Zonal Winds Between 25 and 120 Km Retrieved from Solar Occultation Spectra

Atmospheric winds at heights between 25 and 120 km have been retrieved with precisions of 5/ms from the Doppler shifts of atmospheric absorption lines measured from a satellite-borne instrument. Lines of the upsilon 3 CO2 and upsilon 2 H2O rotation-vibration bands caused by gases in the instrument allowed the instrumental frequency scale to be absolutely calibrated so that accurate relative speeds could be obtained. By comparing the positions of both sets of instrumental lines the calibration of the frequency scale was determined to be stable to a precision of less than 2 x 10(-5) cm during the course of each occultation. It was found that the instrumental resolution of 0.015 cm after apodization, the signal to noise ratio of about 100 and stable calibration allowed relative speeds to be determined to a precision of 5 ms or better by using small numbers of absorption lines between 1600 and 3200 cm. Absolute absorption line positions were simultaneously recovered to precisions of 5 x 10(-5) cm or better. The wind speed profiles determined from four sunset occultations and one sunrise occultation show remarkable similarities in the magnitudes and directions of the zonal wind velocities as functions of height. These wind profiles appear to be manifestations of atmospheric tides

Digital Generation and Radiation in Spherical-Void-Phase Porous Media

This thesis documents a novel method for method to generate digital samples of spherical void phase foams to predict effective hydraulic, thermal and radiative properties with the intention of assessing the viability of carbon foam as a volumetric solar receiver. The method employs discrete element modeling software to simulate the compression of spherical bubbles into a fully periodic, cubic domain. These domains were subsequently used to determine a variety of effective transport properties to be used in porous media design problems. The predicted properties agreed well with those obtained through experimental and other numerical methods, notably predicting more accurate properties than those obtained using idealized, or unit-cell models. It is concluded that the digital generation technique is a cheap, fast, and effective method for obtaining bulk material properties. It is further concluded that the carbon foams studied will absorb almost all incident radiation for most design cases

Array communications in wireless sensor networks

Imperial Users onl

Prediction and experimental evidence of the optimisation of the angular branching process in the thallus growth of Podospora anserina

Based upon apical growth and hyphal branching, the two main processes that drive the growth pattern of a fungal network, we propose here a two-dimensions simulation based on a binary-tree modelling allowing us to extract the main characteristics of a generic thallus growth. In particular, we showed that, in a homogeneous environment, the fungal growth can be optimized for exploration and exploitation of its surroundings with a specific angular distribution of apical branching. Two complementary methods of extracting angle values have been used to confront the result of the simulation with experimental data obtained from the thallus growth of the saprophytic filamentous fungus Podospora anserina. Finally, we propose here a validated model that, while being computationally low-cost, is powerful enough to test quickly multiple conditions and constraints. It will allow in future works to deepen the characterization of the growth dynamic of fungal network, in addition to laboratory experiments, that could be sometimes expensive, tedious or of limited scope.Comment: Submitted to Scientific Repor

Interference reduction in multiuser relay networks

In future multiuser wireless systems, the limited system resources have to be extensively reused for serving several users. This results in received interferences at the users which limit the performance of the system. A scenario with several source-destination node pairs communicating unidirectionally through a shared medium is considered. The communication among the nodes is assisted by some relays and takes place in two time slots. The present dissertation focuses on investigating how the relay and the filter coefficients can be smartly adjusted such that the system performance is enhanced.In zukünftigen Mehrbenutzerfunksystemen müssen die begrenzten Systemressourcen intensiv wiederverwendet werden. Dadurch empfangen die Benutzer Interferenzsignale, sodass die Performanz des Funksystems begrenzt wird. Es wird ein Szenario, bestehend aus mehreren Paaren von Quell- und Zielknoten, betrachtet. Die Knotenpaare kommunizieren unidirektional miteinander durch ein Relay. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung, wie die Relay- und die Filterkoeffizienten intelligent angepasst werden können, sodass die Performanz des Funksystems erhöht wird

Quantum Control Landscapes

Numerous lines of experimental, numerical and analytical evidence indicate that it is surprisingly easy to locate optimal controls steering quantum dynamical systems to desired objectives. This has enabled the control of complex quantum systems despite the expense of solving the Schrodinger equation in simulations and the complicating effects of environmental decoherence in the laboratory. Recent work indicates that this simplicity originates in universal properties of the solution sets to quantum control problems that are fundamentally different from their classical counterparts. Here, we review studies that aim to systematically characterize these properties, enabling the classification of quantum control mechanisms and the design of globally efficient quantum control algorithms.Comment: 45 pages, 15 figures; International Reviews in Physical Chemistry, Vol. 26, Iss. 4, pp. 671-735 (2007

Advancement in robot programming with specific reference to graphical methods

This research study is concerned with the derivation of advanced robot programming methods. The methods include the use of proprietary simulation modelling and design software tools for the off-line programming of industrial robots. The study has involved the generation of integration software to facilitate the co-operative operation of these software tools. The three major researcli'themes7of "ease of usage", calibration and the integration of product design data have been followed to advance robot programming. The "ease of usage" is concerned with enhancements in the man-machine interface for robo t simulation systems in terms of computer assisted solid modelling and computer assisted task generation. Robot simulation models represent an idealised situation, and any off-line robot programs generated from'them may contain'discrepancies which could seriously effect thq programs' performance; Calibration techniques have therefore been investigated as 'a method of overcoming discrepancies between the simulation model and the real world. At the present time, most computer aided design systems operate as isolated islands of computer technology, whereas their product databases should be used to support decision making processes and ultimately facilitate the generation of machine programs. Thus the integration of product design data has been studied as an important step towards truly computer integrated manufacturing. The functionality of the three areas of study have been generalised and form the basis for recommended enhancements to future robot programming systems

Electrical and Optical Modeling of Thin-Film Photovoltaic Modules

Heutzutage ist durch viele wissenschaftliche Studien nachgewiesen, dass die Erde längst dem Klimawandel unterworfen ist. Daher muss die gesamte Menschheit vereint handeln, um die schlimmsten Katastrophenszenarien zu verhindern. Ein vielversprechender Ansatz - wenn nicht sogar der vielversprechendste überhaupt - um diese angesprochene, größte Herausforderung in der Geschichte der Menschheit zu bewältigen, ist es, den Energiehunger der Menschheit durch die Erzeugung erneuerbarer und unerschöpflicher Energie zu sättigen. Die Photovoltaik (PV)-Technologie ist ein vielversprechender Anwärter, die leistungsstärkste erneuerbare Energiequelle zu stellen, und spielt aufgrund ihrer direkten Umwandlung des Sonnenlichtes und ihrer skalierbaren Anwendbarkeit in Form von großflächigen Solarmodulen bereits jetzt eine große Rolle bei der Erzeugung erneuerbarer Energie. Im PV-Sektor sind Solarmodule aus Siliziumwafern die derzeit vorherrschende Technologie. Neu aufkommende PV-Technologien wie die Dünnschichttechnologie haben jedoch vorteilhafte Eigenschaften wie einen sehr geringen Kohlenstoffdioxid (CO2)-Fußabdruck, eine kurze energetische Amortisierungszeit und das Potenzial für eine kostengünstige monolithische Massenproduktion, obwohl diese derzeit noch nicht final ausgereift ist. Um die Dünnschichttechnologie jedoch gezielt in Richtung einer breiten Marktreife zu entwickeln, sind numerische Simulationen eine wichtige Säule für das wissenschaftliche Verständnis und die technologische Optimierung. Während sich traditionelle Simulationsliteratur häufig mit materialspezifischen Herausforderungen befasst, konzentriert sich diese Arbeit auf industrieorientierte Herausforderungen auf Modulebene, ohne die zugrundeliegenden Materialparameter zu verändern. Um ein allumfassendes, digitales Modell eines Solarmoduls zu erstellen, werden in dieser Arbeit mehrere Simulationsansätze aus verschiedenen physikalischen Bereichen kombiniert. Zur Abbildung elektrischer Effekte, einschließlich der räumlichen Spannungsvariation innerhalb des Moduls, wird eine Finite Elemente Methode (FEM) zur Lösung der räumlich quantisierten Poisson-Gleichung verwendet. Um optische Effekte zu berücksichtigen, wird eine generalisierte Transfermatrix-Methode (TMM) verwendet. Alle Simulationsmethoden sind in dieser Arbeit von Grund auf neu programmiert worden, um eine Verknüpfung aller Simulationsebenen mit dem höchstmöglichen Grad an Anpassung und Verknüpfung zu ermöglichen. Die Simulation und die Korrektheit der Parameter wird durch externe Quanteneffizienz (EQE)-Messungen, experimentelle Reflexionsdaten und gemessene Strom-Spannungs (I-U)-Kennlinien verifiziert. Der Kernpunkt der Vorgehensweise dieser Arbeit ist eine ganzheitliche Simulationsmethodik auf Modulebene. Dies ermöglicht es, die Lücke zwischen der Simulation auf Materialebene über die Berechnung von Laborwirkungsgraden bis hin zur Bestimmung der von zahlreichen Umweltfaktoren beeinflusste Leistung der Module im Freifeld zu überbrücken. Durch diese Verknüpfung von Zellsimulation und Systemdesign ist es lediglich aus Laboreigenschaften möglich, das Freifeldverhalten von Solarmodulen zu prognostizieren. Sogar das Zurückrechnen von experimentellen Messungen zu Materialparameter ist mittels des in dieser Arbeit entwickelten Verfahrens des Reverse Engineering Fittings (REF) möglich. Das in dieser Arbeit entwickelte numerische Verfahren kann für mehrere Anwendungen genutzt werden. Zunächst können durch die Kombination von elektrischen und optischen Simulationen ganzheitliche Top-Down-Verlustanalysen durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine wissenschaftliche Einordnung und einen quantitativen Vergleich aller Verlustleistungsmechanismen auf einen Blick, was die zukünftige Forschung und Entwicklung in Richtung von technologischen Schwachstellen von Solarmodulen lenkt. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Elektrik und Optik die Detektion von Verlusten, die auf dem nichtlinearen Zusammenspiel dieser beiden Ebenen beruhen und auf eine räumliche Spannungsverteilung im Solarmodul zurückzuführen sind. Diese Arbeit verwendet die entwickelten numerischen Modelle ebenfalls für Optimierungsprobleme, die an digitalen Modellen realer Solarmodule durchgeführt werden. Häufig auftretende Fragestellungen bei der Entwicklung von Solarmodulen sind beispielsweise die Schichtdicke des vorderen optisch transparenten, elektrisch leitfähigen Oxids (TCO) oder die Breite von monolithisch verschalteten Zellen. Die Bestimmung des Optimums dieser mehrdimensionalen Abwägungen zwischen optischer Transparenz, elektrischer Leitfähigkeit und geometrisch inaktiver Fläche zwischen den einzelnen Zellen ist ein Hauptmerkmal der Methodik dieser Arbeit. Mittels des FEM-Ansatzes dieser Arbeit ist es möglich, alle gegenseitigen Wechselwirkungen über verschiedene physikalische Ebenen hinweg zu berücksichtigen und ein ganzheitlich optimiertes Moduldesign zu finden. Auch topologisch komplexere Probleme, wie das Finden eines geeigneten Designs für das Metallisierungsgitter, können auf Grundlage der Simulation mittels der Methode der Topologie-Optimierung (TO) gelöst werden. In dieser Arbeit wurde das TO-Verfahren zum ersten Mal für monolithisch integrierte Zellen eingesetzt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass sowohl einfache Optimierungen der TCO-Schichtdicken als auch Topologie-Optimierungen stark von den vorherrschenden Beleuchtungsverhältnissen abhängen. Daher ist eine Optimierung auf den Jahresertrag anstelle des Laborwirkungsgrades für industrienahe Anwendungen wesentlich sinnvoller, da die mittleren Jahreseinstrahlungen deutlich von den Laborbedingungen abweichen. Mit Hilfe dieser Ertragsoptimierung wurde in dieser Arbeit für die Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid CuIn$_{1-x}$Ga$_x$Se$_2$ (CIGS)-Technologie ein Leistungsgewinn von über 1 % im Ertrag für einige geografische Standorte und gleichzeitig eine Materialeinsparung für die Metallisierungs- und TCO-Schicht von bis zu 50 % errechnet. Mit Hilfe der numerischen Simulationen dieser Arbeit können alle denkbaren technologischen Verbesserungen auf Modulebene in das Modell eingebracht werden. Auf diese Weise wurde das aktuelle technologische Limit für CIGS-Dünnschicht-Solarmodule berechnet. Unter Verwendung der Randbedingungen der derzeit verfügbaren Materialien, Technologie- und Fertigungstoleranzen und des derzeit besten in der Literatur veröffentlichten CIGS-Materials ergibt sich ein theoretisches Wirkungsgradmaximum von 24 % auf Modulebene. Das derzeit beste veröffentlichte Modul mit den gegebenen Restriktionen weist einen Wirkungsgrad von 19,2 % auf [1]. Verbessert sich der CIGS-Absorber vergleichbar mit jenem von Galliumarsenid (GaAs) im Hinblick auf dessen Rekombinationsrate, ergibt sich ein erhöhtes Wirkungsgradlimit von etwa 28 %. Im Falle eines idealen CIGS-Absorbers ohne intrinsische Rekombinationsverluste wird in dieser Arbeit eine maximale Effizienzobergrenze von 29 % berechnet

Implementation of Delayed-Feedback Controllers on Continuous Systems and Analysis of their Response under Primary Resonance Excitations

During the last three decades, a considerable amount of research has been directed toward understanding the influence of time delays on the stability and stabilization of dynamical systems. From a control perspective, these delays can either have a compounding and destabilizing effect, or can actually improve controllers\u27 performance. In the latter case, additional time delay is carefully and deliberately introduced into the feedback loop so as to augment inherent system delays and produce larger damping for smaller control efforts. While delayed-feedback algorithms have been successfully implemented on discrete dynamical systems with limited degrees of freedom, a critical issue appears in their implementation on systems consisting of a large number of degrees of freedom or on infinite-dimensional structures. The reason being that the presence of delay in the control loop renders the characteristic polynomial of the transcendental type which produces infinite number of eigenvalues for every discrete controller\u27s gain and time delay. As a result, choosing a gain-delay combination that stabilizes the lower vibration modes can easily destabilize the higher modes. To address this problem, this dissertation introduces the concept of filter-augmented delayed-feedback control algorithms and applies it to mitigate vibrations of various structural systems both theoretically and experimentally. In specific, it explores the prospect of augmenting proper filters in the feedback loop to enhance the robustness of delayed-feedback controllers allowing them to simultaneously mitigate the response of different vibration modes using a single sensor and a single gain-delay actuator combination. The dissertation goes into delineating the influence of filter\u27s dynamics (order and cut-off frequency) on the stability maps and damping contours clearly demonstrating the possibility of effectively reducing multi-modal oscillations of infinite-dimensional structures when proper filters are augmented in the feedback loop. Additionally, this research illustrates that filters may actually enhance the robustness of the controller to parameter\u27s uncertainties at the expense of reducing the controller\u27s effective damping. To assess the performance of the proposed control algorithm, the dissertation presents three experimental case studies; two of which are on structures whose dynamics can be discretized into a system of linearly-uncoupled ordinary differential equations (ODEs); and the third on a structure whose dynamics can only be reduced into a set of linearly-coupled ODEs. The first case study utilizes a filter-augmented delayed-position feedback algorithm for flexural vibration mitigation and external disturbances rejection on a macro-cantilever Euler-Bernoulli beam. The second deals with implementing a filter-augmented delayed-velocity feedback algorithm for vibration mitigation and external disturbances rejection on a micro-cantilever sensor. The third implements a filter-augmented delayed-position feedback algorithm to suppress the coupled flexural-torsional oscillations of a cantilever beam with an asymmetric tip rigid body; a problem commonly seen in the vibrations of large wind turbine blades. This research also fills an important gap in the open literature presented in the lack of studies addressing the response of delay systems to external resonant excitations; a critical issue toward implementing delayed-feedback controllers to reduce oscillations resulting from persistent harmonic excitations. To that end, this dissertation presents a modified multiple scaling approach to investigate primary resonances of a weakly-nonlinear second-order delay system with cubic nonlinearities. In contrast to previous studies where the implementation is confined to the assumption of linear feedback with small control gains; this effort proposes an approach which alleviates that assumption and permits treating a problem with arbitrarily large gains. The modified procedure lumps the delay state into unknown linear damping and stiffness terms that are function of the gain and delay. These unknown functions are determined by enforcing the linear part of the steady-state solution acquired via the Method of Multiple Scales to match that obtained directly by solving the forced linear problem. Through several examples, this research examines the validity of the modified procedure by comparing its results to solutions obtained via a Harmonic Balance approach demonstrating the ability of the proposed methodology to predict the amplitude, softening-hardening characteristics, and stability of the resulting steady-state responses

Computer-Aided Geometry Modeling

Techniques in computer-aided geometry modeling and their application are addressed. Mathematical modeling, solid geometry models, management of geometric data, development of geometry standards, and interactive and graphic procedures are discussed. The applications include aeronautical and aerospace structures design, fluid flow modeling, and gas turbine design