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.

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.

Bildbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung

Bildbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung: Identitätsbasierte Kryptographie (oft auch identity Based Encryption, IBE) ist eine Variation der asymmetrischen Schlüsselverfahren, bei der der öffentliche Schlüssel des Anwenders eine beliebig wählbare Zeichenfolge sein darf, die dem Besitzer offensichtlich zugeordnet werden kann. Adi Shamir stellte 1984 zunächst ein solches Signatursystem vor. In der Literatur wird dabei als öffentlicher Schlüssel meist die Email-Adresse oder eine Sozialversicherungsnummer genannt. Der Preis für die freie Schlüsselwahl ist die Einbeziehung eines vertrauenswürdigen Dritten, genannt Private Key Generator, der mit seinem privaten Generalschlüssel den privaten Schlüssel des Antragstellers generiert. Mit der Arbeit von Boneh und Franklin 2001 zum Einsatz der Weil-Paarbildung über elliptischen Kurven wurde IBE auf eine sichere und praktikable Grundlage gestellt. In dieser Arbeit wird nach einer allgemeinen Übersicht über Probleme und Lösungsmöglichkeiten für Authentifizierungsaufgaben im zweiten Teil als neue Idee der Einsatz eines Bildes des Anwenders als öffentlicher Schlüssel vorgeschlagen. Dazu wird der Ablauf der Schlüsselausgabe, die Bestellung einer Dienstleistung, z. B. die Ausstellung einer personengebundenen Fahrkarte, sowie deren Kontrolle dargestellt. Letztere kann offline auf dem Gerät des Kontrolleurs erfolgen, wobei Ticket und Bild auf dem Handy des Kunden bereitliegen. Insgesamt eröffnet sich dadurch die Möglichkeit einer Authentifizierung ohne weitere Preisgabe einer Identität, wenn man davon ausgeht, dass das Bild einer Person angesichts allgegenwärtiger Kameras sowieso öffentlich ist. Die Praktikabilität wird mit einer Implementierung auf der Basis des IBE-JCA Providers der National University of Ireland in Maynooth demonstriert und liefert auch Aufschluss auf das in der Praxis zu erwartende Laufzeitverhalten.

Auslegung und Optimierung von Generatoren für eine systemfähige Windkraftanlage kleiner Leistung

Die Entwicklung in der Windkrafttechnik ist aufgrund der Wirtschaftlichkeitserwartungen besonders auf große Anlagen im MW-Bereich ausgerichtet. Im unteren Leistungsbereich (5 bis 100kW) bilden Entwicklungen und Anlageninstallationen weitgehend Ausnahmen und erfüllen meist nicht die für Hybridanlagen notwendige Systemfähigkeit, was eine Einbindung in dezentrale Energiesysteme erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die elektrischen Komponenten für eine kostengünstige und systemfähige Windkraftanlage entwickelt, mit der die Nutzung erneuerbarer Energiequellen durch Einbindung der Windenergie in die modulare Energie-Systemtechnik erweitert und wesentlich verbessert wird. Dabei stellt der Generator als mechanisch-elektrischer Energiewandler die Schlüsselkomponente dar. Um den Teil- und Volllastbetrieb effektiv zu gestalten, wird bei der Auslegung und Optimierung des Generators nach dem Kennlinienverfahren möglichst großen Werten von Wirkungsgrad und Leistungsfaktor in einem weiten Spektrum der abgegebenen Leistung eine hohe Wichtigkeit beigemessen. Um hohe Energieerträge sowohl im Teil- als auch im Volllastbetrieb zu erzielen, wird der Generator polumschaltbar ausgeführt und im Betrieb entsprechend der aktuell eingespeisten Leistung zwischen zwei Drehzahlen geschaltet. Die durchgeführten Untersuchungen an mehrfach optimierten und speziell angefertigten Generatortypen sollen als Grundlage für die Gesamtkonzeption der Windenergieanlage dienen. Um die energetischen Auswirkungen und betriebstechnische Möglichkeiten der Auslegung zu ermitteln, werden im gesamten auftretenden Leistungsspektrum – Leerlauf bis 130% der Nennleistung – die mechanischen und elektrischen Verhaltensweisen in Abhängigkeit von der elektrisch abgegebenen Leistung bei unterschiedlichen Sättigungsgraden des Generators untersucht. Im Hinblick auf die Auslegung der mechanischen und elektrischen Komponenten wie z.B. des Getriebes und des Schleifringkörpers werden dynamische Zustandsänderungen wie verschiedene Kurzschlussvarianten und die Zuschaltung auf das Netz untersucht und dargestellt. Um den Anlagenbetrieb für nahezu alle Netze weltweit zu gewährleisten, wird eine polumschaltbare Einphasenmaschine für 240V / 60Hz ausgelegt. Der Generator kann mit Betriebskondensatorstufen im gesamten Leistungsbereich von Leerlauf bis Nennleistung ohne Laufgeräusche und Rüttelkräfte betrieben werden. Dabei soll der Einphasenasynchrongenerator nach dem gleichem Optimierungsverfahren wie beim Dreiphasigen Asynchrongenerator sowohl für die 4-polige als auch für die 6-polige Drehzahlstufe hohe Teillastwirkungsgrade erreichen. Um möglichst symmetrische Betriebsverhältnisse hinsichtlich Drehmomentschwankungen erreichen zu können, wird die Auslegung der Betriebskapazität an den Drehmomentschwankungen ausgerichtet und eine Optimierung der Betriebskapazität anhand minimaler Amplituden der Pendelmomente erreicht. Damit wird gezeigt, dass auch kleine Windkraftanlagen einen wertvollen Beitrag zur netzverträglichen und nachhaltigen Elektrizitätsversorgung leisten können.

Virtual Radio Engine

Software Defined Radio (SDR) hardware platforms use parallel architectures. Current concepts of developing applications (such as WLAN) for these platforms are complex, because developers describe an application with hardware-specifics that are relevant to parallelism such as mapping and scheduling. To reduce this complexity, we have developed a new programming approach for SDR applications, called Virtual Radio Engine (VRE). VRE defines a language for describing applications, and a tool chain that consists of a compiler kernel and other tools (such as a code generator) to generate executables. The thesis presents this concept, as well as describes the language and the compiler kernel that have been developed by the author. The language is hardware-independent, i.e., developers describe tasks and dependencies between them. The compiler kernel performs automatic parallelization, i.e., it is capable of transforming a hardware-independent program into a hardware-specific program by solving hardware-specifics, in particular mapping, scheduling and synchronizations. Thus, VRE simplifies programming tasks as developers do not solve hardware-specifics manually.

The prediction of seasonal and inter-annual climate variations and their impacts on the water resources in the eastern seaboard of Thailand

The research of this thesis dissertation covers developments and applications of short-and long-term climate predictions. The short-term prediction emphasizes monthly and seasonal climate, i.e. forecasting from up to the next month over a season to up to a year or so. The long-term predictions pertain to the analysis of inter-annual- and decadal climate variations over the whole 21st century. These two climate prediction methods are validated and applied in the study area, namely, Khlong Yai (KY) water basin located in the eastern seaboard of Thailand which is a major industrial zone of the country and which has been suffering from severe drought and water shortage in recent years. Since water resources are essential for the further industrial development in this region, a thorough analysis of the potential climate change with its subsequent impact on the water supply in the area is at the heart of this thesis research. The short-term forecast of the next-season climate, such as temperatures and rainfall, offers a potential general guideline for water management and reservoir operation. To that avail, statistical models based on autoregressive techniques, i.e., AR-, ARIMA- and ARIMAex-, which includes additional external regressors, and multiple linear regression- (MLR) models, are developed and applied in the study region. Teleconnections between ocean states and the local climate are investigated and used as extra external predictors in the ARIMAex- and the MLR-model and shown to enhance the accuracy of the short-term predictions significantly. However, as the ocean state – local climate teleconnective relationships provide only a one- to four-month ahead lead time, the ocean state indices can support only a one-season-ahead forecast. Hence, GCM- climate predictors are also suggested as an additional predictor-set for a more reliable and somewhat longer short-term forecast. For the preparation of “pre-warning” information for up-coming possible future climate change with potential adverse hydrological impacts in the study region, the long-term climate prediction methodology is applied. The latter is based on the downscaling of climate predictions from several single- and multi-domain GCMs, using the two well-known downscaling methods SDSM and LARS-WG and a newly developed MLR-downscaling technique that allows the incorporation of a multitude of monthly or daily climate predictors from one- or several (multi-domain) parent GCMs. The numerous downscaling experiments indicate that the MLR- method is more accurate than SDSM and LARS-WG in predicting the recent past 20th-century (1971-2000) long-term monthly climate in the region. The MLR-model is, consequently, then employed to downscale 21st-century GCM- climate predictions under SRES-scenarios A1B, A2 and B1. However, since the hydrological watershed model requires daily-scale climate input data, a new stochastic daily climate generator is developed to rescale monthly observed or predicted climate series to daily series, while adhering to the statistical and geospatial distributional attributes of observed (past) daily climate series in the calibration phase. Employing this daily climate generator, 30 realizations of future daily climate series from downscaled monthly GCM-climate predictor sets are produced and used as input in the SWAT- distributed watershed model, to simulate future streamflow and other hydrological water budget components in the study region in a multi-realization manner. In addition to a general examination of the future changes of the hydrological regime in the KY-basin, potential future changes of the water budgets of three main reservoirs in the basin are analysed, as these are a major source of water supply in the study region. The results of the long-term 21st-century downscaled climate predictions provide evidence that, compared with the past 20th-reference period, the future climate in the study area will be more extreme, particularly, for SRES A1B. Thus, the temperatures will be higher and exhibit larger fluctuations. Although the future intensity of the rainfall is nearly constant, its spatial distribution across the region is partially changing. There is further evidence that the sequential rainfall occurrence will be decreased, so that short periods of high intensities will be followed by longer dry spells. This change in the sequential rainfall pattern will also lead to seasonal reductions of the streamflow and seasonal changes (decreases) of the water storage in the reservoirs. In any case, these predicted future climate changes with their hydrological impacts should encourage water planner and policy makers to develop adaptation strategies to properly handle the future water supply in this area, following the guidelines suggested in this study.