MM scale 3d silica waveguide fabrication technique for solar energy concentration systems
Güneş enerjisi konsantrasyonu sistemleri için milimetrik boyutta 3 boyutlu silika ışın kılavuzu üretme tekniği
- Tez No: 919897
- Danışmanlar: PROF. CHRISTI K. MADSEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Texas A&M University
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Bu tez araştırmasında güneş enerjisi yoğunlaştırma sistemleri için milimetrik boyutta ışın kılavuzu üretilmesi amaçlanmıştır. Önerilen tasarıda, 1000 kat konsantrasyon ve %90 ve üzeri optik verimi olan yüksek konsantrasyonlu fotovoltaik hedeflenmiştir. Bu model üç bileşenden oluşmaktadır: lens dizisi, bağlaştırıcı ve ışık kılavuzu. Işın kılavuzu malzemesi olarak yüksek optik iletimi ve düşük emilim gibi avantajları olan erimiş silika seçilmiştir ve istenilen şekli elde etmek amacıyla femtosaniye lazer ışınlanması ve takiben kimyasal asitle aşındırma yöntemi (FLICE) kullanılmıştır. Aşındırıcı kimyasal olarak en yaygın kullanılan iki kimyasaldan potasyum hidroksit daha yüksek seçicilik özelliğinden dolayı hidrojen florür yerine tercih edilmiştir. FLICE yöntemi parametreleri, yüksek kimyasal seçicilik, yüksek üretim hızı ve daha iyi yüzey kalitesi için optimize edilmiştir. 2MHz lazer sistemiyle 1.25 m/s yazma hızına ulaşılmış olup 1mm2 alanda 21.8 nm yüzey pürüzlülüğü ölçülmüştür. 45° açılı yüzeye sahip 12.75x konsantrasyon özelliğine sahip 1 X 5 aşamalı ışın kılavuzu başarılı bir şekilde üretilmiştir. Açısal yüzeylerde elde edilen doğruluk, 45° ve yan duvar konik yüzeyler için sırasıyla ±0,5° ve ±0,01°'den küçüktür. Üretilen kılavuz yüzeyinin pürüssüzleştirilmesi için parlatma teknikleri araştırılmış ve CO2 lazer ile parlatma yöntemini kullanmaya karar verilmiştir. Yüzey profilleri atomik kuvvet mikroskopu ve beyaz ışık interferometresi ile ölçülmüş ve analiz edilmiştir. Ölçümler yüzeydeki pürüzlülüğün yüz kat oranla azaldığını ortaya çıkarmıştır. Uzunluğu 50 mm ve enine kesit alanı 1 mm2 olan ışın kılavuzu numunelerinde %95 iletim verimliliği saptanmıştır. Işın kılavuzlarının, açılı yüzeyler, uzunluk boyunca enine kesit alanının inceltilmesi ve birleştiriciler gibi karmaşık yapılarda yüksek doğrulukla üretilebileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
The overreaching goal of this dissertation research is to achieve fabrication of mm scale waveguide structure for solar energy concentration systems. In the proposed design, a high concentrator photovoltaics (HCPV) with 1000x concentration and >90% optical efficiency is targeted. The concept consists of three components: lens array, coupler and waveguiding section. Fused silica is assigned as the waveguide material, since it has a high optical transmission and low absorption and it provides the scalability and low manufacturing cost sought in the fabrication technique. To acquire the desired shape in waveguide, femtosecond laser irradiation followed by chemical etching (FLICE) process is used for fused silica light pipes fabrication. Among two widely used etchants KOH is preferred over HF regarding its higher selectivity. FLICE process parameters have been optimized to achieve higher selectivity, higher manufacturing speed and better surface quality. The minimum number of overlapped pulses is reduced to 3.2 which corresponds to 1.25 m/s writing speed at given 2MHz laser pulse repetition rate at given 2 μm spot size and an acceptable filtered surface roughness of 400nm for 1 mm2 area is achieved. The achieved minimum filtered surface roughness is scaled down to 21.8nm for given 1 mm2 area. Up to 1X5 staggered and tapered light pipes with up to 12.75x geometric concentration factor with a 45° angled input facet is successfully fabricated. The achieved accuracy of the angled surfaces is smaller than ±0.5° and ±0.01° for 45° and side wall tapered surfaces, respectively. Having evaluated the polishing techniques, CO2 laser polishing is decided to be employed in this study to obtain a smooth surface finish. Surface profiles are measured by Atomic Force Microscopy (AFM) for generally high spatial frequency analysis and White Light Interferometry for low spatial frequency analysis. Measurements demonstrate that the surface RMS roughness is decreased almost two order of magnitude. 95% transmission efficiency is measured for waveguide samples up to 50mm in length and 1 mm2 cross sectional area when the Fresnel losses are ignored and incident angles (in air) are averaged according to F/1.5 lens. Complex shapes in waveguides such as angled facets, tapering of the cross-section along the length, and combiners are proven to be possible to fabricate with high precision.
Benzer Tezler
- Spider camların düzleme dik yükleme halinde gerilme analizi
The behaviour of spider glass under out of plane loads
EREN KALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL GERDEMELİ
- In silico design of hERG non-blocker compounds with retained pharmacological activity using multi-scale molecular modeling applications
hERG bloker olmayan farmakolojik aktivitesi korunmuş bileşiklerin çok boyutlu moleküler modelleme uygulamaları ile in siliko tasarımı
GÜLRU KAYIK
Doktora
İngilizce
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURCAN TÜZÜN
DOÇ. DR. SERDAR DURDAĞI
- Redefining passive electronics on rfics via stress-induced restructuring of patterned thin films
Pası̇f rfıc elektronı̇ğine ı̇nce fı̇lmlerı̇n gerinim kontrollü şekillendirilmesiyle yeni bir bakış
RAYAN BAJWA
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. MURAT KAYA YAPICI
- Dijital üretimli çimento esaslı kompozitlerin donma-çözülme direnci ve boşluk yapılarının incelenmesi
Investigation of freeze-thaw resistance and pore structure of digitally fabricated cement-based composites
YEŞİM TARHAN
Doktora
Türkçe
2020
İnşaat MühendisliğiAtatürk Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REMZİ ŞAHİN
- Diz medial osteoartritlerinde breys girişimlerinin semptomlar ve eklem biyomekaniği üzerine etkisi
Başlık çevirisi yok
BİROL BALABAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2000
Fiziksel Tıp ve RehabilitasyonGATAFiziksel Tıp ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı