Thermophotovoltaic cell design improvements through numerical simulations : uncertainty quantification and geometry optimization
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Date
2019
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Abstract
En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas
para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer
lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar
cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido
a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en
simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte
de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la
eficiciencia de dichas celdas.
En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos
del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con
superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan
radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una
expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales
las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas
llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce
significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor
tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior,
mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de
Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante
la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas
de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto.
En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas
de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras
que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato
de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings
poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso
del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas
(TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci
ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde
el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para
el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y
TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales
y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra
parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el
caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2
es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a
las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs.
Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación
compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas
TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating
para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la
radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético
(GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso
de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia
térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta
óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos
la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la
potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para
diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través
de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca
de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere
espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas
para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer
lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar
cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido
a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en
simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte
de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la
eficiciencia de dichas celdas.
En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos
del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con
superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan
radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una
expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales
las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas
llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce
significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor
tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior,
mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de
Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante
la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas
de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto.
En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas
de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras
que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato
de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings
poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso
del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas
(TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci
ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde
el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para
el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y
TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales
y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra
parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el
caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2
es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a
las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs.
Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación
compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas
TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating
para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la
radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético
(GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso
de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia
térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta
óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos
la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la
potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para
diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través
de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca
de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere
espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas
para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer
lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar
cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido
a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en
simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte
de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la
eficiciencia de dichas celdas.
En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos
del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con
superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan
radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una
expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales
las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas
llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce
significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor
tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior,
mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de
Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante
la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas
de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto.
En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas
de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras
que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato
de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings
poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso
del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas
(TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci
ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde
el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para
el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y
TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales
y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra
parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el
caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2
es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a
las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs.
Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación
compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas
TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating
para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la
radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético
(GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso
de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia
térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta
óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos
la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la
potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para
diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través
de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca
de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere
espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas
para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer
lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar
cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido
a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en
simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte
de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la
eficiciencia de dichas celdas.
En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos
del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con
superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan
radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una
expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales
las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas
llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce
significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor
tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior,
mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de
Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante
la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas
de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto.
En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas
de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras
que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato
de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings
poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso
del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas
(TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci
ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde
el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para
el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y
TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales
y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra
parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el
caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2
es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a
las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs.
Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación
compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas
TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating
para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la
radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético
(GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso
de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia
térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta
óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos
la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la
potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para
diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través
de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca
de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere
espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas
para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer
lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar
cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido
a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en
simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte
de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la
eficiciencia de dichas celdas.
En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos
del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con
superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan
radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una
expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales
las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas
llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce
significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor
tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior,
mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de
Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante
la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas
de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto.
En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas
de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras
que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato
de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings
poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso
del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas
(TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci
ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde
el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para
el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y
TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales
y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra
parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el
caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2
es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a
las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs.
Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación
compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas
TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating
para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la
radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético
(GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso
de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia
térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta
óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos
la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la
potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para
diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través
de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca
de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere
espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2019