Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system

A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.

Gestaltpädagogische Elemente in der Berufspädagogik. Potentielle Erträge gestaltpädagogischer Ansätze für die berufliche Bildung. Konzepte, Fundierung, Realisierungsformen.

Gestaltpädagogische Elemente in der Berufspädagogik Potentielle Erträge gestaltpädagogischer Ansätze für die berufliche Bildung - Konzepte, Fundierung, Realisierungsformen - Zusammenfassung: Berufsausbilder, Berufsschullehrer und Trainer in der Aus- und Weiterbildung werden heute mit vielfältigen Veränderungen konfrontiert. Aufgrund des Technikeinsatzes zeigt sich in vie-len Unternehmen ein Wandel der beruflich organisierten Arbeit. Die wirtschaftlichen, techni-schen und sozialen Systemzusammenhänge werden zunehmend komplexer, dynamischer, enger vernetzt und normativ unbestimmter. Die technologische Entwicklung, vor allem der Kommunikationsmedien, hat eine Temposteigerung der Informationsübermittlung zur Folge, die gleichzeitig das Wissen erhöht. Mit der Forderung nach Schlüsselqualifikationen und der Wiederentdeckung ganzheitlicher Arbeitssituationen ist das Bestreben nach Bildungskonzep-ten verbunden, die mit der Herausbildung von Kompetenzen, wie vernetztes, system- und handlungsbezogenes Denken in komplexen Kontexten, Abstraktionsvermögen, systemati-sches Verständnis von Organisationsinterdependenzen, Selbstständigkeit, Selbstverantwor-tung, soziale, methodische und kommunikative Kompetenz und Innovationskraft korrespon-dieren. Unter dem Blickwinkel der Gestaltpädagogik fällt auf, dass die Berufspädagogik Methoden und Techniken in der betrieblichen Aus- und Weiterbildung nutzt, die wesentliche Elemente der Gestaltpädagogik enthalten. Eine konkrete theoretische Fundierung und Einbettung in die Berufspädagogik fehlt jedoch bisher. Die primäre Zielsetzung der Arbeit ist, die theoretischen Grundlagen der Gestaltpädagogik herauszuarbeiten und sie mit der Berufspädagogik in Verbindung zu bringen. An Beispielen wird aufgezeigt, wie gestaltpädagogische Aspekte in die betriebliche Aus- und Weiterbildung einfließen. Dabei werden unter anderem auch die Grenzen und Potentiale der Gestaltpädago-gik für die Berufspädagogik betrachtet. Die theoretische und praktische Relevanz der Arbeit ergibt sich daraus, dass erstmals berufs-pädagogische Vorgehensweisen der Praxis im Hinblick auf gestaltpädagogische Aspekte un-tersucht wurden. Die wesentlichen Forschungsergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: In der betrieblichen Aus- und Weiterbildung kommen Methoden und Vorgehensweisen zum Einsatz, die oberflächlich betrachtet gestaltpädagogischen Charakter haben. Jedoch werden die gestaltpädagogischen Grundgedanken, wie z.B. eine ganzheitlich umfassende Persönlich-keitsentwicklung, persönlich bedeutsames Lernen, Förderung der sozialen Interaktionsfähig-keit oder die Förderung der Autonomie in der betrieblichen Bildungsarbeit auf ein Minimum reduziert. Die gestaltpädagogischen Methoden und Vorgehensweisen werden überwiegend auf ökonomische Zwecke hin ausgerichtet und funktionalisiert eingesetzt. Man kann sagen, dass sich die betriebliche Praxis mit der Aneinanderreihung von kreativen Übungen zufrieden gibt, und eine Tendenz zu erlebnisaktivierenden Vorgehensweisen zu erkennen ist.

Wechselwirkung von im NANOJET erzeugten Teilchen mit Polymeren und biologischen Objekten

Am Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik wurde eine neue Technik entwickelt, die neue Anwendungen und Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf Basis eines neuen Verfahrens erschlossen hat. NANOJET führt über die passive Rastersondenmikroskopie hinaus zu einem vielseitigen, aktiven Bearbeitungswerkzeug auf der Mikro- und Nanometerskala. NANOJET (NANOstructuring Downstream PlasmaJET) ist eine aktive Rasterkraft-Mikroskopie-Sonde. Radikale (chemisch aktive Teilchen, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen) strömen aus dem Ende einer ultradünnen, hohlen Rasterkraftmikroskop-Spitze. Dadurch wird es möglich, über die übliche passive Abtastung einer Probenoberfläche hinausgehend, diese simultan und in-situ durch chemische Reaktionen zu verändern. Die Abtragung von Material wird durch eine chemische Ätzreaktion erreicht. In dieser Arbeit wurde zum größten Teil Photoresist als Substrat für die Ätzexperimente verwendet. Für das Ätzen des Resists wurden die Atome des Fluors und des Sauerstoffs im Grundzustand als verantwortlich identifiziert. Durch Experimente und durch Ergänzung von Literaturdaten wurde die Annahme bestätigt, dass Sauerstoffradikale mit Unterstützung von Fluorradikalen für die hohen erzielten Ätzraten verantwortlich sind. Die Beimischung von Fluor in einem Sauerstoffplasma führt zu einer Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ätzreaktion gegenüber Verwendung reinen Sauerstoffs. In weiterer Folge wurde ein Strukturierungsverfahren dargestellt. Hierbei wurden "geformte Kapillaren" (mikrostrukturierte Aperturen) eingesetzt. Die Herstellung der Aperturen erfolgte durch einen elektrochemischen Ätzstop-Prozess. Die typische Größe der unter Verwendung der "geformten Kapillaren" geätzten Strukturen entsprach den Kapillarenöffnungen. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationsprogramm entwickelt, welches den Transport der reaktiven Teilchen in der langen Transportröhre simulierte. Es wurde sowohl die Transmission der Teilchen in der Transportröhre und der Kapillare als auch ihre Winkelverteilung nach dem Verlassen der Kapillare berechnet. Das Aspektverhältnis der Röhren hat dabei einen sehr starken Einfluss. Mit einem steigenden Aspektverhältnis nahm die Transmission exponentiell ab. Die geschaffene experimentelle Infrastruktur wurde genutzt, um auch biologische Objekte zu behandeln und zu untersuchen. Hierfür wurde eine neue Methodik entwickelt, die eine dreidimensionale Darstellung des Zellinneren erlaubt. Dies wurde durch die kontrollierte Abtragung von Material aus der Zellmembran durchgeführt. Die Abtragung der Zellmembran erfolgte mittels Sauerstoffradikalen, die durch eine hohle Spitze lokalisiert zum Ort der Reaktion transportiert wurden. Ein piezoresistiver Cantilever diente als Sensor in dem zur Bildgebung eingesetzten RKM. Das entwickelte Verfahren ermöglicht es nun erstmals, schonend Zellen zu öffnen und die innen liegenden Organellen weiter zu untersuchen. Als Nachweis für weitere Verwendungsmöglichkeiten des NANOJET-Verfahrens wurde auch Knochenmaterial behandelt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass das Verfahren für vielfältige biologische Materialien verwendbar ist und somit nun ein weiter Anwendungskreis in der Biologie und Medizin offen steht.

Quasi-Interpolation von Funktionen und Anwendungen auf Potentialprobleme

Ausgangspunkt der Dissertation ist ein von V. Maz'ya entwickeltes Verfahren, eine gegebene Funktion f : Rn ! R durch eine Linearkombination fh radialer glatter exponentiell fallender Basisfunktionen zu approximieren, die im Gegensatz zu den Splines lediglich eine näherungsweise Zerlegung der Eins bilden und somit ein für h ! 0 nicht konvergentes Verfahren definieren. Dieses Verfahren wurde unter dem Namen Approximate Approximations bekannt. Es zeigt sich jedoch, dass diese fehlende Konvergenz für die Praxis nicht relevant ist, da der Fehler zwischen f und der Approximation fh über gewisse Parameter unterhalb der Maschinengenauigkeit heutiger Rechner eingestellt werden kann. Darüber hinaus besitzt das Verfahren große Vorteile bei der numerischen Lösung von Cauchy-Problemen der Form Lu = f mit einem geeigneten linearen partiellen Differentialoperator L im Rn. Approximiert man die rechte Seite f durch fh, so lassen sich in vielen Fällen explizite Formeln für die entsprechenden approximativen Volumenpotentiale uh angeben, die nur noch eine eindimensionale Integration (z.B. die Errorfunktion) enthalten. Zur numerischen Lösung von Randwertproblemen ist das von Maz'ya entwickelte Verfahren bisher noch nicht genutzt worden, mit Ausnahme heuristischer bzw. experimenteller Betrachtungen zur sogenannten Randpunktmethode. Hier setzt die Dissertation ein. Auf der Grundlage radialer Basisfunktionen wird ein neues Approximationsverfahren entwickelt, welches die Vorzüge der von Maz'ya für Cauchy-Probleme entwickelten Methode auf die numerische Lösung von Randwertproblemen überträgt. Dabei werden stellvertretend das innere Dirichlet-Problem für die Laplace-Gleichung und für die Stokes-Gleichungen im R2 behandelt, wobei für jeden der einzelnen Approximationsschritte Konvergenzuntersuchungen durchgeführt und Fehlerabschätzungen angegeben werden.

Lebensmittelqualität zwischen Geschmack und Zeichen

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Lebensmittelqualität am Beispiel von Speisequark aus hofeigener und industrieller Verarbeitung mit natur- und kulturwissenschaftlichen Methoden zu erfassen bzw. zu betrachten. Das Neue dieser interdisziplinären Arbeit lag in der Entwicklung von Verbindungen zwischen hedonischen/sensorischen, ökologischen und kulturellen Qualitäten von Speisequark. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine sensorische Schulung für die hofeigene Milchverarbeitung entwickelt und erprobt, um die Ergebnisse dieser Arbeit in die Praxis umzusetzen. Zuerst musste ein theoretischer Ansatz entwickelt werden, der die Esshandlungen der Verbraucher als Integrationsmoment von objektiven, subjektiven und sozial-kulturellen Qualitäten betrachtet. Bei diesem handlungstheoretischen Ansatz galt es, die Trennung zwischen objektiven und subjektiven Qualitäten zu überwinden, indem über Esshandlungen der Verbraucher integrierte Verbindungen zwischen hedonischen/sensorischen, ökologischen und kulturellen Qualitäten am Beispiel von Speisequark entwickelt wurden. Als empirische Grundlage wurde erstens die sensorische Qualität mit Profilprüfungen erfasst. Zweitens wurde die ökologische Qualität mit einer Verbraucherumfrage und Conjoint-Analyse und drittens die kulturelle Qualität mit einer semiotischen Analyse betrachtet. Die diskursiven Begründungen des Esshandelns, die in ermittelnden Gruppendiskussionen qualitativ erhoben wurden, zeigten deutlich, dass diese drei Qualitäten des Hofquarks untrennbar miteinander verbunden sind. Der komplexe Begriff authentisch, mit dem die Verbraucher Hofquark charakterisierten, beinhaltete vor allem den Geschmack, aber auch die damit verbundene handwerkliche Herstellungsweise, die Verpackung, die regionale Herkunft und die ökologische Anbauweise. Hofquark ist aus Verbrauchersicht ein gutes Lebensmittel, das seine besondere Bedeutung (kulturellen Wert) auch dadurch erhält, was es nicht ist, nämlich ein industrielles Molkereiprodukt. Der neue natur- und kulturwissenschaftliche Ansatz dieser Arbeit stellt gleichzeitig ein Plädoyer für eine mehrdimensionale Qualitätsbetrachtung von Lebensmitteln dar. Aus interdisziplinärer Sicht besteht hierzu noch ein großer Forschungsbedarf.

Automatische Berechnung von Grenzwerten und Implementierung in Mathematica

Grenzwertberechnung ist ein unbeliebtes Gebiet der Mathematik. Jeder Schüler hasst es. Das liegt daran, dass es kein universelles Kochrezept gibt, das einen automatisch zur Lösung führt. Statt dessen muss man verschiedenste Ansätze daraufhin überprüfen, ob sie einen einer Lösung näher bringen. Computeralgebra leidet unter dem gleichen Problem, denn Computer lieben Kochrezepte ebenfalls. Entsprechend haben manche Computeralgebrasysteme auch heute noch starke Probleme mit Grenzwerten. 1996 stellte Dominik Gruntz in seiner Dissertation "On Computing Limits in a Symbolic Manipulation System" einen Algorithmus vor, der eine Vielzahl komplexer Grenzwertaufgaben souverän und schnell lösen kann und der dennoch durch seine Einfachheit und Überschaubarkeit besticht. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, den Algorithmus von Dominik Gruntz vorzustellen und im Computeralgebrasystem Mathematica zu implementieren.