Analysis and design of power management scheme for an on-board solar energy storage system

This paper investigates the power management issues in a mobile solar energy storage system. A multi-converter based energy storage system is proposed, in which solar power is the primary source while the grid or the diesel generator is selected as the secondary source. The existence of the secondary source facilitates the battery state of charge detection by providing a constant battery charging current. Converter modeling, multi-converter control system design, digital implementation and experimental verification are introduced and discussed in details. The prototype experiment indicates that the converter system can provide a constant charging current during solar converter maximum power tracking operation, especially during large solar power output variation, which proves the feasibility of the proposed design. © 2014 IEEE.

Nonresonant power transfer in plasma-surface interactions via two-surface wave decay

The excitation of pairs of electron surface waves via nonresonant decay of plasma waves incident onto a solid surface is studied in the context of controlling the interaction of pulsed electromagnetic radiation with plasma-exposed solid surfaces. The role of the plasma-exposed surfaces in nonlinear heating of the plasma edge and related power transfer is discussed. It is shown that the maximum efficiency of the power transfer at solid surfaces with dielectric permittivity εd <3 corresponds to the resonant two-surface wave decay. On the other hand, for solids with εd >3 the maximum power transfer efficiency is achieved through nonresonant excitation of the quasistatic surface waves. In this case the plasma waves generated by external radiation dissipate their energy into the plasma periphery most effectively.

Doubly Fed Induction Generators : Overview and Intelligent Control Strategies for Wind Energy Conversion Systems

Adjustable speed induction generators, especially the Doubly-Fed Induction Generators (DFIG) are becoming increasingly popular due to its various advantages over fixed speed generator systems. A DFIG in a wind turbine has ability to generate maximum power with varying rotational speed, ability to control active and reactive by integration of electronic power converters such as the back-to-back converter, low rotor power rating resulting in low cost converter components, etc, DFIG have become very popular in large wind power conversion systems. This chapter presents an extensive literature survey over the past 25 years on the different aspects of DFIG. Application of H8 Controller for enhanced DFIG-WT performance in terms of robust stability and reference tracking to reduce mechanical stress and vibrations is also demonstrated in the chapter.

Integration and optimization of pressure retarded osmosis with reverse osmosis for power generation and high efficiency desalination

Salinity gradient power is proposed as a source of renewable energy when two solutions of different salinity are mixed. In particular, Pressure Retarded Osmosis (PRO) coupled with a Reverse Osmosis process (RO) has been previously suggested for power generation, using RO brine as the draw solution. However, integration of PRO with RO may have further value for increasing the extent of water recovery in a desalination process. Consequently, this study was designed to model the impact of various system parameters to better understand how to design and operate practical PRO-RO units. The impact of feed salinity and recovery rate for the RO process on the concentration of draw solution, feed pressure, and membrane area of the PRO process was evaluated. The PRO system was designed to operate at maximum power density of . Model results showed that the PRO power density generated intensified with increasing seawater salinity and RO recovery rate. For an RO process operating at 52% recovery rate and 35 g/L feed salinity, a maximum power density of 24 W/m2 was achieved using 4.5 M NaCl draw solution. When seawater salinity increased to 45 g/L and the RO recovery rate was 46%, the PRO power density increased to 28 W/m2 using 5 M NaCl draw solution. The PRO system was able to increase the recovery rate of the RO by up to 18% depending on seawater salinity and RO recovery rate. This result suggested a potential advantage of coupling PRO process with RO system to increase the recovery rate of the desalination process and reduce brine discharge.

Quantum heat engines: A thermodynamic analysis of power and efficiency

We show that the operation and the output power of a quantum heat engine that converts incoherent thermal energy into coherent cavity photons can be optimized by manipulating quantum coherences. The gain or loss in the efficiency at maximum power depends on the details of the output power optimization. Quantum effects tend to enhance the output power and the efficiency as the photon occupation in the cavity is decreased.

Measurement Based Impromptu Deployment of a Multi-Hop Wireless Relay Network

We study the problem of optimal sequential (''as-you-go'') deployment of wireless relay nodes, as a person walks along a line of random length (with a known distribution). The objective is to create an impromptu multihop wireless network for connecting a packet source to be placed at the end of the line with a sink node located at the starting point, to operate in the light traffic regime. In walking from the sink towards the source, at every step, measurements yield the transmit powers required to establish links to one or more previously placed nodes. Based on these measurements, at every step, a decision is made to place a relay node, the overall system objective being to minimize a linear combination of the expected sum power (or the expected maximum power) required to deliver a packet from the source to the sink node and the expected number of relay nodes deployed. For each of these two objectives, two different relay selection strategies are considered: (i) each relay communicates with the sink via its immediate previous relay, (ii) the communication path can skip some of the deployed relays. With appropriate modeling assumptions, we formulate each of these problems as a Markov decision process (MDP). We provide the optimal policy structures for all these cases, and provide illustrations of the policies and their performance, via numerical results, for some typical parameters.

Low power-consumption and high response frequency thermo-optic variable optical Attenuators based on silicon-on-insulator materials

A novel silicon-on-insulator thermo-optic variable optical attenuator with isolated grooves based on a multimode interference coupler principle is fabricated by the inductive coupled plasma etching technology. The maximum fibre-to-fibre insertion loss is lower than 2.2 dB, the dynamic attenuation range is from 0 to 30 dB in the wavelength range 1500-1600 nm, and the maximum power consumption is only 140 mW. The response frequency of the fabricated variable optical attenuator is about 30 kHz. Compared to the variable optical attenuator without isolated grooves, the maximum power consumption decreases more than 220 mW, and the response frequency rises are more than 20 kHz.

A low power consumption thermo-optic variable optical attenuator based on SOI material

A SOI thenno-optic variable optical attenuator with U-grooves based on a multimode interference coupler principle is fabricated. The dynamic attenuation range is 0 to 29 dB; at the wavelength range between 1510 nm and 1610nm, and the maximum power consumption is only l30mW. Compared to the variable optical attenuator without U-groove, the maximum power consumption decreases more than 230mW

AIGaN/GaN HEMTs Power Amplifier MIC with Power Combining at C-Band

A power amplifier MIC with power combining based on AlGaN/GaN HEMTs was fabricated and measured. The amplifier consists of four 10×120μm transistors. A Wilkinson splitters and combining were used to divide and combine the power. By biasing the amplifier at V_(DS) =40V, I(DS)= 0. 9A, a maximum CW output power of 41. 4dBm with a maximum power added efficiency (PAE) of 32. 54% and a power combine efficiency of 69% was achieved at 5. 4GHz.

Optimization of FRT Active Power Performance of a DFIG during Transient Grid Faults

Optimal fault ride-through (FRT) conditions for a doubly-fed induction generator (DFIG) during a transient grid fault are analyzed with special emphasis on improving the active power generation profile. The transition states due to crowbar activation during transient faults are investigated to exploit the maximum power during the fault and post-fault period. It has been identified that operating slip, severity of fault and crowbar resistance have a direct impact on the power capability of a DFIG, and crowbar resistance can be chosen to optimize the power capability. It has been further shown that an extended crowbar period can deliver enhanced inertial response following the transient fault. The converter protection and drive train dynamics have also been analyzed while choosing the optimum crowbar resistance and delivering enhanced inertial support for an extended crowbar period.

Tracking smart grid hackers

The next-generation smart grid will rely highly on telecommunications infrastructure for data transfer between various systems. Anywhere we have data transfer in a system is a potential security threat. When we consider the possibility of smart grid data being at the heart of our critical systems infrastructure it is imperative that we do all we can to ensure the confidentiality, availability and integrity of the data. A discussion on security itself is outside the scope of this paper, but if we assume the network to be as secure as possible we must consider what we can do to detect when that security fails, or when the attacks comes from the inside of the network. One way to do this is to setup a hacker-trap, or honeypot. A honeypot is a device or service on a network which appears legitimate, but is in-fact a trap setup to catch breech attempts. This paper identifies the different types of honeypot and describes where each may be used. The authors have setup a test honeypot system which has been live for some time. The test system has been setup to emulate a device on a utility network. The system has had many hits, which are described in detail by the authors. Finally, the authors discuss how larger-scale systems in utilities may benefit from honeypot placement.

Flexible fault ride through strategy for wind farm clusters in power systems with high wind power penetration

This paper investigates a flexible fault ride through strategy for power systems in China with high wind power penetration. The strategy comprises of adaptive fault ride through requirements and maximum power restrictions of the wind farms with weak fault ride through capabilities. The slight faults and moderate faults with high probability are the main defending objective of the strategy. The adaptive fault ride through requirement in the strategy consists of two sub fault ride through requirements, a temporary slight voltage ride through requirement corresponding to a slight fault incident, with a moderate voltage ride through requirement corresponding to a moderate fault. The temporary overloading capability of the wind farm is reflected in both requirements to enhance the capability to defend slight faults and to avoid tripping when the crowbar is disconnected after moderate faults are cleared. For those wind farms that cannot meet the adaptive fault ride through requirement, restrictions are put on the maximum power output. Simulation results show that the flexible fault ride through strategy increases the fault ride through capability of the wind farm clusters and reduces the wind power curtailment during faults.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Performance analysis of three advanced controllers for polymerization batch reactor: an experimental investigation

The performances of three advanced non-linear controllers are analyzed for the optimal set point tracking of styrene free radical polymerization (FRP) in batch reactors. The three controllers are the artificial neural network-based MPC (NN-MPC), the artificial fuzzy logic controller (FLC) as well as the generic model controller (GMC). A recently developed hybrid model (Hosen et al., 2011a. Asia-Pac. J. Chem. Eng. 6(2), 274) is utilized in the control study to design and tune the proposed controllers. The optimal minimum temperature profiles are determined using the Hamiltonian maximum principle. Different types of disturbances are introduced and applied to examine the stability of controller performance. The experimental studies revealed that the performance of the NN-MPC is superior to that of FLC and GMC. © 2013 The Institution of Chemical Engineers.

Método da continuação aplicado na análise de contingência de linhas de transmissão

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)