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.

Ordnung hilffen. Vorreformatorische Geschlechterordnung: Erste deutsche Bibel und Der Ackermann aus Böhmen

Die Dissertation leistet einen Beitrag zur Konstruktion von Geschlechterverhältnissen in der Ehe vor der Reformation. Untersucht werden zwei Texte des 15. Jahrhunderts: Die sogenannte Erste deutsche Bibel (EDB) und die Dichtung Der Ackermann aus Böhmen von Johannes von Tepl. Die Wort-für-Wort-Analyse beider Texte hat aus der zeitgebundenen deutschen Sprachgestalt spezifi-sche Denkfiguren erschlossen. Zentral ist die Gestaltung des Verhältnisses zwischen Gott und Menschen als Rechtsbeziehung Lehen. Das erste Kapitel analysiert und interpretiert die für Ehe- und Geschlechterkonzepte grund-legenden Aussagen von Genesis 1 - 4,1 und den Kanon der fünf Weisheitsbücher der EDB mit folgenden Ergebnissen: 1. Die EDB ist als Rechtsbuch zu lesen, dessen Zentrum die göttliche Herrschaft mit ihrer Rechts-ordnung ist. In diesem Rahmen wird für Mann und Frau die Ordnung Paar definiert. 2. Beide Geschlechter sind gleichwertig. Das kommt in ihren jeweiligen Handlungsfeldern (Werkordnungen) zum Ausdruck. 3. Der Begriff hilffen für die Ehefrau bedeutet Hilfe zum Heil ihres Mannes und eine spezifische Gottesnähe. Dies ist ein entscheidender Unterschied zu Luthers Bibelübersetzung, welche die Frau als untergeordnete Gehilfin des Mannes gestaltet. (Anhang III stellt die EDB-Verse der Lu-therübersetzung von 1545 gegenüber.) 4. Der Sündenfall wird als Rechtsbruch beschrieben, der den Wechsel von der Schöpfungsord-nung im Paradies zur Weltordnung auslöst, die mit den Urteilen Gottes über Frau und Mann beginnt (Genesis 3). Die Urteile fassen die Ehe in einem Diagonalkreuz, welches vier Faktoren untrennbar verbindet: Herrschaft mit Unterordnung sowie hilffen (Gebären) mit Tod. Die Ge-schlechterunterschiede sind konstituierend für die Ehe im Diagonalkreuz. In der EDB lassen sich drei Paarkonstellationen unterscheiden: die Ehe im Diagonalkreuz zwischen dem guten weib und dem weisen Mann, die Ehe ohne Diagonalkreuz zwischen dem un-weib und dem unweisen Mann und die nichteheliche Geschlechterbeziehung zwischen dem gemeinem weib und dem ee-brecher. Das zweite Kapitel der Dissertation vergleicht die alttestamentarischen Ehekonzepte der EDB mit denen der Dichtung Ackermann aus Böhmen. Die rhetorische Form des Streitgesprächs zwischen Witwer und hern Tot zeigt die Struktur eines deutschrechtlichen Prozesses. In diesem Rahmen gewinnen die gegensätzlichen Aussagen über die Ehe die Bedeutung von Rechtspositionen, die in konträren göttlichen Herrschaftsordnungen verortet werden. Die vom Witwer vertretene Herrschaftsordnung beruht auf der alttestamentarischen Rechtsordnung der EDB, während die Positionen des hern Tot diese Rechtsordnung verkehren, indem er die Herrschaftsordnung der Welt als sein Eigen definiert. Ein weiteres Ergebnis des Vergleichs zwischen der EDB und dem Ackermann aus Böhmen ist, dass sowohl die alttestamentarischen Bücher als auch die Dichtung Rechtsfiguren präsentieren. Entscheidend sind in beiden Texten die Urteile Gottes, die jeweils einen Paradigmenwechsel kon-stituieren. In der EDB wird nach dem Sündenfall die (paradiesische) Rechtsordnung in die Rechtsordnung ee gewandelt. Im Ackermann wird die alttestamentarische Rechtsordnung ee der EDB durch die ordenung Tod ersetzt, mit der zugleich die Ordnung Paar nicht mehr gilt. Die Urtei-le Gottes in der EDB definieren das Paar als zweigeschlechtlichen Menschen, das Urteil im Ackermann charakterisiert zwei Einzelmenschen: Mann oder Frau. Damit wird die zentrale Bedeutung der Ehefrau als hilffen zum Heil ihres Mannes aufgehoben, weil die wechselseitige Angewiesenheit von Mann und Frau nicht mehr gegeben ist. Insofern ist hier ein wichtiger Schritt zum reformatorischen Eheverständnis zu erkennen.

Femtosecond wavepacket interferometry using the rotational dynamics of a trapped cold molecular ion

A Ramsey-type interferometer is suggested, employing a cold trapped ion and two time-delayed offresonant femtosecond laser pulses. The laser light couples to the molecular polarization anisotropy, inducing rotational wavepacket dynamics. An interferogram is obtained from the delay dependent populations of the final field-free rotational states. Current experimental capabilities for cooling and preparation of the initial state are found to yield an interferogram visibility of more than 80%. The interferograms can be used to determine the polarizability anisotropy with an accuracy of about ±2%, respectively ±5%, provided the uncertainty in the initial populations and measurement errors are confined to within the same limits.

Asymptotic model for shape resonance control of diatomics by intense non-resonant light: universality in the single-channel approximation

Non-resonant light interacting with diatomics via the polarizability anisotropy couples different rotational states and may lead to strong hybridization of the motion. The modification of shape resonances and low-energy scattering states due to this interaction can be fully captured by an asymptotic model, based on the long-range properties of the scattering (Crubellier et al 2015 New J. Phys. 17 045020). Remarkably, the properties of the field-dressed shape resonances in this asymptotic multi-channel description are found to be approximately linear in the field intensity up to fairly large intensity. This suggests a perturbative single-channel approach to be sufficient to study the control of such resonances by the non-resonant field. The multi-channel results furthermore indicate the dependence on field intensity to present, at least approximately, universal characteristics. Here we combine the nodal line technique to solve the asymptotic Schrödinger equation with perturbation theory. Comparing our single channel results to those obtained with the full interaction potential, we find nodal lines depending only on the field-free scattering length of the diatom to yield an approximate but universal description of the field-dressed molecule, confirming universal behavior.