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.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Abgrenzung bestehender Beschreibungsmittel für die Modellierung und Spezifikation von Manufacturing Execution Systems

Die Modellierung und Spezifikation von Manufacturing Execution Systems (MES) als prozessnah operierende Software-Systeme stellt eine Herausforderung interdisziplinärer Kommunikation dar. Bisher existiert kein grafisches Beschreibungsmittel, das diesen Prozess ausdrücklich unterstützt. In diesem Diskussionspapier werden bestehende Beschreibungsmittel aus angrenzenden Bereichen, wie die Business Process Modeling Notation, Petrinetze, die formalisierte Prozessbeschreibung oder die Unified Modelling Language anhand allgemeiner und MES-spezifischer Anforderungen auf ihre Eignung untersucht. Es wurden erhebliche Lücken bei der Erfüllung der Anforderungen durch bestehende Beschreibungsmittel identifiziert.

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.

Multidimensional Adaptations for Open Learning Management Systems

Our work is focused on alleviating the workload for designers of adaptive courses on the complexity task of authoring adaptive learning designs adjusted to specific user characteristics and the user context. We propose an adaptation platform that consists in a set of intelligent agents where each agent carries out an independent adaptation task. The agents apply machine learning techniques to support the user modelling for the adaptation process

Modelling the Human Values Scale from Consumers Transactional Data Bases

The main objective of this paper aims at developing a methodology that takes into account the human factor extracted from the data base used by the recommender systems, and which allow to resolve the specific problems of prediction and recommendation. In this work, we propose to extract the user's human values scale from the data base of the users, to improve their suitability in open environments, such as the recommender systems. For this purpose, the methodology is applied with the data of the user after interacting with the system. The methodology is exemplified with a case study

An Interval Intelligent-based Approach for Fault Detection and Modelling

Not considered in the analytical model of the plant, uncertainties always dramatically decrease the performance of the fault detection task in the practice. To cope better with this prevalent problem, in this paper we develop a methodology using Modal Interval Analysis which takes into account those uncertainties in the plant model. A fault detection method is developed based on this model which is quite robust to uncertainty and results in no false alarm. As soon as a fault is detected, an ANFIS model is trained in online to capture the major behavior of the occurred fault which can be used for fault accommodation. The simulation results understandably demonstrate the capability of the proposed method for accomplishing both tasks appropriately

Java computer modelling of the Earth System

The JModel suite consists of a number of models of aspects of the Earth System. The Java programmes model in detail aspects of the cycles of some major biogeochemical elements that exemplify the range of geochemical processes in marine environments.

The Modelling Journey

These were slides developed as part of our work with the JISC Community Engagement Team and CETIS to introduce people to different forms of system modelling, including scenarios and personas, soft systems methods, UML (Use cases, activity diagrams and sequence diagrams), BMPN and EA modelling with Archimate.

Soft Sytems Modelling

This presentation introduces Soft Systems Modelling as a technique to support investigating the behaviour of dynamic systems in the real world. It combines techniques from General Systems Theory, Soft Systems Methodolgy and Critical Systems Heuristics. Personas and Scenarios are used as a technique for exploring the motivations of stakeholders in the systems.

On lions, impala, and bigraphs: modelling interactions in Ubiquitous Computing

As ubiquitous systems have moved out of the lab and into the world the need to think more systematically about how there are realised has grown. This talk will present intradisciplinary work I have been engaged in with other computing colleagues on how we might develop more formal models and understanding of ubiquitous computing systems. The formal modelling of computing systems has proved valuable in areas as diverse as reliability, security and robustness. However, the emergence of ubiquitous computing raises new challenges for formal modelling due to their contextual nature and dependence on unreliable sensing systems. In this work we undertook an exploration of modelling an example ubiquitous system called the Savannah game using the approach of bigraphical rewriting systems. This required an unusual intra-disciplinary dialogue between formal computing and human- computer interaction researchers to model systematically four perspectives on Savannah: computational, physical, human and technical. Each perspective in turn drew upon a range of different modelling traditions. For example, the human perspective built upon previous work on proxemics, which uses physical distance as a means to understand interaction. In this talk I hope to show how our model explains observed inconsistencies in Savannah and ex- tend it to resolve these. I will then reflect on the need for intradisciplinary work of this form and the importance of the bigraph diagrammatic form to support this form of engagement. Speaker Biography Tom Rodden Tom Rodden (rodden.info) is a Professor of Interactive Computing at the University of Nottingham. His research brings together a range of human and technical disciplines, technologies and techniques to tackle the human, social, ethical and technical challenges involved in ubiquitous computing and the increasing used of personal data. He leads the Mixed Reality Laboratory (www.mrl.nott.ac.uk) an interdisciplinary research facility that is home of a team of over 40 researchers. He founded and currently co-directs the Horizon Digital Economy Research Institute (www.horizon.ac.uk), a university wide interdisciplinary research centre focusing on ethical use of our growing digital footprint. He has previously directed the EPSRC Equator IRC (www.equator.ac.uk) a national interdisciplinary research collaboration exploring the place of digital interaction in our everyday world. He is a fellow of the British Computer Society and the ACM and was elected to the ACM SIGCHI Academy in 2009 (http://www.sigchi.org/about/awards/).

Knowledge-based modelling and simulation of operational problems of microbiological origin in wastewater treatment plants

The activated sludge and anaerobic digestion processes have been modelled in widely accepted models. Nevertheless, these models still have limitations when describing operational problems of microbiological origin. The aim of this thesis is to develop a knowledge-based model to simulate risk of plant-wide operational problems of microbiological origin.For the risk model heuristic knowledge from experts and literature was implemented in a rule-based system. Using fuzzy logic, the system can infer a risk index for the main operational problems of microbiological origin (i.e. filamentous bulking, biological foaming, rising sludge and deflocculation). To show the results of the risk model, it was implemented in the Benchmark Simulation Models. This allowed to study the risk model's response in different scenarios and control strategies. The risk model has shown to be really useful providing a third criterion to evaluate control strategies apart from the economical and environmental criteria.

Sensitivity of large-scale atmospheric analyses to humidity observations and its impact on the global water cycle and tropical and extratropical weather systems in ERA40

Reanalysis data obtained from data assimilation are increasingly used for diagnostic studies of the general circulation of the atmosphere, for the validation of modelling experiments and for estimating energy and water fluxes between the Earth surface and the atmosphere. Because fluxes are not specifically observed, but determined by the data assimilation system, they are not only influenced by the utilized observations but also by model physics and dynamics and by the assimilation method. In order to better understand the relative importance of humidity observations for the determination of the hydrological cycle, in this paper we describe an assimilation experiment using the ERA40 reanalysis system where all humidity data have been excluded from the observational data base. The surprising result is that the model, driven by the time evolution of wind, temperature and surface pressure, is able to almost completely reconstitute the large-scale hydrological cycle of the control assimilation without the use of any humidity data. In addition, analysis of the individual weather systems in the extratropics and tropics using an objective feature tracking analysis indicates that the humidity data have very little impact on these systems. We include a discussion of these results and possible consequences for the way moisture information is assimilated, as well as the potential consequences for the design of observing systems for climate monitoring. It is further suggested, with support from a simple assimilation study with another model, that model physics and dynamics play a decisive role for the hydrological cycle, stressing the need to better understand these aspects of model parametrization. .

Predicted soil organic carbon stocks and changes in Jordan between 2000 and 2030 made using the GEFSOC modelling system

Estimates of soil organic carbon (SOC) stocks and changes under different land use systems can help determine vulnerability to land degradation. Such information is important for countries in and areas with high susceptibility to desertification. SOC stocks, and predicted changes between 2000 and 2030, were determined at the national scale for Jordan using The Global Environment Facility Soil Organic Carbon (GEFSOC) Modelling System. For the purpose of this study, Jordan was divided into three natural regions (The Jordan Valley, the Uplands and the Badia) and three developmental regions (North, Middle and South). Based on this division, Jordan was divided into five zones (based on the dominant land use): the Jordan Valley, the North Uplands, the Middle Uplands, the South Uplands and the Badia. This information was merged using GIS, along with a map of rainfall isohyets, to produce a map with 498 polygons. Each of these was given a unique ID, a land management unit identifier and was characterized in terms of its dominant soil type. Historical land use data, current land use and future land use change scenarios were also assembled, forming major inputs of the modelling system. The GEFSOC Modelling System was then run to produce C stocks in Jordan for the years 1990, 2000 and 2030. The results were compared with conventional methods of estimating carbon stocks, such as the mapping based SOTER method. The results of these comparisons showed that the model runs are acceptable, taking into consideration the limited availability of long-term experimental soil data that can be used to validate them. The main findings of this research show that between 2000 and 2030, SOC may increase in heavily used areas under irrigation and will likely decrease in grazed rangelands that cover most of Jordan giving an overall decrease in total SOC over time if the land is indeed used under the estimated forms of land use. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Monitoring and modelling the three-dimensional flow of water under drip irrigation

The interpretation of soil water dynamics under drip irrigation systems is relevant for crop production as well as on water use and management. In this study a three-dimensional representation of the flow of water under drip irrigation is presented. The work includes analysis of the water balance at point scale as well as area-average, exploring uncertainties in water balance estimations depending on the number of locations sampled. The water flow was monitored by detailed profile water content measurements before irrigation, after irrigation and 24 h later with a dense array of soil moisture access tubes radially distributed around selected drippers. The objective was to develop a methodology that could be used on selected occasions to obtain 'snap shots' of the detailed three-dimensional patterns of soil moisture. Such patterns are likely to be very complex, as spatial variability will be induced for a number of reasons, such as strong horizontal gradients in soil moisture, variations between individual sources in the amount of water applied and spatial variability is soil hydraulic properties. Results are compared with a widely used numerical model, Hydrus-2D. The observed dynamic of the water content distribution is in good agreement with model simulations, although some discrepancies concerning the horizontal distribution of the irrigation bulb are noted due to soil heterogeneity. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.