Hybrid Power System Modelling - Simulation and Energy Management Unit Development

Weltweit leben mehr als 2 Milliarden Menschen in ländlichen Gebieten. Als Konzept für die elektrische Energieversorgung solcher Gebiete kommen dezentrale elektrische Energieversorgungseinheiten zum Einsatz, die lokal verfügbare erneuerbare Ressourcen nutzen. Stand der Technik bilden Einheiten, die auf PV-Diesel-Batterie System basieren. Die verwendeten Versorgungsskonzepte in Hybridsystemen sind durch den Einsatz von Batterien als Energiespeicher meist wenig zuverlässig und teuer. Diese Energiespeicher sind sehr aufwendig zu überwachen und schwerig zu entsorgen. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines neuen Hybridsystems mit einem Wasserreservoir als Energiespeicher. Dieses Konzept eignet sich für Bergregionen in Entwicklungsländern wie Nepal, wo z.B. neben der solaren Strahlung kleine Flüsse in großer Anzahl vorhanden sind. Das Hybridsystem verfügt über einen Synchrongenerator, der die Netzgrößen Frequenz und Spannung vorgibt und zusätzlich unterstützen PV und Windkraftanlage die Versorgung. Die Wasserkraftanlage soll den Anteil der erneuerbaren Energienutzung erhöhen. Die Erweiterung des Systems um ein Dieselaggregat soll die Zuverlässigkeit der Versorgung erhöhen. Das Hybridsystem inkl. der Batterien wird modelliert und simuliert. Anschließend werden die Simulations- und Messergebnisse verglichen, um eine Validierung des Modells zu erreichen. Die Regelungsstruktur ist aufgrund der hohen Anzahl an Systemen und Parametern sehr komplex. Sie wird mit dem Simulationstool Matlab/Simulink nachgebildet. Das Verhalten des Gesamtsystems wird unter verschiedene Lasten und unterschiedlichen meteorologischen Gegebenheiten untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung einer modularen Energiemanagementeinheit, die auf Basis der erneuerbaren Energieversorgung aufgebaut wird. Dabei stellt die Netzfrequenz eine wichtige Eingangsgröße für die Regelung dar. Sie gibt über die Wirkleistungsstatik die Leistungsänderung im Netz wider. Über diese Angabe und die meteorologischen Daten kann eine optimale wirtschaftliche Aufteilung der Energieversorgung berechnet und eine zuverlässige Versorgung gewährleistet werden. Abschließend wurde die entwickelte Energiemanagementeinheit hardwaretechnisch aufgebaut, sowie Sensoren, Anzeige- und Eingabeeinheit in die Hardware integriert. Die Algorithmen werden in einer höheren Programmiersprache umgesetzt. Die Simulationen unter verschiedenen meteorologischen und netztechnischen Gegebenheiten mit dem entwickelten Model eines Hybridsystems für die elektrische Energieversorgung haben gezeigt, dass das verwendete Konzept mit einem Wasserreservoir als Energiespeicher ökologisch und ökonomisch eine geeignete Lösung für Entwicklungsländer sein kann. Die hardwaretechnische Umsetzung des entwickelten Modells einer Energiemanagementeinheit hat seine sichere Funktion bei der praktischen Anwendung in einem Hybridsystem bestätigen können.

Development of directly modulated high speed telecommunication lasers based on surface defined feedback gratings

High-speed semiconductor lasers are an integral part in the implemen- tation of high-bit-rate optical communications systems. They are com- pact, rugged, reliable, long-lived, and relatively inexpensive sources of coherent light. Due to the very low attenuation window that exists in the silica based optical fiber at 1.55 μm and the zero dispersion point at 1.3 μm, they have become the mainstay of optical fiber com- munication systems. For the fabrication of lasers with gratings such as, distributed bragg reflector or distributed feedback lasers, etching is the most critical step. Etching defines the lateral dimmensions of the structure which determines the performance of optoelectronic devices. In this thesis studies and experiments were carried out about the exist- ing etching processes for InP and a novel dry etching process was de- veloped. The newly developed process was based on Cl2/CH4/H2/Ar chemistry and resulted in very smooth surfaces and vertical side walls. With this process the grating definition was significantly improved as compared to other technological developments in the respective field. A surface defined grating definition approach is used in this thesis work which does not require any re-growth steps and makes the whole fabrication process simpler and cost effective. Moreover, this grating fabrication process is fully compatible with nano-imprint lithography and can be used for high throughput low-cost manufacturing. With usual etching techniques reported before it is not possible to etch very deep because of aspect ratio dependent etching phenomenon where with increasing etch depth the etch rate slows down resulting in non-vertical side walls and footing effects. Although with our de- veloped process quite vertical side walls were achieved but footing was still a problem. To overcome the challenges related to grating defini- tion and deep etching, a completely new three step gas chopping dry etching process was developed. This was the very first time that a time multiplexed etching process for an InP based material system was demonstrated. The developed gas chopping process showed extra ordinary results including high mask selectivity of 15, moderate etch- ing rate, very vertical side walls and a record high aspect ratio of 41. Both the developed etching processes are completely compatible with nano imprint lithography and can be used for low-cost high-throughput fabrication. A large number of broad area laser, ridge waveguide laser, distributed feedback laser, distributed bragg reflector laser and coupled cavity in- jection grating lasers were fabricated using the developed one step etch- ing process. Very extensive characterization was done to optimize all the important design and fabrication parameters. The devices devel- oped have shown excellent performance with a very high side mode suppression ratio of more than 52 dB, an output power of 17 mW per facet, high efficiency of 0.15 W/A, stable operation over temperature and injected currents and a threshold current as low as 30 mA for almost 1 mm long device. A record high modulation bandwidth of 15 GHz with electron-photon resonance and open eye diagrams for 10 Gbps data transmission were also shown.

Exploratory and dust-bathing behaviour in laying hens kept in commercial aviaries and furnished cages

The aim of the present thesis was to identify management factors that affect the extent of exploratory behaviour (ground pecking, scratching) as well as quantitative and qualitative as-pects of dust-bathing behaviour in laying hens kept in commercial furnished cages (‘small group housing’) and aviaries. Based on the results, it should be considered which management measures can be recommended for farmers to enhance hen welfare. The feasibility of direct observations of dust-bathing behaviour as well as video observations of exploratory and dust-bathing behaviour was tested in two aviaries. The direct observations were judged to be unfeasible under the conditions encountered. For the analysis of the video recordings, different sampling intervals for instantaneous scan sampling, different extents of observation time, and intra- and inter-observer reliabilities were compared and the most ap-propriate observation scheme selected. Applying the selected scheme (observing the first 16 minutes of every hour distributed over two consecutive light days with a sample interval of two minutes), within the range of environmental conditions found in 22 aviaries, pecking, scratching and dust-bathing behaviour was performed on average 25, 2 and 7 % of the obser-vation time. Hen numbers in the litter were positively associated with stocking density and group size. More scratching was performed with increasing litter height as well as in humid litter. If no litter had been provided, thus substrate consisted of dust and faeces, a reduced proportion of dust-bathing was found. The same method was then used in 16 furnished cage systems. On average 12 % of the total hen number were found on the scratching mats. The hens spent 8 % of the observed time pecking at the mat, 4 % dust-bathing and 0.4 % scratch-ing. Higher proportions were found on the mats and more dust-bathing behaviour occurred, if substrate was provided. Also with increasing light intensity and stocking density more hens were observed on the mats. More pecking and scratching occurred in conditions of higher stocking density, probably due to social facilitation, and of increased mat area per hen. With increasing mat numbers per cage less pecking was observed. Wider mats led to increased dust-bathing behaviour. Finally, 129 dust-baths recorded in 17 aviaries were analysed in detail. On average they lasted 17 minutes, with the tossing phase taking 69 % of this time, including on average 2 vertical wing shakes and 3 scratches with one leg per minute tossing phase. Dust-bath duration de-creased with increasing litter height. Litter type influenced all recorded parameters: dust-bath duration was highest on straw and lowest on fine material and fine material mixed with straw, where on both also the proportion of the tossing phase was lowest. The number of vertical wing shakes during the dust-bath was highest on straw and lowest on fine material mixed with straw as against the frequency of vertical wing shaking that was lowest on straw and highest on fine material. If dust-bathing hens were disturbed twice or more, dust-bathing duration decreased. With increasing light intensity a decreased proportion of the tossing phase as well as a reduced number of vertical wing shakes were recorded. Possibly the light stimulated the hens to dust-bath more often with less tossing behaviour per performance. The observed variation of the dust-bathing parameters could reflect successful adaptation or frustration of the hens. The litter and light conditions on the investigated farms were predominantly restrictive in terms of stimulation of exploration and dust-bathing behaviour. Thus, it was only possible to analyse possible associations between these factors and exploration and dust-bathing behav-iour within the range found. Based on the results the following management recommendations can be given: To allow hens in furnished cages more normal activity, substrate availability should be improved and mat space and light intensity increased. With regard to aviaries as well litter availability should be improved. Litter height should not be too low. Disturbances during dust-bathing should be prevented, but no influencing factors could be identified.

Anwendungsorientierte Aufgaben für die Erstsemester-Mathematik-Veranstaltungen im Maschinenbaustudium

In diesem Werkstattbericht wollen wir den derzeitigen Arbeitsstand des Teilprojekts "Mathematik für Maschinenbauer" der AG Ing-Math vorstellen. Es werden eine Reihe von Anwendungsaufgaben, sowie deren Lösungen und das zugrunde liegende Konzept vorgestellt. Die Aufgaben sind für die Veranstaltungen Mathematik 1 und 2 für Maschinenbauer konzipiert, jedoch lässt sich das Konzept auch auf andere ingenieurwissenschaftliche Studiengänge übertragen. Das Ziel ist es mit diesen Aufgaben die Motivation zu fördern und den Studierenden die Relevanz der Mathematik bereits in den ersten Semestern zu verdeutlichen.

Anwendungsorientierte Aufgaben für die Erstsemester-Mathematik-Veranstaltungen im Maschinenbaustudium

Dieser Werkstattbericht ist die zweite, verbesserte und um weitere Aufgaben ergänzte Version der Veröffentlichung von 2014. Hier wollen wir den aktuellen Arbeitsstand des Teilprojekts "Mathematik für Maschinenbauer" der AG Ing-Math vorstellen. Es werden eine Reihe von Anwendungsaufgaben und das zugrunde liegende Konzept vorgestellt. Die Aufgaben sind für die Veranstaltungen Mathematik 1 und 2 für Maschinenbauer konzipiert, jedoch lässt sich das Konzept auch auf andere ingenieurwissenschaftliche Studiengänge übertragen. Das Ziel ist es mit diesen Aufgaben die Motivation zu fördern und den Studierenden die Relevanz der Mathematik bereits in den ersten Semestern zu verdeutlichen.