Large Numerical Models in Continuous Hybrid Simulation

Hybrid simulation is a technique that combines experimental and numerical testing and has been used for the last decades in the fields of aerospace, civil and mechanical engineering. During this time, most of the research has focused on developing algorithms and the necessary technology, including but not limited to, error minimisation techniques, phase lag compensation and faster hydraulic cylinders. However, one of the main shortcomings in hybrid simulation that has pre- vented its widespread use is the size of the numerical models and the effect that higher frequencies may have on the stability and accuracy of the simulation. The first chapter in this document provides an overview of the hybrid simulation method and the different hybrid simulation schemes, and the corresponding time integration algorithms, that are more commonly used in this field. The scope of this thesis is presented in more detail in chapter 2: a substructure algorithm, the Substep Force Feedback (Subfeed), is adapted in order to fulfil the necessary requirements in terms of speed. The effects of more complex models on the Subfeed are also studied in detail, and the improvements made are validated experimentally. Chapters 3 and 4 detail the methodologies that have been used in order to accomplish the objectives mentioned in the previous lines, listing the different cases of study and detailing the hardware and software used to experimentally validate them. The third chapter contains a brief introduction to a project, the DFG Subshake, whose data have been used as a starting point for the developments that are shown later in this thesis. The results obtained are presented in chapters 5 and 6, with the first of them focusing on purely numerical simulations while the second of them is more oriented towards a more practical application including experimental real-time hybrid simulation tests with large numerical models. Following the discussion of the developments in this thesis is a list of hardware and software requirements that have to be met in order to apply the methods described in this document, and they can be found in chapter 7. The last chapter, chapter 8, of this thesis focuses on conclusions and achievements extracted from the results, namely: the adaptation of the hybrid simulation algorithm Subfeed to be used in conjunction with large numerical models, the study of the effect of high frequencies on the substructure algorithm and experimental real-time hybrid simulation tests with vibrating subsystems using large numerical models and shake tables. A brief discussion of possible future research activities can be found in the concluding chapter.

Autonomes Performance-Management in dienstorientierten Architekturen

Die Bedeutung des Dienstgüte-Managements (SLM) im Bereich von Unternehmensanwendungen steigt mit der zunehmenden Kritikalität von IT-gestützten Prozessen für den Erfolg einzelner Unternehmen. Traditionell werden zur Implementierung eines wirksamen SLMs Monitoringprozesse in hierarchischen Managementumgebungen etabliert, die einen Administrator bei der notwendigen Rekonfiguration von Systemen unterstützen. Auf aktuelle, hochdynamische Softwarearchitekturen sind diese hierarchischen Ansätze jedoch nur sehr eingeschränkt anwendbar. Ein Beispiel dafür sind dienstorientierte Architekturen (SOA), bei denen die Geschäftsfunktionalität durch das Zusammenspiel einzelner, voneinander unabhängiger Dienste auf Basis deskriptiver Workflow-Beschreibungen modelliert wird. Dadurch ergibt sich eine hohe Laufzeitdynamik der gesamten Architektur. Für das SLM ist insbesondere die dezentrale Struktur einer SOA mit unterschiedlichen administrativen Zuständigkeiten für einzelne Teilsysteme problematisch, da regelnde Eingriffe zum einen durch die Kapselung der Implementierung einzelner Dienste und zum anderen durch das Fehlen einer zentralen Kontrollinstanz nur sehr eingeschränkt möglich sind. Die vorliegende Arbeit definiert die Architektur eines SLM-Systems für SOA-Umgebungen, in dem autonome Management-Komponenten kooperieren, um übergeordnete Dienstgüteziele zu erfüllen: Mithilfe von Selbst-Management-Technologien wird zunächst eine Automatisierung des Dienstgüte-Managements auf Ebene einzelner Dienste erreicht. Die autonomen Management-Komponenten dieser Dienste können dann mithilfe von Selbstorganisationsmechanismen übergreifende Ziele zur Optimierung von Dienstgüteverhalten und Ressourcennutzung verfolgen. Für das SLM auf Ebene von SOA Workflows müssen temporär dienstübergreifende Kooperationen zur Erfüllung von Dienstgüteanforderungen etabliert werden, die sich damit auch über mehrere administrative Domänen erstrecken können. Eine solche zeitlich begrenzte Kooperation autonomer Teilsysteme kann sinnvoll nur dezentral erfolgen, da die jeweiligen Kooperationspartner im Vorfeld nicht bekannt sind und – je nach Lebensdauer einzelner Workflows – zur Laufzeit beteiligte Komponenten ausgetauscht werden können. In der Arbeit wird ein Verfahren zur Koordination autonomer Management-Komponenten mit dem Ziel der Optimierung von Antwortzeiten auf Workflow-Ebene entwickelt: Management-Komponenten können durch Übertragung von Antwortzeitanteilen untereinander ihre individuellen Ziele straffen oder lockern, ohne dass das Gesamtantwortzeitziel dadurch verändert wird. Die Übertragung von Antwortzeitanteilen wird mithilfe eines Auktionsverfahrens realisiert. Technische Grundlage der Kooperation bildet ein Gruppenkommunikationsmechanismus. Weiterhin werden in Bezug auf die Nutzung geteilter, virtualisierter Ressourcen konkurrierende Dienste entsprechend geschäftlicher Ziele priorisiert. Im Rahmen der praktischen Umsetzung wird die Realisierung zentraler Architekturelemente und der entwickelten Verfahren zur Selbstorganisation beispielhaft für das SLM konkreter Komponenten vorgestellt. Zur Untersuchung der Management-Kooperation in größeren Szenarien wird ein hybrider Simulationsansatz verwendet. Im Rahmen der Evaluation werden Untersuchungen zur Skalierbarkeit des Ansatzes durchgeführt. Schwerpunkt ist hierbei die Betrachtung eines Systems aus kooperierenden Management-Komponenten, insbesondere im Hinblick auf den Kommunikationsaufwand. Die Evaluation zeigt, dass ein dienstübergreifendes, autonomes Performance-Management in SOA-Umgebungen möglich ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass der entwickelte Ansatz auch in großen Umgebungen erfolgreich angewendet werden kann.

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.

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 hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Hybrid optimization schemes for quantum control

Optimal control theory is a powerful tool for solving control problems in quantum mechanics, ranging from the control of chemical reactions to the implementation of gates in a quantum computer. Gradient-based optimization methods are able to find high fidelity controls, but require considerable numerical effort and often yield highly complex solutions. We propose here to employ a two-stage optimization scheme to significantly speed up convergence and achieve simpler controls. The control is initially parametrized using only a few free parameters, such that optimization in this pruned search space can be performed with a simplex method. The result, considered now simply as an arbitrary function on a time grid, is the starting point for further optimization with a gradient-based method that can quickly converge to high fidelities. We illustrate the success of this hybrid technique by optimizing a geometric phase gate for two superconducting transmon qubits coupled with a shared transmission line resonator, showing that a combination of Nelder-Mead simplex and Krotov’s method yields considerably better results than either one of the two methods alone.

Photovoltaic hybrid systems for rural electrification in the Mekong countries

In rural areas of the Mekong Countries, the problem of electricity supplying rural communities is particularly alarming. Supplying power to these areas requires facilities that are not economically viable. However, government programs are under way to provide this product that is vital to community well being. A nation priority of Mekong Countries is to provide electrical power to people in rural areas, within normal budgetary constraints. Electricity must be introduced into rural areas in such a way that maximize the technical, economic and social benefit. Another consideration is the source of electrical generation and the effects on the natural environment. The main research purpose is to implement field tests, monitoring and evaluation of the PV-Diesel Hybrid System (PVHS) at the Energy Park of School of Renewable Energy Technology (SERT) in order to test the PVSH working under the meteorological conditions of the Mekong Countries and to develop a software simulation called RES, which studies the technical and economic performance of rural electrification options. This software must be easy to use and understand for the energy planner on rural electrification projects, to evaluate the technical and economic performance of the PVHS based on the renewable energy potential for rural electrification of the Mekong Country by using RES. Finally, this project aims to give guidance for the possible use of PVHS application in this region, particularly in regard to its technical and economic sustainability. PVHS should be promoted according to the principles of proper design and adequate follow up with maintenance, so that the number of satisfied users will be achieved. PVHS is not the only possible technology for rural electrification, but for the Mekong Countries it is one of the most proper choices. Other renewable energy options such as wind, biomass and hydro power need to be studied in future.