عنوان پایان‌نامه
استحصال انرژی الکترو مغنا طیس طیف مادون قرمز خورشید با استفاده از نانو آنتن ها
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3222;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81663;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3222;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81663
- تاریخ دفاع
- ۱۴ شهریور ۱۳۹۶
- دانشجو
- امیر چکینی
- استاد راهنما
- صمد شیخائی, محمد نشاط
- چکیده
- امروزه با توجه به افزایش روز افزون نیاز به انرژی، توجه به منابع مختلف و جدید انرژی بیشتر شده است. از طرفی استفاده از انرژی های پاک مانند انرژی خورشیدی که به مقدار زیاد در دسترس هستند مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. اما یکی از چالش ها و محدویت های عمده سلول های خورشیدی برای عرضه توان جذب شده توسط آن ها، راندمان این سلول ها می باشد. دسترسی به راندمان بین 20 تا 40 درصد برای سلول های خورشیدی در بهترین حالت و با استفاده از تکنولوژی چند پیوندی امکان پذیر خواهد بود. معمولا سلول های خورشیدی قادر به جذب انرژی در طیف مرئی بین 380 تا 780 نانو متر هستند. تابش فروسرخ یا مادون قرمزدارای طول موجی بین تقریباً750 نانومتر تا 3000 میکرومتر است .بدیهی است علاوه بر تابش خورشید، تمامی اجسام که دمایی بالاتر از صفر مطلق (273- درجه‌ی سلسیوس) دارند امواج الکترومغناطیس این محدوده را از خود تابش می‌کنند. در این پژوهش طراحی و تحلیل و شبیه سازی سیستمی متشکل از آنتن هایی در ابعاد نانو برای دریافت طیف الکترومغناطیس مادون قرمز خورشید، با انتخاب زیر طیف مطلوب برای جذب و همچنین ایده یکسوسازی امواج دریافتی به صورت یکپارچه ارائه و شبیه سازی گردیده است. در این راستا، ابتدا یک سلول طراحی، تحلیل و شبیه سازی می گردد و سپس آرایه سازی بر روی راهکار ارائه شده صورت می پذیرد. در یک سلول از یک میکرولنز در طیف مادون قرمز که وظیفه تمرکز نور را بر روی نانو آنتن قرار گرفته در زیر آن دارد، استفاده شده است. بر روی این میکرولنز پوشش ضد بازتابش نور قرار می گیرد تا میزان توان جذب شده را افزایش دهد. با استفاده از روش تحلیل تمام موج و با نرم افزار CST مدل سازی و تحلیل و شبیه سازی امواج الکترومغناطیسی وارد شده بر روی نانو آنتن های مختلف ارائه شده صورت می پذیرد. برای برطرف نمودن مسئله یکسوسازی موج دریافتی در این طیف ها، که یکی از مشکلات عمده به کار گیری نانوآنتن ها در استحصال انرژی می باشد، راهکاری برای انجام فرآیند یکسوسازی مستقیم موج دریافتی برای اولین بار ارائه می گردد. با استفاده از مفهوم گسیل میدانی الکترون ها از نوک تیز فلزات در مقیاس نانو، افزاره به گونه ای طراحی می گردد که میدان الکتریکی حدود 10 به توان 9 ولت بر متر در فیدنانوآنتن تشکیل گردد. در میدان بالای متمرکز شده در شکاف نانو آنتن الکترون ها به سمت کلکتور مرکزی در ساختار حرکت می کنند و جریان در کلکتور مرکزی با قراردادن بار خارجی جاری می گردد. بنابراین فرآیند یکسوسازی موج دریافتی به صورت مستقیم صورت می پذیرد. سپس ایده آرایه سازی به صورت سری و موازی برای افزایش میدان در فید نانوآنتن ها به جای استفاده از میکرولنز ارائه می گردد. در نهایت برای استحصال بیشتر انرژی ساختاری برای استحصال انرژی در چند باند مختلف ارائه می گردد. از دستاوردهای حاصل از این پژوهش می توان به نتیجه گیری در خصوص امکانپذیری استحصال انرژی توسط نانو آنتن ها، ارائه ایده یکسوسازی امواج مادون قرمز و یا فرکانس های بالاتر (طیف مرئی)، طراحی ساختار مناسب برای جذب پلاریزاسیون های عمودی و افقی امواج دریافتی به طور همزمان، طراحی و آرایه سازی ساختار با رویکرد پیاده سازی و ساخت مقرون به صرفه، حذف فیلترهای مختلف و همچنین محاسبات مربوط به راندمان کل سیستم اشاره نمود.
- Abstract
- Solar energy is one of the most important renewable energy sources that has attracted lots of attention in recent years. The amount of energy supplied to the earth in one day by the sun is sufficient to supply the earth’s total energy needs for one year. However, some challenges, such as low efficiency, restricts the use of solar cells in the future energy harvesting applications. Typical reported efficiencies for commercial and triple junction solar cells are between 20% to 40%. In infrared region, where related solar cells are very rare and have less than 6% efficiency, nanoantennas can be used for energy harvesting based on electromagnetic theory. In this research, analysis, design and simulation of energy harvesting systems consisting of nano-scale antennas for capturing infrared energy and direct rectification of the receiving wave is presented. First, a single nanoantenna cell is designed and then material selection is performed. A rectification concept based on field electron emission in a nanoantenna is proposed. A new device is introduced to overcome the low rectification efficiency of Metal-Insulator-Metal (MIM) diodes as the main bottleneck in nanoantenna based solar and thermal energy harvesters. The device consists of three parts, i.e., an aspherical micro-lens, a nanoantenna, and an electron collector electrode with proper geometry design to ensure rectified field electron emission. In the proposed device, the incident radiation is enhanced in two steps, firstly by micro-lens focusing onto the nanoantenna, and secondly through excitation of the near field in the gap of the nanoantenna to reach a level required for field electron emission from a sharp metallic tip. Since the current is always from the sharp tips of nanoantenna toward the central collector, the current is rectified. Current of each cell are added up to increase the harvested power. The performance of the nanoantenna in a single cell and in the array is studied by full-wave simulations using CST. After that a multiband, planar, direct energy rectification, and dual polarized infrared plasmonic nanoantenna is presented and numerically simulated using Finite Element Method (FEM). Broadband characteristics are highly suitable for energy harvesting applications. The proposed nanoantenna structure comprises cross bowtie aluminum structures deposited on the silicon dioxide (SiO2) substrate. Then, two array configurations, i.e., series and parallel feed networks, are considered and their field enhancement are compared. Also, field enhancement in large array configurations are predicted using proposed equations based on curve fitting. Other related issues such as manufacturing tolerances are also discussed at the end. The achievements of this research include: demonstrating the applicability of nanoantenna for thermal energy harvesting, proposing a novel idea for direct thermal rectification with high efficiency without using diodes, and presenting the best nano-scale structure for energy harvesting in dual polarization. Keywords: Nanoantennas, Energy Harvesting, Electron Field Emission, Rectification, Infrared, Terahertz, Micro Lens, Dimension Optimization, Nanoantenna Array.
