادون قرمز148شکل پ2‑55- خواص تشعشعي ساختار S26در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال148شکل پ2‑56- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S26در محدوده مادون قرمز149شکل پ2‑57- خواص تشعشعي ساختار S27در محدوده مادون قرمز، در جهت نرمال149شکل پ2‑58- خواص تشعشعي نيمکروي ساختار S27در محدوده مادون قرمز149شکل پ2‑59- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S31در ناحيه نور مرئي150شکل پ2‑60- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S31در بازه 0.7-2.4 μm150شکل پ2‑61- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S31در بازه 4-85 μm150شکل پ2‑62- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S33در ناحيه نور مرئي151شکل پ2‑63- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S33در بازه 0.7-2.4 μm151شکل پ2‑64- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S33در بازه 4-85 μm151شکل پ2‑65- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S36در ناحيه نور مرئي152شکل پ2‑66- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S36در بازه 0.7-2.4 μm152شکل پ2‑67- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S36در بازه 4-85 μm152شکل پ2‑68- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S38در ناحيه نور مرئي153شکل پ2‑69- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S38در بازه 0.7-2.4 μm153شکل پ2‑70- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S38در بازه 4-85 μm153شکل پ2‑71- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S39در ناحيه نور مرئي154شکل پ2‑72- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S39در بازه 0.7-2.4 μm154شکل پ2‑73- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S39در بازه 4-85 μm154شکل پ2‑74- ضريب عبور نرمال و نيمکروي S41در ناحيه نور مرئي155شکل پ2‑75- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S41در بازه 0.7-2.4 μm155شکل پ2‑76- ضريب بازتاب نرمال و نيمکروي S41در بازه 4-85 μm155شکل پ2‑77- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S45در محدوده تشعشع خورشبد156شکل پ2‑78- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S46در محدوده تشعشع خورشبد156شکل پ2‑79- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S47در محدوده تشعشع خورشبد156شکل پ2‑80- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S48در محدوده تشعشع خورشبد157شکل پ2‑81- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S49در محدوده تشعشع خورشبد157شکل پ2‑82- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S50در محدوده تشعشع خورشبد157شکل پ2‑83- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S52در محدوده تشعشع خورشبد158شکل پ2‑84- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S53در محدوده تشعشع خورشبد158شکل پ2‑85- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S54در محدوده تشعشع خورشبد158شکل پ2‑86- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S55در محدوده تشعشع خورشبد159شکل پ2‑87- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S56در محدوده تشعشع خورشبد159شکل پ2‑88- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S57در محدوده تشعشع خورشبد159شکل پ2‑89- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S58در محدوده تشعشع خورشبد160شکل پ2‑90- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S59در محدوده تشعشع خورشبد160شکل پ2‑91- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S60در محدوده تشعشع خورشبد160شکل پ2‑92- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S61در محدوده تشعشع خورشبد161شکل پ2‑93- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S62در محدوده تشعشع خورشبد161شکل پ2‑94- ضريب جذب نرمال و نيمکروي پوشش S63در محدوده تشعشع خورشبد161 فهرست جداولعنوانصفحهجدول 2‑1- مقادير ، ، Pو ΔT براي سه ساختار15جدول 2‑2- خواص تشعشعي اندازه گيري شده يک فويل پلي اتيلن به ضخامت 50 μm با استفاده از پوشش ها و رنگدانه هاي مختلف توسط دابسون و همکاران16جدول 2‑3- خواص تشعشعي متوسط يک لايه نازک CdTe به ضخامت 9.7 μm روي لايه 1 ميليمتري سيليکون ، اندازه گيري شده توسط بن لتار و همکاران17جدول 2‑4- خواص تشعشعي متوسط يک لايه نازک CdS به ضخامت 1 mm ، اندازه گيري شده توسط بن لتار و همکاران18جدول 2‑5- خواص تشعشعي متوسط ساختار شيشه ، فولاد زنگ نزن و قلع ، اندازه گيري شده توسط مهيب و همکاران18جدول 2‑6- خواص تشعشعي متوسط ساختار WO3/Au/WO3 اندازه گيري شده توسط الکهيلي و همکاران21جدول 5‑1- پوشش هاي بهينه خنک کاري در روز54جدول5‑2- خواص تشعشعي پوشش هاي بهينه خنک کاري در روز در جهت نرمال54جدول 5‑3- خواص تشعشعي نيمکروي پوشش هاي بهينه خنک کاري در روز55جدول 5‑4- توان خنک کاري (برحسب W/m2) و اختلاف دماي پوشش و محيط براي پوشش هاي بهينه خنک کاري در روز با فرض شار تشعشعي نرمال55جدول 5‑5- توان خنک کاري (برحسب W/m2) و اختلاف دماي پوشش و محيط براي پوشش هاي بهينه خنک کاري در روز با فرض شار تشعشعي ديفيوز56جدول 5‑6- حد اکثر اختلاف دماي منطقه خنک کاري و محيط در روز و شب با فرض ε=167جدول 5‑7- پوششهاي بهينه خنک کاري در شب68جدول5‑8- خواص تشعشعي پوشش هاي بهينه خنک کاري در شب در جهت نرمال69جدول 5‑9- خواص نيمکروي تشعشعي پوشش هاي بهينه خنک کاري در شب69جدول 5‑10- توان خنک کاري (برحسب W/m2) پوشش هاي بهينه خنک کاري در شب براي شار نرمال و ديفيوز70جدول 5‑11- حد اکثر اختلاف دماي منطقه خنک کاري و محيط در شب با فرض ε=175جدول 5‑12- توان خنک کاري (برحسب W/m2) و خواص تشعشعي ميانگين با فرض شار تشعشعي نرمال76جدول 5‑13- توان خنک کاري (برحسب W/m2) و خواص تشعشعي ميانگين با فرض شار تشعشعي ديفيوز76جدول 5‑14- توان خنک کاري (برحسب W/m2) و خواص تشعشعي ميانگين با فرض شار تشعشعي نرمال80جدول 5‑15- توان خنک کاري (برحسب W/m2) و خواص تشعشعي ميانگين با فرض شار تشعشعي ديفيوز81جدول 5‑16- حد اکثر اختلاف دماي منطقه خنک کاري و محيط در شب با فرض ε=181جدول 5‑17- ساختارهاي بهينه SiO282جدول 5‑18- Tvis ،R0.7-2.4 و R4-85 ساختارهاي بهينه SiO2 در جهت نرمال82جدول 5‑19- Tvis ،R0.7-2.4 و R4-85 نيمکروي ساختارهاي بهينه SiO283جدول 5‑20- ساختارهاي بهينه BaTiO388جدول 5‑21- Tvis ،R0.7-2.4 و R4-85 ساختارهاي بهينه BaTiO3 در جهت نرمال89جدول 5‑22- Tvis،R0.7-2.4 و R4-85 نيمکروي ساختارهاي بهينه BaTiO389جدول 5‑23- پوشش هاي بهينه با ضريب جذب بالا98جدول 5‑24- ضريب جذب نرمال و نيمکروي متوسط هر پوشش99 فهرست علائم و نمادها نمادهاي لاتينعلائم يونانيضريب جذب متوسطضريب جذبچگالي شار مغناطيسي (Wb/m2)ضريب عبورجابهجايي الکتريکي (C/m2)ضريب بازتابميدان الکتريکي (V/m)ضريب گسيلميدان مغناطيسي (A/m)طول موج ()چگالي جريان الکتريکي (A/m2)رسانايي الکتريکي (A/Vm)ضريب جذب متوسطضريب استهلاکبردار پويينتينگ (W/m2)زاويه (rad)ضريب عبور متوسطفرکانس زاويهاي (rad/s)سرعت نور (m/s)فازضخامت هر لايه (nm)ضريب عبور داخليضريب جابهجايي (W/m2K)تغيير فازبردار موج (1/m)چگالي بار (C/m3)ضريب شکستضريب گذردهي (F/m)شار حرارتي (W/m2)ضريب تراوايي (N/A2)بردار مکان (m)زيرنويسزمان (s)sپلاريزاسيون sتوان خنککاري (W/m2)pپلاريزاسيون pمقاومت حرارتي (m2K/W)unpolarizedبدون پلاريزاسيوندماي پوشش (ºC)hemisphericalنيمکرويدماي منطقهي خنککاري (ºC)solمحدودهي تشعشع خورشيددماي محيط (ºC)هجدهvisمحدودهي نور مرئي چکيدهپوشش با لايههاي نازک نقش بسيار مهمي در صنايع نيم رسانا ها و تجهيزات ميکروالکترومکانيک و نانوالکترومکانيک دارد. با اضافه کردن يک لايه نازک به سطح به علت تداخل امواج الکترومغناطيسي، خواص تشعشعي سطح کاملا متفاوت خواهد بود. در اين پروژه با استفاده از روشهاي الکترومغناطيسي، خواص تشعشعي يک ساختار چندلايه نازک محاسبه ميشود و با استفاده از الگوريتم ژنتيک و عمليات حرارتي شبيهسازي شده، خواص چنين ساختاري با تغيير جنس و ضخامت لايهها با توجه به مسائل کاربردي بهينهسازي ميشود.يکي از مسائل مورد بررسي در اين پروژه خنککاري تشعشعي است. مشخص شده که در صورتيکه رطوبت بالا نباشد جو زمين در بازه 8 تا 13 ميکرومتر به صورت يک چاه حرارتي عمل ميکند و درنتيجه در صورت استفاده ازيک پوشش انتخابگر، به گونهاي که تبادل انرژي را به اين بازه محدود کند ميتوان بدون مصرف انرژي خنککاري انجام داد. استفاده از پوششهايي که امکان خنککاري تحت تابش مستقيم نور خورشيد را مهيا کنند تا کنون به صورت يک چالش باقي مانده است. در اين پروژه تعدادي پوشش معرفي شده، که به کمک آنها امکان خنککاري جزئي در حد 2 تا 3 درجهي سانتيگراد، تحت تابش مستقيم نور خورشيد وجود دارد. همچنين تعداد زيادي پوشش بهينه براي خنککاري در شب معرفي شده است. به علاوه ايدهي استفاده از پتاسيم برومايد پوششداده شده از دو طرف به عنوان يک پوشش بسيار مناسب براي خنککاري در شب براي اولين بار مطرح شده است. افت دما با استفاده از چنين پوششي حدود 123% افزايش خواهد داشت.همچنين ساختارهاي بهينه جهت کاربرد به عنوان آينه حرارتي معرفي شده است. ضمن اينکه BaTiO3 به عنوان يک آينه حرارتي بسيار مناسب، براي اولين بار مورد بررسي قرار گرفته است.کلمات کليدي:انتقال حرارت، لايه هاي نازک، انتقال حرارت تشعشعي در ابعاد نانو، خواص تشعشعي، خنک کاري تشعشعي، آينه هاي حرارتي، بهينه سازيفصل اول: مقدمهبا توجه به کاربردهاي وسيع لايههاي نازک، استفاده از اين تکنولوژي در بسياري از ادوات اپتيکي، الکترونيکي و تجهيزات مربوط به انرژي خورشيدي متداول شدهاست. از طرفي، اطلاع از خواص تشعشعي ساختارهاي چندلايه[1] شامل لايههاي نازک، در بسياري از کاربردهاي عملي مانند فرايندهاي گرمايي سريع[2] (RTP) [1و2] و سلولهاي خورشيدي حائز اهميت کليدي ميباشد. يافتن ضخامت بهينه لايهها جهت دستيابي به خواص تشعشعي مورد نظر، کاربردهاي مهمي در تجهيزات خنککننده تشعشعي[3]، آينههاي حرارتي[4]، کلکتورهاي خورشيدي و سلولهاي خورشيدي دارد، ولي با اين وجود به ندرت مورد بررسي قرار گرفته است. لايه هاي نازک در کاربردها معمولا به شکل ساختارهاي چندلايه مطابق شکل 1-1 استفاده ميشوند.شکل 1‑1- يک ساختار چندلايههمانطور که ديده ميشود يک لايه ضخيم(Substrate) با ضخامتي از order ميليمتر وجود دارد که در اطراف آن (يا فقط در يک سمت) لايههاي نازک قرار دارند. يکي از ويژگيهاي مهم اين ساختارها قابل تنظيم بودن خواص تشعشعي آنها است. خواص تشعشعي چنين ساختارهايي به عوامل متعددي بستگي دارد که در ادامه ليست ميشوند[3]:1- تعداد لايهها2- جنس لايهها3- نحوه چينش لايهها4- ضخامت لايهها5- زاويه برخورد6- دماي لايهها7- پلاريزاسيون پرتو برخورديبا توجه به تغييرات طيفي خواص تشعشعي اين لايهها ميتوان با استفاده از ترکيبهاي متنوع از لايههاي مختلف، خواص تشعشعي را در بازههاي مختلف طول موج تغيير داد. در نتيجه در صورتيکه جنس و ضخامت لايهها به درستي انتخاب شود، ميتوان به کمک ساختارهاي چندلايه نازک به پوششهاي انتخابگر متنوع دسترسي پيدا کرد.بخشي از انرژي گسيل شده از خورشيد در جو زمين جذب ميشود که اين خود منجر به گسيل انرژي از سوي جو خواهد شد. درنتيجه شار انرژي تشعشعي وارد بر سطح زمين، از 2 بخش تشعشع خورشيد و تشعشع آسمان تشکيل شده است(شکل 1-2). در اين شکل شار تشعشعي برحسب GW/m3 (شار انرژي بر واحد سطح در بازهي طول موج 1 ميکرومتر معادل 1000 W/m2) و MW/m3 (شار انرژي بر واحد سطح در بازهي طول موج 1 ميکرومتر معادل 1 W/m2) آورده شده است. حدود 95 درصد تشعشع خورشيد در بازه 0.3-2.4 μm وارد ميشود در صورتيکه، تشعشع آسمان عمدتا در بازه 4-85 μm و کاملا در محدوده مادون قرمز قرار ميگيرد. در صورتيکه رطوبت خيلي زياد نباشد، در بازه 8-13 μm تشعشع آسمان بسيار کم است. در ساير طول موجها تشعشع آسمان تقريبا بر يک توزيع پلانک در دمايي در حدود 300 کلوين منطبق است. به بازه 8-13 μm پنجره اتمسفري[5] گفته ميشود. در اين بازه اتمسفر به صورت يک چاه حرارتي عمل ميکند و تشعشع گسيل شده از اجسام واقع در سطح زمين با تشعشع ورودي جو بالانس نميشود. اين واقعيت مبناي خنککاري تشعشعي است. به اين ترتيب خنککاري، بدون مصرف انرژي امکان پذير خواهد بود[4]. اين روش در نگهداري مواد غذايي و دارويي، تهيه آب خنک، خنککاري ساختمانها[5و6و7] و چگالش رطوبت هوا[8و9و10] کاربرد دارد.شکل 1‑2- تشعشع خورشيد (سمت چپ) و تشعشع آسمان و مقايسه آن با توزيع پلانک 288.1 K(سمت راست) [11]در صورتيکه يک جسم سياه در طول شب در هواي آزاد قرار گيرد، بيشترين توان خنککاري قابل دسترسي خواهد بود. ولي به دليل تبادل حرارت جابهجايي با هوا امکان خنککاري بيشتر از 10-20 ºC امکان پذير نيست[12].با استفاده از يک پوشش جابهجايي[6]، با کاهش ضريب انتقال حرارت جابهجايي در حالت ايدهآل ميتوان به دمايي حدود 30-40 ºC پايينتر از محيط رسيد. ولي خواص تشعشعي طيفي متفاوت پوشش نسبت به هوا باعث کاهش توان خنککاري ميشود. ضريب عبور يک پوشش ايدهآل بايد در بازه 8-13 μm برابر با 1 و در ساير طول موجها برابر با صفر باشد. در طول روز شار تشعشعي قابل ملاحظهاي در محدوده 0.3-2.4 μmبر سطح زمين وارد ميشود، که خنککاري را بسيار سخت ميکند. بنابراين يک پوشش ايدهآل براي خنککاري در روز علاوه بر شرايط قبلي بايد ضريب بازتاب بسيار بالايي در محدوده تشعشع خورشيد داشته باشد.هدف بخش عمده فعاليتهاي 3 دهه اخير، دستيابي به يک پوشش مناسب براي خنککاري تحت نور مستقيم خورشيد بوده است، ولي اين مسئله همچنان به صورت يک چالش باقي مانده است.منظور از آينه حرارتي پوششي است که به نور مرئي اجازه عبور ميدهد در حاليکه، از انتقال حرارت تشعشعي در محدوده مادون قرمز جلوگيري ميکند. در نتيجه با استفاده از چنين پوششي علاوه بر تأمين نور مورد نياز براي روشنايي ساختمان، از اتلاف انرژي به صورت تشعشعي جلوگيري خواهد شد. علاوه بر اين چنين پوششهايي در بالا بردن جذب انرژي در سلولهاي خورشيدي و کلکتورهاي خورشيدي کاربرد خواهند داشت. ضريب عبور در محدوده نور مرئي ( 0.4-0.7 μm) و ضريب بازتاب در محدوده مادون قرمز (طول موجهاي بالاتر از 0.7 μm) براي يک آينه حرارتي ايدهآل، برابر با يک است[4و13].در پژوهش حاضر خواص تشعشعي يک ساختار چندلايه با تغيير دادن جنس لايهها، ترتيب چينش لايهها، ضخامت لايهها و تعداد لايهها بهينهسازي ميشود. بهينه سازي با توجه به مسائل کاربردي و در يک يا چند بازه طول موج انجام خواهد شد.در پروژه حاضر ساختارهاي بهينه جهت کاربرد در خنککاري تشعشعي و آينههاي حرارتي معرفي خواهد شد. همچنين ساختارهاي لايه نازک با ضرايب جذب، بازتاب و عبور ماکزيمم در محدوده تشعشع خورشيد معرفي خواهد شد. چنين ساختارهايي ميتوانند در کلکتورهاي خورشيدي، سلولهاي خورشيدي و آبگرمکنهاي خورشيدي کاربرد داشته باشند.