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.

Dye-sensitized solar cells based on perylene derivatives

The oil price rises more and more, and the world energy consumption is projected to expand by 50 percent from 2005 to 2030. Nowadays intensive research is focused on the development of alternative energies. Among them, there are dye-sensitized nanocrystalline solar cells (DSSCs) “the third generation solar cells”. The latter have gained attention during the last decade and are currently subject of intense research in the framework of renewable energies as a low-cost photovoltaic. At present DSSCs with ruthenium based dyes exhibit highest efficiencies (ca 11%). The objective of the present work is to fabricate, characterize and improve the performance of DSSCs based on metal free dyes as sensitizers, especially on perylene derivatives. The work begins by a general introduction to the photovoltaics and dye-sensitized solar cells, such as the operating principles and the characteristics of the DSSCs. Chapter 2 and 3 discuss the state of the art of sensitizers used in DSSCs, present the compounds used as sensitizer in the present work and illustrate practical issues of experimental techniques and device preparation. A comparative study of electrolyte-DSSCs based on P1, P4, P7, P8, P9, and P10 are presented in chapter 4. Experimental results show that the dye structure plays a crucial role in the performance of the devices. The dye based on the spiro-concept (bipolar spiro compound) exhibited a higher efficiency than the non-spiro compounds. The presence of tert-butylpyridine as additive in the electrolyte was found to increase the open circuit voltage and simultaneously decrease the efficiency. The presence of lithium ions in the electrolyte increases both output current and the efficiency. The sensitivity of the dye to cations contained in the electrolyte was investigated in the chapter 5. FT-IR and UV-Vis were used to investigate the in-situ coordination of the cation to the adsorbed dye in the working devices. The open-circuit voltage was found to depend on the number of coordination sites in the dye. P1 with most coordination sites has shown the lowest potential drop, opposite to P7, which is less sensitive to cations in the working cells. A strategy to improve the dye adsorption onto the TiO2 surface, and thus the light harvesting efficiency of the photoanode by UV treatment, is presented in chapter 6. The treatment of the TiO2 film with UV light generates hydroxyl groups and renders the TiO2 surface more and more hydrophilic. The treated TiO2 surface reacts readily with the acid anhydride group of the dye that acts as an anchoring group and improves the dye adsorption. The short-circuit current density and the efficiency of the electrolyte-based dye cells was considerably improved by the UV treatment of the TiO2 film. Solid-state dye-sensitized solar cells (SSDs) based on spiro-MeOTAD (used as hole transport material) are studied in chapter 7. The efficiency of SSDs was globally found to be lower than that of electrolyte-based solar cells. That was due to poor pore filling of the dye-loaded TiO2 film by the spin-coated spiro-MeOTAD and to the significantly slower charge transport in the spiro-MeOTAD compared to the electrolyte redox mediator. However, the presence of the donor moieties in P1 that are structurally similar to spiro-MeOTAD was found to improve the wettability of the P1-loaded TiO2 film. As a consequence the performance of the P1-based solid-state cells is better compared to the cells based on non-spiro compounds.

Strukturformen der modernen Architektur der 50er Jahre in Deutschland

In dieser Dissertation ist die Strukturform der 50er Jahre, bezogen auf den Verwaltungsbau, rückblickend geprägt durch persönliches kennen lernen direkter, zeitnaher Informationen über Konzepte fertig gestellter Bauten. Die Entstehung von Strömungen, die die Architektur der Nachkriegszeit beeinflussten, werden verknüpft und beurteilt, und durch biographische Aussagen ergänzt. Diese Strukturform, die des Skelettbaus, war das zentrale Thema der Nachkriegsarchitektur, die das Gesicht unserer Städte am meisten veränderte, besonders durch die Anwendung im Büro- und Verwaltungsbau, der erforderlich wurde durch die Veränderung der Industriegesellschaft in eine Dienstleistungsgesellschaft. Die STRUKTURFORM, die Auseinandersetzung mit der Trag-Konstruktion und ihrer ästhetischen Gestaltung mit den ihr zur Verfügung stehenden Materialien, ist die Grundlage aller architektonischen Aussagen. Das rationale, standardisierte Moment der Wiederholung, ist die Rhythmisierung elementierter Bauteile, die der Strukturform der Moderne. Sie ist ohne "Wissen" nicht in ihrem Sinn erfassbar. Ihr entscheidender Wesenszug ist die Unabhängigkeit des Begriffes der "strukturellen Form" von allen Richtungen und Strömungen in der Architektur. Sie ist eine künstlerische Schöpfung. Konstruktionsformen sind etwas anderes, nämlich die zufällige Erscheinung einer bestimmten Konstruktion. Der SKELETTBAU mit seiner beherrschenden technischen Perfektion und Präzision, vor allem im Verwaltungsbau der fünfziger Jahre, zeigt durch die Variation des Rasters, neuartig gestalterische Ansätze. Hier spiegelt sich aufs Neue die über ein Jahrhundert andauernde Auseinandersetzung mit der Technik, die der industriellen Revolution. An Beispielen der Städte DÜSSELDORF und KASSEL, wird der architektonischen Neuorientierung nach dem 2ten Weltkrieg nachgegangen. An Bauwerken, die nach 1945 in diesen Städten entstanden sind, wird die "Strukturform" (Trag-Konstruktion + ästhetische Gestaltung) analysiert. Ihre technischen Gesetzmäßigkeiten, die des modernen Bauens, und ihr Einfluss auf die Formen der Architektur werden vorwiegend nach den Theorien des Ingenieur-Architekten Dr. Curt Siegel bewertet. Kriterien zur Auswahl der Projekte waren Bauten des neonationalsozialistischen Klassizismus, die noch ganz in der Tradition der vorangegangenen Jahre standen, sowie Bauten des Übergangs, die richtungsweisend wurden für die Verwaltungsbauten der "Moderne", am Ende der 50er Jahre. Im RÜCKBLICK gesehen, am Ende des Jahrhunderts, war 1960/62 der Abschluss einer Kulturepoche in Deutschland, in der Kräfte der Beharrung und der Erneuerung nebeneinander wirkten mit konkurrierenden Vorstellungen von einem neuen Bauen. Der Strukturwandel der siebziger, achtziger Jahre in Richtung Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft bedeutet nicht das Ende der Moderne, sondern leitet eine neue Phase ein, die als "reflexive Moderne" charakterisiert wird. Das einseitige "entweder - oder" verwandelt sich in ein "sowohl - als auch". Somit ist die reflexive Moderne nicht unbedingt durch die Entstehung völlig neuer Phänomene gekennzeichnet, sondern durch die Anerkennung der Ambivalenzen und Uneindeutigkeiten der Moderne. Ihre Strukturform wird aber nicht aus reiner Intuition alleine geboren, sondern es bedarf nach wie vor des Wissens um ihre technischen Bezüge. Sie bleiben wichtigstes, formales Ausdrucksmittel des Entwerfens, der künstlerischen Schöpfung aus der Einheit aus Kunst und Technik geborener Formen.

Modellfehler und Greensche Funktionen in der Statik

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Fehlern, die bei der Berechnung von Tragstrukturen auftreten können, dem Diskretisierungs- und dem Modellfehler. Ein zentrales Werkzeug für die Betrachtung des lokalen Fehlers in einer FE-Berechnung sind die Greenschen Funktionen, die auch in anderen Bereichen der Statik, wie man zeigen kann, eine tragende Rolle spielen. Um den richtigen Einsatz der Greenschen Funktion mit der FE-Technik sicherzustellen, werden deren Eigenschaften und die konsistente Generierung aufgezeigt. Mit dem vorgestellten Verfahren, der Lagrange-Methode, wird es möglich auch für nichtlineare Probleme eine Greensche Funktion zu ermitteln. Eine logische Konsequenz aus diesen Betrachtungen ist die Verbesserung der Einflussfunktion durch Verwendung von Grundlösungen. Die Greensche Funktion wird dabei in die Grundlösung und einen regulären Anteil, welcher mittels FE-Technik bestimmt wird, aufgespalten. Mit dieser Methode, hier angewandt auf die Kirchhoff-Platte, erhält man deutlich genauere Ergebnisse als mit der FE-Methode bei einem vergleichbaren Rechenaufwand, wie die numerischen Untersuchungen zeigen. Die Lagrange-Methode bietet einen generellen Zugang zur zweiten Fehlerart, dem Modellfehler, und kann für lineare und nichtlineare Probleme angewandt werden. Auch hierbei übernimmt die Greensche Funktion wieder eine tragende Rolle, um die Auswirkungen von Parameteränderungen auf ausgewählte Zielgrößen betrachten zu können.

Modellbasierte Diagnose am Beispiel der Zylinderdrucksensorik von Ottomotoren

Die Diagnose von Fehlern des Zylinderdrucksensors wird anhand eines Ottomotors mit Saugrohreinspritzung (MPI) vorgestellt. Die physikalischen Zusammenhänge und die Einflussgrößen auf das Drehmoment des Motors werden erläutert. Hierzu werden verschiedene Modellansätze vorgestellt sowie eine Variation der Modelleingangsgrößen durchgeführt. Anhand des Verfahrens der analytischen Redundanz werden Residuen abgeleitet und die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Fehlertypen aufgezeigt. Dadurch ist eine Trennung von Fehlern des Zylinderdrucksensors gegenüber motorischen Toleranzen oder nicht zylinderdrucksensorbasierten Fehlern möglich. Handelt es sich bei dem verwendeten Motorkonzept um einen Ottomotor mit quantitätsbasierter Laststeuerung, d.h. mit gleichbleibender Gemischzusammensetzung (i.d.R. Luft-/Kraftstoffverhältnis =1), so kann bei erkanntem Fehler des Zylinderdrucksensors eine weitere Aufteilung nach verschiedenen Fehlertypen erfolgen (z.B. Hysterese, Verstärkungsfehler). Auf diese Weise können Sensortoleranzen wie der Verstärkungsfehler des Zylinderdrucksensors durch eine Adaption korrigiert werden. Die Diagnosefunktion und die Verstärkungsadaption wurde erfolgreich an einem 2,0l-Ottomotor (MPI) ohne externe Abgasrückführung (AGR) und ohne kontinuierliche Nockenwellenverstellung (KNWE) durchgeführt, wobei die erwähnten Einschränkungen in Bezug auf die Betriebsbereiche zu berücksichtigen sind. Anhand der Modellstreuungen und Modellungenauigkeiten sind die Grenzen der Diagnose und der Adaption aufgezeigt worden. Die auf einem Prototypensteuergerät implementierten Algorithmen sind echtzeitfähig, wenngleich für die Zylinderdruck- und Drehzahlauswertung eine hohe Rechenleistung erforderlich ist.

Einführung in die systematische Literaturrecherche mit den Datenbanken "PsycINFO", "Pubmed" und "PEP – Psychoanalytic Electronic Publishing" sowie in das Literaturverwaltungsprogramm "Citavi"

Bewegt man sich als Studentin oder Student in psychologischen, medizinischen oder pädagogischen Studiengängen, ist häufig eine systematische Literaturrecherche unerlässlich, um sich über den neuesten Forschungsstand in einem bestimmten Themenfeld zu informieren oder sich in ein neues Thema beispielsweise für die Abschlussarbeit einzuarbeiten. Literaturrecherchen sind zentraler Bestandteil jeden wissenschaftlichen Arbeitens. Die recherchierten Literaturangaben und Quellen bilden die Bausteine, auf denen die Darstellung des Wissens in Hausarbeiten, Magister-, Diplomarbeiten und später Doktorarbeiten basiert. In Form von Quellenangaben, z.B. durch indirekte oder direkte Zitate oder Paraphrasierungen werden Bezugnahmen auf die bereits vorhandene Literatur transparent gemacht. Häufig genügt ein Blick auf eine Literaturliste um zu erkennen, wie Literatur gesucht und zusammengestellt wurde. Wissenschaftliches Arbeiten unterscheidet sich von künstlerischem Arbeiten durch seine Systematik und intersubjektive Nachvollziehbarkeit. Diese Systematik sollte bereits bei der Literaturrecherche beginnen und sich am Ende der Arbeit in der Literaturliste widerspiegeln. Auch wenn in einer Magister-, Diplom- und noch weniger in einer Hausarbeit die gesamte, gefundene Literatur verwendet wird, sondern nur eine sehr kleine Auswahl in die Arbeit einfließt, ist es anstrebenswert, sich über die möglichen Suchstrategien im Einzelnen klar zu werden und sich systematisch durch den Berg von Literatur(einträgen) nach einer Recherche zu einer einschlägigen und begründeten Auswahl vorzuarbeiten. Hier stellen die schnell wachsenden Wissensbestände eine besondere Herausforderung an Studierende und Wissenschaftler. Die Recherche am „Zettelkasten‟ in der Bibliothek ist durch die Online-Recherche ersetzt worden. Wissenschaftliche Literatur wird heute in erster Linie digital gesucht, gefunden und verwaltet. Für die Literatursuche steht eine Vielfalt an Suchmaschinen zur Verfügung. Doch welche ist die richtige? Und wie suche ich systematisch? Wie dokumentiere ich meine Suche? Wie komme ich an die Literatur und wie verwalte ich die Literatur? Diese und weitere Fragen haben auch wir uns gestellt und für alle Studierenden der Fächer Psychologie, Psychoanalyse, Medizin und Pädagogik diese Handreichung geschrieben. Sie will eine Hilfe bei der konkreten Umsetzung einer Literaturrecherche sein.

Untersuchungen zu Fabry-Pérot Filterfeldern: Herstellung mittels Nanoimprinttechnologie, experimentelle Charakterisierung und Anwendungen

Die spektrale Zusammensetzung von Licht ändert sich, wenn es mit gasförmiger, flüssiger oder fester Materie d.h. mit Ionen, Atomen, Molekülen, Atom- und Molekülverbänden und amorphen oder kristallinen Festkörpern interagiert. Spektroskopische Messungen des Lichts nach der Wechselwirkung geben Aufschluss über die Eigenschaften der zu untersuchenden Materie [2]. Viele der heute noch nicht realisierbaren Ideen und Konzepte in den verschiedensten Anwendungsfeldern der Sensorik benötigen aber für ihre Umsetzung extrem miniaturisierte Spektrometer als Kernbestandteil der Sensoren. Ziel ist es jedoch nicht, dem Anwender dieser Sensoren Informationen über das Spektrum zu liefern, sondern die ausgewerteten spektralen Information als Indikator zum Handeln zu nutzen. Derartige intelligente Sensoren werden in Zukunft unter anderem dazu beitragen intelligente persönliche Umgebungen (engl.: smart rooms, smart buildings, smart cities, samrt personal environments) zu entwerfen und zu realisieren. Grundvoraussetzung für die Erschließung der verschiedenen Anwendungsgebiete sind Spektrometer, die die Anforderungen an niedrige Kosten, hohe Stückzahlen sowie geringe Größe und geringes Gewicht besser als verfügbare Hochleistungsgitter-Spektrometer erfüllen, die zwar bereits in den Bereich weniger Zentimeter miniaturisiert wurden, aber immer noch makroskopisch sind. Ziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen, dass es möglich ist, ein Fabry-Pérot Filterfeld herzustellen, welches später den Kern eines Nanospektrometers darstellen soll, bei dem die unterschiedlichen Kavitäten in einem einzigen Schritt mithilfe der Nanoimprint-Technologie erzeugt werden. Angesichts des Forschungsdefizits hinsichtlich der Nutzung der Nanoimprint-Technologie zur Fertigung von in ihrer Höhe exakten Strukturen werden in der vorliegenden Arbeit zwei Nanoimprint-Technologien untersucht: Das Heißprägen und das UV-Prägen. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Fabry-Pérot Filterfeld, welches mittels geeigneter Nanoimprint-Technologie hergestellt wurde und demonstriert, dass ein Nanospektrometer auf der Basis eines Feldes von Filtern technisch realisierbar ist. Dazu werden im praktischen Teil dieser Arbeit (Untersuchung der Prägeprozesse) verschiedene technologische Methoden und Maschinen vorgestellt und die damit erreichten Ergebnisse hinsichtlich der Fabry-Pérot-Filterfelder verglichen. Die hergestellten Filterfelder wurden systematisch spektral vermessen. Diese Analyse zeigt 64 Transmissionsbänder der einzelnen Filter eines Feldes. Ein Vergleich mit publizierten Arbeiten des Standes der Wissenschaft und Technik zeigt, dass im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine deutliche Verbesserung erreicht wurde. So konnte eine drastische Steigerung der transmittierten Lichtintensität der Filter erzielt werden und eine Nanoimprint-Methode identifiziert werden, mit welcher es möglich ist, einen Demonstrator herzustellen. Aufgrund der im Rahmen einer ausführlichen Charakterisierung ermittelten sehr guten experimentellen Ergebnisse des Demonstrators kann ein Nanospektrometer mit dem Fabry-Pérot-Filterfeld als Kernbestandteil in Zukunft hergestellt werden.

Highly Sensitive Sensor Based On Intracavity Laser Absorption Spectroscopy By Means of Relative Intensity Noise

This thesis concerns with the main aspects of medical trace molecules detection by means of intracavity laser absorption spectroscopy (ICLAS), namely with the equirements for highly sensitive, highly selective, low price, and compact size sensor. A novel two modes semiconductor laser sensor is demonstrated. Its operation principle is based on the competition between these two modes. The sensor sensitivity is improved when the sample is placed inside the two modes laser cavity, and the competition between the two modes exists. The effects of the mode competition in ICLAS are discussed theoretically and experimentally. The sensor selectivity is enhanced using external cavity diode laser (ECDL) configuration, where the tuning range only depends on the external cavity configuration. In order to considerably reduce the sensor cost, relative intensity noise (RIN) is chosen for monitoring the intensity ratio of the two modes. RIN is found to be an excellent indicator for the two modes intensity ratio variations which strongly supports the sensor methodology. On the other hand, it has been found that, wavelength tuning has no effect on the RIN spectrum which is very beneficial for the proposed detection principle. In order to use the sensor for medical applications, the absorption line of an anesthetic sample, propofol, is measured. Propofol has been dissolved in various solvents. RIN has been chosen to monitor the sensor response. From the measured spectra, the sensor sensitivity enhancement factor is found to be of the order of 10^(3) times of the conventional laser spectroscopy.

Supporting co-operative work in apron control and resource management offices on airports

A high demand exists to increase the efficiency of present airport ground facilities and the co-ordination of traffic and services. The Traffic Office plays a crucial role in managing the airport. The main tasks of the Traffic Office is management of equipment, services, and ressources based on the flight schedule and resolving conflicts arising from deviations from the schedule. A new tool will support information exchange between Traffic Office and other facilities on the airport.

An Experimental Multimedia Process Control Room

The centralised control rooms of large industrial plants have separated people from the processes they should control. Perception is restricted mainly to the visual sense. Only telephone or radio links provide narrow-band voice communication with maintenance personnel down in the plant. Multimedia equipment can perceptionally bring back the operator into the plant while bodily keeping him the comfortable and safe control room. This involves video and audio transmission from process components as well as sights and sounds artificially generated from measurements. Groupware systems support inter-action between operators, engineers, and managers in different plants. With support from the German government, the state of Hessen, and industrial companies the Laboratory for Systems Engineering and Human-Machine Systems at the University of Kassel establishes an Experimental Multimedia Process Control Room. Core of this set-up are two high-performance graphics workstations linked to one of several process or vehicle simulators. Multimedia periphery includes video and teleconferencing equipment and a vibration and sound generation system.

Chancen und Risiken der Arbeit im E-Business

E-Business, verstanden als ganzheitliche Strategie zur Reorganisation von Geschäftsprozessen, Strukturen und Beziehungen in Unternehmen, bietet für die Arbeitsgestaltung in einer digital vernetzten Welt Chancen und Risiken in Hinblick auf die Humankriterien. Empirische Untersuchungen in 14 Unternehmen zeigen „good practice“-Ansätze im B2B-Feld (Business-to-Business). Untersucht wurden die Tätigkeiten der elektronisch vernetzten Auftragsbearbeitung, des Web-, Content-Managements, der digitalen Druckvorlagenherstellung sowie der CAD- Bauplanzeichnung. Die beobachteten Arbeitsplätze zeigen, dass Arbeitsinhalte eher ganzheitlich und komplex gestaltet sind. Planende, ausführende, kontrollierende und organisierende Anteile weisen auf eine vielfältige Aufgabengestaltung hin, die hohe Anforderungen beinhaltet. Während alle beobachteten Tätigkeiten mit Aufnahme-, Erarbeitungs-, Verarbeitungs-, Übertragungs- und Weitergabeprozessen von Informationen zu tun haben, gibt es Differenzen in Bezug auf den Arbeitsumfang, den Zeitdruck, Fristsetzungen, erwartete Arbeitsleistungen sowie die Planbarkeit der Aufgaben. Die vorgefundenen Aufgabentypen (wenig bis sehr anforderungsreich im Sinne von Denk- und Planungsanforderungen) sind gekennzeichnet durch eine unterschiedlich ausgeprägte Aufgabenkomplexität. Interessant ist, dass, je anforderungsreicher die Aufgabengestaltung, je höher die Aufgabenkomplexität, je größer die Wissensintensität und je niedriger die Planbarkeit ist, desto größer sind die Freiräume in der Aufgabenausführung. Das heißt wiederum, dass bei zunehmenden E-Business-Anteilen mehr Gestaltungsspielräume zur Verfügung stehen. Die bestehenden Chancen auf eine humane Aufgabengestaltung sind umso größer, je höher die E-Business-Anteile in der Arbeit sind. Diese Wirkung findet sich auch bei einem Vergleich der Aufgabenbestandteile wieder. Die negativen Seiten des E-Business zeigen sich in den vorgefundenen Belastungen, die auf die Beschäftigten einwirken. Diskutiert wird die Verschiebung von körperlichen hin zu psychischen und vorrangig informatorischen Belastungen. Letztere stellen ein neues Belastungsfeld dar. Ressourcen, auf welche die Mitarbeiter zurückgreifen können, sind an allen Arbeitsplätzen vorhanden, allerdings unterschiedlich stark ausgeprägt. Personale, organisationale, soziale, aufgabenbezogene und informatorische Ressourcen, die den Beschäftigten zur Verfügung stehen, werden angesprochen. In Bezug auf die Organisationsgestaltung sind positive Ansätze in den untersuchten E-Business-Unternehmen zu beobachten. Der Großteil der untersuchten Betriebe hat neue Arbeitsorganisationskonzepte realisiert, wie die vorgefundenen kooperativen Organisationselemente zeigen. Die kooperativen Organisationsformen gehen allerdings nicht mit einer belastungsärmeren Gestaltung einher. Das vorgefundene breite Spektrum, von hierarchisch organisierten Strukturen bis hin zu prozess- und mitarbeiterorientierten Organisationsstrukturen, zeigt, dass Organisationsmodelle im E-Business gestaltbar sind. Neuen Anforderungen kann insofern gestaltend begegnet und somit die Gesundheit und das Wohlbefinden der Mitarbeiter positiv beeinflusst werden. Insgesamt betrachtet, zeigt E-Business ein ambivalentes Gesicht, das auf der Basis des MTO-Modells (Mensch-Technik-Organisation) von Uhlich (1994) diskutiert wird, indem vernetzte Arbeitsprozesse auf personeller, technischer sowie organisationaler Ebene betrachtet werden. E-business, seen as more than only the transformation of usual business processes into digital ones, furthermore as an instrument of reorganisation of processes and organisation structures within companies, offers chances for a human oriented work organisation. Empirical data of 14 case studies provide good practice approaches in the field of B2B (Business-to-Business). The observed work contents show, that tasks (e.g. order processing, web-, contentmanagement, first print manufacturing and architectural drawing) are well arranged. Executive, organising, controlling and coordinating parts constitute a diversified work content, which can be organised with high demands. Interesting is the result, that the more e-business-parts are within the work contents, on the one hand the higher are the demands of the type of work and on the other hand the larger is the influence on workmanship. The observed enterprises have realised new elements of work organisation, e.g. flexible working time, cooperative leadership or team work. The direct participation of the employees can be strengthened, in particular within the transformation process. Those companies in which the employees were early and well informed about the changes coming up with e-business work, the acceptance for new technique and new processes is higher than in companies which did not involve the person concerned. Structured in an ergonomic way, there were found bad patterns of behaviour concerning ergonomic aspects, because of missing knowledge regarding work-related ergonomic expertise by the employees. E-business indicates new aspects concerning requirements – new in the field of informational demands, as a result of poorly conceived technical balance in the researched SME. Broken systems cause interruptions, which increase the pressure of time all the more. Because of the inadequate usability of software-systems there appear in addition to the informational strains also elements of psychological stress. All in all, work contents and work conditions can be shaped and as a result the health and well-being of e-business-employees can be influenced: Tasks can be structured and organised in a healthfulness way, physiological strain and psychological stress are capable of being influenced, resources are existent and developable, a human work design within e-business structures is possible. The ambivalent face of e-business work is discussed on the basis of the MTO- (Mensch-Technik-Organisation) model (Ulich 1994). Thereby new and interesting results of researches are found out, concerning the personal/human side, the technical side and the organisational side of e-business work.

Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Professionswissen von Lehrkräften der Naturwissenschaften im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung

Die Ergebnisse internationaler Schulleistungsstudien wie TIMMS und PISA haben eine umfassende Diskussion zur Qualität, Struktur und Effizienz der Ausbildung und berufsbegleitenden Qualifizierung im deutschen Bildungssystem angestoßen. Die Kultusministerkonferenz der Länder (KMK) hat mit ihren Beschlüssen zu fachbezogenen Bildungsstandards für den mittleren Schulabschluss erstmalig ein funktionales und länderübergreifendes Konzept vorgelegt, in dem Bildung durch Kompetenzen beschrieben wird. Die von den Schülerinnen und Schülern zu erreichenden Kenntnisse und Fertigkeiten werden in Standards konkretisiert, die in den Bereichen Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung als Regelstandards organisiert sind. Die ländergemeinsamen Anforderungen für die Fachwissenschaften und Fachdidaktiken und die Standards für die Lehrerbildung beschreiben ein auf die Bildungsstandards bezugnehmendes Anforderungsprofil auf Seiten der Lehrkräfte zur Sicherung der Qualität in der Aus-, Fort- und Weiterbildung in allen drei Phasen der Lehrerbildung, mit dem Ziel eine kompetente Berufsausübung zu gewährleisten. Durch die Einführung des Kompetenzbegriffs werden somit auch die Kenntnisse und Fertigkeiten von Lehrkräften der Naturwissenschaften beschrieben, die auf Lehr- und Lernsituationen im Kompetenzbereich Fachwissen und Erkenntnisgewinnung ausgerichtet sind. Diese Standards markieren den Einstieg in ein Qualitätsmanagement, in dem normativen Standards konkretisiert und fachbezogen operationalisiert werden. Deren Evaluation ermöglicht eine empirisch fundiertere Darstellung der Lehrerbildung, die somit auch einen Beitrag zu einer weitergehenden Beschreibung des Professionswissens von Lehrkräften leistet. Allerdings ist im deutschsprachigen Raum bislang noch kein umfassendes Modell zum Professionswissen von Lehrkräften der Naturwissenschaften und einer niveaubezogenen Differenzierung ausgewiesener Kompetenzen verfügbar. Erste Strukturierungsansätze weisen auf die besondere Bedeutung der Bereiche Fachwissen, Fachdidaktisches Wissen und Pädagogisches Wissen hin. Insbesondere das in diesen Bereichen organisierte Wissen und Können von Lehrkräften ist für eine professionelle Handlungskompetenz von besonderer Bedeutung, die einen bedeutsamen Prädiktor für die Unterrichtsqualität darstellt und den Erwerb von Kenntnissen und Fertigkeiten im naturwissenschaftlichen Unterricht maßgeblich beeinflusst. Wesentliche Elemente einer umfassenden naturwissenschaftlichen Grundbildung werden in den Standards der Kompetenzbereiche Fachwissen und Erkenntnisgewinnung konkretisiert, die auch im Focus der Standards der Lehrerbildung in den naturwissenschaftlichen Fächern stehen. Die Kompetenzkonstrukte und Standards der Erkenntnisgewinnung systematisieren prozessbezogen zentrale Kompetenzen Fachmethodischen Wissens im Kontext einer naturwissenschaftlichen Untersuchung. Das Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen von Mayer (2007) weist die Standards der Erkenntnisgewinnung in den Teilkompetenzen, bezogen auf die Phasen einer naturwissenschaftlichen Untersuchung, aus. Die vorliegende Untersuchung ist auf die Erhebung und Beschreibung von Kenntnissen und Fertigkeiten von Lehrkräften in den Kompetenzkonstrukten und Standards der Erkenntnisgewinnung ausgerichtet. Es wird untersucht, in welcher Weise die in den Kompetenzkonstrukten und Standards der Erkenntnisgewinnung beschriebenen wissenschaftsmethodischen Kompetenzen bei der Anlage fachdidaktisch begründeter Lernprozesse von den Lehrkräften berücksichtigt werden. Zudem wird der Frage nachgegangen, welche Erwartungen die Lehrkräfte an die Wirksamkeit ihrer Unterrichtsgestaltung in Bezug auf den intendierten Kompetenzerwerb wissenschaftsmethodischer Kompetenzen im naturwissenschaftlichen Unterricht haben. Im Anschluss wird das auf Seiten der Lehrkräfte verfügbare Fachmethodische Wissen beschrieben, auf das bei der Konkretisierung der Standards der Erkenntnisgewinnung im naturwissenschaftlichen Fachunterricht zurückgegriffen werden kann. Begleitend werden die Fächerkombination und das Lehramt als relevante Prädiktorvariablen im Hinblick auf die ausgewiesenen Fragestellungen betrachtet. Als Instrument wurde ein Erhebungsbogen entwickelt, der im Kooperationsprojekt „Kompetenzorientiert unterrichten in Mathematik und Naturwissenschaften“ der Universitäten Kassel und Gießen mit dem Amt für Lehrerbildung in Frankfurt zur Datenerhebung eingesetzt wurde. Den an der hessenweiten Qualifizierung teilnehmenden Lehrkräften (N = 282) wurde ein Erhebungsbogen mit 3 Instrumenten zu Beginn der Qualifizierung vorgelegt. Im ersten Instrument wurden die Ziele des naturwissenschaftlichen Arbeitens durch 24 Items abgebildet, die eine Selbstauskunft der Lehrkräfte durch eine sechsstufige Likert Skala erheben. Acht offene Testaufgaben haben im zweiten Instrument die wissenschaftsmethodischen Kenntnisse der Lehrkräfte in den Kompetenzkonstrukten und Standards der Erkenntnisgewinnung erhoben. Im dritten Instrument konnten die Lehrkräfte in drei freien Antwortformaten ihre Erwartungen an eine Qualifizierung im Kooperationsprojekt angeben. Wie die statistische Bearbeitung der Daten ausweist, berücksichtigen die Lehrkräfte die Kompetenzkonstrukte und Standards der Erkenntnisgewinnung in der Facette „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und ihrer Dimensionen durchgängig „oft“. Lehrkräfte mit zwei naturwissenschaftlichen Fächern berücksichtigen die Kompetenzkonstrukte zudem häufiger bei der Anlage fachbezogenen Lernens. Im Hinblick auf die Erwartungen an die Lernprogression der Schülerinnen und Schüler werden die kompetenzbezogenen Ziele im naturwissenschaftlichen Unterricht nach Selbstauskunft der Lehrkräfte in der Facette „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ und ihrer Dimensionen „oft“ erreicht. Nach der Selbstauskunft der Lehrkräfte gehen diese davon aus, dass die intendierte Lernprogression wissenschaftsmethodischer Kenntnisse und Fertigkeiten von den Lernenden „oft“ erreicht wird. Insbesondere der Dimension Arbeitstechniken wird von den Lehrkräften in beiden Facetten ein gleichermaßen hoher Stellenwert im naturwissenschaftlichen Unterricht beigemessen. Ein Vergleich der Facetten „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ und ihrer Dimensionen zeigt allerdings auch, dass die Lehrkräfte die intendierte Lernprogression der Lernenden im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung schwächer einschätzen. Des Weiteren besteht ein belastbarer Zusammenhang zwischen der Planung von Lernprozessen und dem Erwerb von Kenntnissen und Fertigkeiten im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die mittleren bis hohen Korrelationen zwischen den Facetten „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ deuten darauf hin, dass die seitens der Lehrkräfte eingesetzten fachmethodischen Kenntnisse in einem unmittelbaren Zusammenhang mit der Lernprogression im naturwissenschaftlichen Unterricht gesehen werden. Die Kompetenzkonstrukte und Standards der Erkenntnisgewinnung werden von den Lehrkräften durchgängig berücksichtigt und als bedeutsam im naturwissenschaftlichen Fachunterricht erachtet. Bezüglich der Prädiktorvariablen Lehramt und Alter liegen keine statistisch bedeutsamen Befunde vor. Die Standards der KMK werden von den Lehrkräften im Bereich Fachwissen und Fachdidaktischem Wissen gleichermaßen, unabhängig von ihrer Berufspraxis, umgesetzt. Die von den Lehrkräften angegebenen Lösungen der offenen Aufgaben in den Teilkompetenzen einer naturwissenschaftlichen Untersuchung lassen sich weitgehend der Niveaustufe 1 zuordnen. Lehrkräfte mit dem Lehramt für Gymnasien lösen die Aufgaben auf einem höheren Niveau, das allerdings die Niveaustufe 2 noch nicht erreicht. Offenbar gelingt es diesen Lehrkräften umfassender Kenntnisse und Fertigkeiten in den Teilkompetenzen einer naturwissenschaftlichen Untersuchung zu aktivieren. Allerdings werden die mittleren Anforderungen, die national und international der Niveaustufe 3 zugeordnet werden, von den Lehrkräften durchgängig nicht erreicht. Zudem besteht zwischen den beiden Facetten „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ und den offenen Aufgaben kein statistisch bedeutsamer Zusammenhang. Die Lehrkräfte setzen ihre Kenntnisse und Fertigkeiten mit den Anforderungen eines kompetenzorientierten naturwissenschaftlichen Fachunterrichts nur unzureichend in Beziehung. Wie die Befunde der im dritten Instrument erhobenen Erwartungen und Ziele einer Qualifizierung zeigen, bringen die Lehrkräfte die Bereitschaft mit, sich aktiv in die Qualitätsentwicklung einzubringen. Sie erwarten von dem kumulativen Kompetenzerwerb in den Bereichen Fachwissen und Fachmethodisches Wissen einen wesentlichen Beitrag zur Gestaltung standardorientierter Lehr- und Lernsituationen.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.