پایان نامه رایگان درباره الگوریتم ژنتیک و بهینه سازی

دانلود پایان نامه

شکل ‏1 2 – تشعشع خورشید (سمت چپ) و تشعشع آسمان و مقایسه آن با توزیع پلانک 288.1 K (سمت راست) [11]
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 10-20 ºC امکان پذیر نیست[12]. با استفاده از یک پوشش جابهجایی ، با کاهش ضریب انتقال حرارت جابهجایی در حالت ایدهآل میتوان به دمایی حدود 30-40 ºC 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 8-13 μm برابر با 1 و در سایر طول موجها برابر با صفر باشد. در طول روز شار تشعشعی قابل ملاحظهای در محدوده 0.3-2.4 μm بر 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 3 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.
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 ( 0.4-0.7 μm) و ضریب بازتاب در محدوده مادون قرمز (طول موجهای بالاتر از 0.7 μm) برای یک آینه حرارتی ایدهآل، برابر با یک است[4و13].
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.
اهداف پژوهش
اهداف این مطالعه عبارتند از:
محاسبه خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه نازک
معرفی پوششهای لایه نازک بهینه برای کاربردهای متنوع با در نظر گرفتن محدوده وسیعی از مواد مختلف
ارائهی یک بررسی تئوری جامع در مورد خنککاری تشعشعی و استفاده از پوششهای لایه نازک به عنوان پوشش جابهجایی
معرفی پوششهای بهینه جهت خنککاری تشعشعی در روز و شب
معرفی ساختارهای بهینه جهت کاربرد به عنوان آینه حرارتی
روش انجام پژوهش
در این پروژه بهینه سازی با استفاده از دو روش الگوریتم ژنتیک و عملیات حرارتی شبیهسازی شده 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 استهلاک 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 2 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.
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.
کارهای انجام شده قبلی
فو (Fu) و همکاران [14] 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 8/0 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 [15] اثر زاویه تابش پرتو ورودی به لایه سیلیکون ضخیم به ضخامت 700 میکرو متر در طول موج های 9/0 میکرومتر و 7/2 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 º 70 خیلی ناچیز است. ولی ضریب صدور برای زاویه تابش بزرگتر از º 70، به سرعت تغییر می کند. وی این نتایج را برای دماهای ºC 30، ºC 500 و ºC 1000 بدست آورد. همچنین او نشان داد، در دماهای بالا، ضریب صدور سیلیکون به مقدار ذاتی آن یعنی 7/0 می رسد و در محدوده طول موج 1 میکرومتر تا 20 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 700 میکرومتر و ضخامت پوشش دی اکسید سیلیکون برابر با 001/0 میکرومتر، 01/0 میکرومتر و 1/0 میکرومتر در نظر گرفته شد. وی نتایج مدلسازی خود را در دماهای ºC 30، ºC 500 و ºC 900 ارائه داد.