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.

Evaluation of breeding strategies for polledness in dairy cattle using a newly developed simulation framework for quantitative and Mendelian traits

Background: Intensified selection of polled individuals has recently gained importance in predominantly horned dairy cattle breeds as an alternative to routine dehorning. The status quo of the current polled breeding pool of genetically-closely related artificial insemination sires with lower breeding values for performance traits raises questions regarding the effects of intensified selection based on this founder pool. Methods: We developed a stochastic simulation framework that combines the stochastic simulation software QMSim and a self-designed R program named QUALsim that acts as an external extension. Two traits were simulated in a dairy cattle population for 25 generations: one quantitative (QMSim) and one qualitative trait with Mendelian inheritance (i.e. polledness, QUALsim). The assignment scheme for qualitative trait genotypes initiated realistic initial breeding situations regarding allele frequencies, true breeding values for the quantitative trait and genetic relatedness. Intensified selection for polled cattle was achieved using an approach that weights estimated breeding values in the animal best linear unbiased prediction model for the quantitative trait depending on genotypes or phenotypes for the polled trait with a user-defined weighting factor. Results: Selection response for the polled trait was highest in the selection scheme based on genotypes. Selection based on phenotypes led to significantly lower allele frequencies for polled. The male selection path played a significantly greater role for a fast dissemination of polled alleles compared to female selection strategies. Fixation of the polled allele implies selection based on polled genotypes among males. In comparison to a base breeding scenario that does not take polledness into account, intensive selection for polled substantially reduced genetic gain for this quantitative trait after 25 generations. Reducing selection intensity for polled males while maintaining strong selection intensity among females, simultaneously decreased losses in genetic gain and achieved a final allele frequency of 0.93 for polled. Conclusions: A fast transition to a completely polled population through intensified selection for polled was in contradiction to the preservation of high genetic gain for the quantitative trait. Selection on male polled genotypes with moderate weighting, and selection on female polled phenotypes with high weighting, could be a suitable compromise regarding all important breeding aspects.

Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz

Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.

CoObRA: Eine Plattform zur Verteilung und Replikation komplexer Objektstrukturen mit optimistischen Sperrkonzepten

In der vorliegenden Arbeit wird die Konzeption und Realisierung der Persistenz-, Verteilungs- und Versionierungsbibliothek CoObRA 2 vorgestellt. Es werden zunächst die Anforderungen an ein solches Rahmenwerk aufgenommen und vorhandene Technologien für dieses Anwendungsgebiet vorgestellt. Das in der neuen Bibliothek eingesetzte Verfahren setzt Änderungsprotokolle beziehungsweise -listen ein, um Persistenzdaten für Dokumente und Versionen zu definieren. Dieses Konzept wird dabei durch eine Abbildung auf Kontrukte aus der Graphentheorie gestützt, um die Semantik von Modell, Änderungen und deren Anwendung zu definieren. Bei der Umsetzung werden insbesondere das Design der Bibliothek und die Entscheidungen, die zu der gewählten Softwarearchitektur führten, eingehend erläutert. Dies ist zentraler Aspekt der Arbeit, da die Flexibilität des Rahmenwerks eine wichtige Anforderung darstellt. Abschließend werden die Einsatzmöglichkeiten an konkreten Beispielanwendungen erläutert und bereits gemachte Erfahrungen beim Einsatz in CASE-Tools, Forschungsanwendungen und Echtzeit-Simulationsumgebungen präsentiert.

Einführung in die stochastische Simulation mit Fathom

Die "Einführung in die stochastische Simulation mit Fathom" führt in die Simulation mit der Computersoftware Fathom ein und entstand im Rahmen meines Dissertationsprojekts. Voraussetzung sind elementare Grundkenntnisse in dieser Software, z.B. für die Analyse von eindimensionalen Daten. Die Arbeit basiert auf einer ausführlichen Analyse stochastischer Situationen, die als Zufallsexperimente modelliert werden können. Sie wurde ursprünglich für Studenten der Veranstaltung "Elementare Stochastik" an der Universität Kassel didaktisch aufbereitet. Sie ist aber auch für alle Lehrenden und Lernenden an Schule und Hochschule gedacht, die die stochastische Simulation mit Fathom erlernen wollen. Das Dokument dient dazu, eine systematische Anleitung zum Erstellen eigener Simulationen zu geben. Eine didaktische Hilfestellung bietet dazu das dreigegliederte Simulationskonzept: 1. Festlegen des stochastischen Modell, 2. Erstellen eines Simulationsplans und 3. Realisierung in FATHOM. Verschiedene Simulationsarten werden ausführlich an einem Beispiel vorgestellt und können in Arbeitsumgebungen selbst erzeugt werden. Die Erstellung der Arbeit wurde mit Mitteln des BLK-Projektes Netzwerk Wissenschaftliche Weiterbildung für Lehramtsberufe (NWWL) an der Universität Kassel gefördert.

Ein computergestütztes Kurskonzept für den Stochastik-Leistungskurs mit kontinuierlicher Verwendung der Software Fathom - Didaktisch kommentierte Unterrichtsmaterialien

Die Unterrichtsmaterialien beschreiben einen Unterrichtsvorschlag für einen kontinuierlich computergestützten Stochastikunterricht in der gymnasialen Oberstufe. Verwendet wird die Software Fathom. Die Unterrichtsmaterialien wurden bislang in fünf verschiedenen Kasseler Oberstufenkursen (Jahrgangsstufe 12 bzw. 13) erprobt und dabei jeweils weiter entwickelt. Ausgearbeitet sind drei Unterrichtseinheiten: 1. „Einstieg in die Stochastik mit Simulationen“ 2. Unterrichtseinheit „Binomialverteilung“ 3. Unterrichtseinheit „Testen von Hypothesen“ Zu jeder der drei Unterrichtseinheiten existieren eine didaktische Beschreibung, die Arbeitsmaterialien (Arbeitsblätter, Merkblätter zur Ergebnissicherung, dynamische Lernumgebungen) sowie Musterlösungen zu den Aufgaben. Für alle Aufgaben mit Verwendung der Software Fathom stehen die zugehörigen Fathom-Dateien zur Verfügung. Alle Fathom-Dateien (Lernumgebungen und Musterlösungen der Aufgaben) erhalten Sie als *.zip-Datei zum Download.

Stochastische Simulation von Zufallsexperimenten mit Fathom

In der Mathematikdidaktik gibt es die weit verbreitete Auffassung, durch die Verwendung von Simulationen Lernprozesse zu unterstützen. Dies hat mich im Rahmen meiner Dissertation dazu bewogen, erstens eine Werkzeuganalyse des Simulationspotentials der Software Fathom durchzuführen und zweitens exemplarische Analysen dazu, wie Lernende mit der Software arbeiten. Bei der Werkzeuganalyse standen vor allem folgende zwei Fragen im Mittelpunkt: Was bietet die Software an Simulationspotential? Wie gut und leicht lassen sich Zufallsexperimente in Fathom realisieren? Dieses Wissen ist für die praktische Anwendung der Software und die diagnostische Kompetenz der Lehrkräfte, die Schüler bei der Arbeit mit der Software unterstützen wollen, essentiell. Mit dieser Werkzeuganalyse wurde ein allgemeineres Instrument entwickelt, mit dem man das Simulationspotential auch anderer Werkzeugsoftware wie Excel, Tinkerplots oder den TI-Nspire systematisch analysieren könnte. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse einer Fallstudie zur Kompetenz von Studierenden beim Bearbeiten von stochastischen Simulations- und Modellierungsproblemen vorgestellt. Die insgesamt aufwendige Analyse von Mikroprozessen macht sehr viel relevante und wichtige Details im Umgang von Studierenden mit Simulationsaufgaben erkennbar. Auch ist als Ergebnis der Studie nicht nur einfach ein differenziertes Bild der Kompetenzen von Studierenden anzusehen. Vielmehr liegt ein wesentlicher Beitrag auch in der Konzeptualisierung unterschiedlicher Kompetenzen und ihrer Wechselwirkung, wie sie bei der Bearbeitung von mathematischen Aufgaben mit dem Computer auftreten.

The DIADEM Software Development Methodology extended to Multimedia Interfaces

DIADEM, created by THOMSON-CSF, is a methodology for specifying and developing user interfaces. It improves productivity of the interface development process as well as quality of the interface. The method provides support to user interface development in three aspects. (1) DIADEM defines roles of people involved and their tasks and organises the sequence of activities. (2) It provides graphical formalisms supporting information exchange between people. (3) It offers a basic set of rules for optimum human-machine interfaces. The use of DIADEM in three areas (process control, sales support, and multimedia presentation) was observed and evaluated by our laboratory in the European project DIAMANTA (ESPRIT P20507). The method provides an open procedure that leaves room for adaptation to a specific application and environment. This paper gives an overview of DIADEM and shows how to extend formalisms for developing multimedia interfaces.

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.