Performance Degradation Modelling and Techno-Economic Analysis of Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems

Transmission system operators and distribution system operators are experiencing new challenges in terms of reliability, power quality, and cost efficiency. Although the potential of energy storages to face those challenges is recognized, the economic implications are still obscure, which introduce the risk into the business models. This thesis aims to investigate the technical and economic value indicators of lithium-ion battery energy storage systems (BESS) in grid-scale applications. In order to do that, a comprehensive performance lithium-ion BESS model with degradation effects estimation is developed. The model development process implies literature review on lifetime modelling, use, and modification of previous study progress, building the additional system parts and integrating it into a complete tool. The constructed model is capable of describing the dynamic behavior of the BESS voltage, state of charge, temperature and capacity loss. Five control strategies for BESS unit providing primary frequency regulation are implemented, in addition to the model. The questions related to BESS dimensioning and the end of life (EoL) criterion are addressed. Simulations are performed with one-month real frequency data acquired from Fingrid. The lifetime and cost-benefit analysis of the simulation results allow to compare and determine the preferable control strategy. Finally, the study performs the sensitivity analysis of economic profitability with variable size, EoL and system price. The research reports that BESS can be profitable in certain cases and presents the recommendations.

Analytical modelling of bacterial migration and accumulation with rate-limited sorption in discrete fractures

An analytical model for bacterial accumulation in a discrete fractllre has been developed. The transport and accumlllation processes incorporate into the model include advection, dispersion, rate-limited adsorption, rate-limited desorption, irreversible adsorption, attachment, detachment, growth and first order decay botl1 in sorbed and aqueous phases. An analytical solution in Laplace space is derived and nlln1erically inverted. The model is implemented in the code BIOFRAC vvhich is written in Fortran 99. The model is derived for two phases, Phase I, where adsorption-desorption are dominant, and Phase II, where attachment-detachment are dominant. Phase I ends yvhen enollgh bacteria to fully cover the substratllm have accllillulated. The model for Phase I vvas verified by comparing to the Ogata-Banks solution and the model for Phase II was verified by comparing to a nonHomogenous version of the Ogata-Banks solution. After verification, a sensitiv"ity analysis on the inpllt parameters was performed. The sensitivity analysis was condllcted by varying one inpllt parameter vvhile all others were fixed and observing the impact on the shape of the clirve describing bacterial concentration verSllS time. Increasing fracture apertllre allovvs more transport and thus more accllffilliation, "Vvhich diminishes the dllration of Phase I. The larger the bacteria size, the faster the sllbstratum will be covered. Increasing adsorption rate, was observed to increase the dllration of Phase I. Contrary to the aSSllmption ofllniform biofilm thickness, the accllffilliation starts frOll1 the inlet, and the bacterial concentration in aqlleous phase moving towards the olitiet declines, sloyving the accumulation at the outlet. Increasing the desorption rate, redllces the dliration of Phase I, speeding IIp the accllmlilation. It was also observed that Phase II is of longer duration than Phase I. Increasing the attachment rate lengthens the accliffililation period. High rates of detachment speeds up the transport. The grovvth and decay rates have no significant effect on transport, althollgh increases the concentrations in both aqueous and sorbed phases are observed. Irreversible adsorption can stop accllillulation completely if the vallIes are high.

Response curves of deterministic and probabilistic cellular automata in one and two dimensions

One of the most important problems in the theory of cellular automata (CA) is determining the proportion of cells in a specific state after a given number of time iterations. We approach this problem using patterns in preimage sets - that is, the set of blocks which iterate to the desired output. This allows us to construct a response curve - a relationship between the proportion of cells in state 1 after niterations as a function of the initial proportion. We derive response curve formulae for many two-dimensional deterministic CA rules with L-neighbourhood. For all remaining rules, we find experimental response curves. We also use preimage sets to classify surjective rules. In the last part of the thesis, we consider a special class of one-dimensional probabilistic CA rules. We find response surface formula for these rules and experimental response surfaces for all remaining rules.

Cognitive Behavior Therapy for Obsessive-Compulsive Behavior in Children with Autism Spectrum Disorder: A Comparison of Hierarchical Linear Modelling and Visual Analysis

Behavioral researchers commonly use single subject designs to evaluate the effects of a given treatment. Several different methods of data analysis are used, each with their own set of methodological strengths and limitations. Visual inspection is commonly used as a method of analyzing data which assesses the variability, level, and trend both within and between conditions (Cooper, Heron, & Heward, 2007). In an attempt to quantify treatment outcomes, researchers developed two methods for analysing data called Percentage of Non-overlapping Data Points (PND) and Percentage of Data Points Exceeding the Median (PEM). The purpose of the present study is to compare and contrast the use of Hierarchical Linear Modelling (HLM), PND and PEM in single subject research. The present study used 39 behaviours, across 17 participants to compare treatment outcomes of a group cognitive behavioural therapy program, using PND, PEM, and HLM on three response classes of Obsessive Compulsive Behaviour in children with Autism Spectrum Disorder. Findings suggest that PEM and HLM complement each other and both add invaluable information to the overall treatment results. Future research should consider using both PEM and HLM when analysing single subject designs, specifically grouped data with variability.

Towards Evaluating and Modelling the Impacts of Mobile-Based Augmented Reality Applications on Learning and Engagement

Mobile augmented reality applications are increasingly utilized as a medium for enhancing learning and engagement in history education. Although these digital devices facilitate learning through immersive and appealing experiences, their design should be driven by theories of learning and instruction. We provide an overview of an evidence-based approach to optimize the development of mobile augmented reality applications that teaches students about history. Our research aims to evaluate and model the impacts of design parameters towards learning and engagement. The research program is interdisciplinary in that we apply techniques derived from design-based experiments and educational data mining. We outline the methodological and analytical techniques as well as discuss the implications of the anticipated findings.

Towards Evaluating and Modelling the Impacts of Mobile-Based Augmented Reality Applications on Learning and Engagement

Mobile augmented reality applications are increasingly utilized as a medium for enhancing learning and engagement in history education. Although these digital devices facilitate learning through immersive and appealing experiences, their design should be driven by theories of learning and instruction. We provide an overview of an evidence-based approach to optimize the development of mobile augmented reality applications that teaches students about history. Our research aims to evaluate and model the impacts of design parameters towards learning and engagement. The research program is interdisciplinary in that we apply techniques derived from design-based experiments and educational data mining. We outline the methodological and analytical techniques as well as discuss the implications of the anticipated findings.

Probabilistic Assignments of Identical Indivisible Objects and Uniform Probabilistic Rules.

We consider a probabilistic approach to the problem of assigning k indivisible identical objects to a set of agents with single-peaked preferences. Using the ordinal extension of preferences, we characterize the class of uniform probabilistic rules by Pareto efficiency, strategy-proofness, and no-envy. We also show that in this characterization no-envy cannot be replaced by anonymity. When agents are strictly risk averse von-Neumann-Morgenstern utility maximizers, then we reduce the problem of assigning k identical objects to a problem of allocating the amount k of an infinitely divisible commodity.

Macroemesures in Computable General Equilibrium Models: a Probabilistic Treatment with an Application to Morocco.

With the help of an illustrative general equilibrium (CGE) model of the Moroccan Economy, we test for the significance of simulation results in the case where the exact macromesure is not known with certainty. This is done by computing lower and upper bounds for the simulation resukts, given a priori probabilities attached to three possible closures (Classical, Johansen, Keynesian). Our Conclusion is that, when there is uncertainty on closures several endogenous changes lack significance, which, in turn, limit the use of the model for policy prescriptions.

Numerical modelling of the impact of climate change on the morphology of Saint-Lawrence tributaries

Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau.

Modelling software quality : a multidimensional approach

Les sociétés modernes dépendent de plus en plus sur les systèmes informatiques et ainsi, il y a de plus en plus de pression sur les équipes de développement pour produire des logiciels de bonne qualité. Plusieurs compagnies utilisent des modèles de qualité, des suites de programmes qui analysent et évaluent la qualité d'autres programmes, mais la construction de modèles de qualité est difficile parce qu'il existe plusieurs questions qui n'ont pas été répondues dans la littérature. Nous avons étudié les pratiques de modélisation de la qualité auprès d'une grande entreprise et avons identifié les trois dimensions où une recherche additionnelle est désirable : Le support de la subjectivité de la qualité, les techniques pour faire le suivi de la qualité lors de l'évolution des logiciels, et la composition de la qualité entre différents niveaux d'abstraction. Concernant la subjectivité, nous avons proposé l'utilisation de modèles bayésiens parce qu'ils sont capables de traiter des données ambiguës. Nous avons appliqué nos modèles au problème de la détection des défauts de conception. Dans une étude de deux logiciels libres, nous avons trouvé que notre approche est supérieure aux techniques décrites dans l'état de l'art, qui sont basées sur des règles. Pour supporter l'évolution des logiciels, nous avons considéré que les scores produits par un modèle de qualité sont des signaux qui peuvent être analysés en utilisant des techniques d'exploration de données pour identifier des patrons d'évolution de la qualité. Nous avons étudié comment les défauts de conception apparaissent et disparaissent des logiciels. Un logiciel est typiquement conçu comme une hiérarchie de composants, mais les modèles de qualité ne tiennent pas compte de cette organisation. Dans la dernière partie de la dissertation, nous présentons un modèle de qualité à deux niveaux. Ces modèles ont trois parties: un modèle au niveau du composant, un modèle qui évalue l'importance de chacun des composants, et un autre qui évalue la qualité d'un composé en combinant la qualité de ses composants. L'approche a été testée sur la prédiction de classes à fort changement à partir de la qualité des méthodes. Nous avons trouvé que nos modèles à deux niveaux permettent une meilleure identification des classes à fort changement. Pour terminer, nous avons appliqué nos modèles à deux niveaux pour l'évaluation de la navigabilité des sites web à partir de la qualité des pages. Nos modèles étaient capables de distinguer entre des sites de très bonne qualité et des sites choisis aléatoirement. Au cours de la dissertation, nous présentons non seulement des problèmes théoriques et leurs solutions, mais nous avons également mené des expériences pour démontrer les avantages et les limitations de nos solutions. Nos résultats indiquent qu'on peut espérer améliorer l'état de l'art dans les trois dimensions présentées. En particulier, notre travail sur la composition de la qualité et la modélisation de l'importance est le premier à cibler ce problème. Nous croyons que nos modèles à deux niveaux sont un point de départ intéressant pour des travaux de recherche plus approfondis.

Tarification logit dans un réseau

Le problème de tarification qui nous intéresse ici consiste à maximiser le revenu généré par les usagers d'un réseau de transport. Pour se rendre à leurs destinations, les usagers font un choix de route et utilisent des arcs sur lesquels nous imposons des tarifs. Chaque route est caractérisée (aux yeux de l'usager) par sa "désutilité", une mesure de longueur généralisée tenant compte à la fois des tarifs et des autres coûts associés à son utilisation. Ce problème a surtout été abordé sous une modélisation déterministe de la demande selon laquelle seules des routes de désutilité minimale se voient attribuer une mesure positive de flot. Le modèle déterministe se prête bien à une résolution globale, mais pèche par manque de réalisme. Nous considérons ici une extension probabiliste de ce modèle, selon laquelle les usagers d'un réseau sont alloués aux routes d'après un modèle de choix discret logit. Bien que le problème de tarification qui en résulte est non linéaire et non convexe, il conserve néanmoins une forte composante combinatoire que nous exploitons à des fins algorithmiques. Notre contribution se répartit en trois articles. Dans le premier, nous abordons le problème d'un point de vue théorique pour le cas avec une paire origine-destination. Nous développons une analyse de premier ordre qui exploite les propriétés analytiques de l'affectation logit et démontrons la validité de règles de simplification de la topologie du réseau qui permettent de réduire la dimension du problème sans en modifier la solution. Nous établissons ensuite l'unimodalité du problème pour une vaste gamme de topologies et nous généralisons certains de nos résultats au problème de la tarification d'une ligne de produits. Dans le deuxième article, nous abordons le problème d'un point de vue numérique pour le cas avec plusieurs paires origine-destination. Nous développons des algorithmes qui exploitent l'information locale et la parenté des formulations probabilistes et déterministes. Un des résultats de notre analyse est l'obtention de bornes sur l'erreur commise par les modèles combinatoires dans l'approximation du revenu logit. Nos essais numériques montrent qu'une approximation combinatoire rudimentaire permet souvent d'identifier des solutions quasi-optimales. Dans le troisième article, nous considérons l'extension du problème à une demande hétérogène. L'affectation de la demande y est donnée par un modèle de choix discret logit mixte où la sensibilité au prix d'un usager est aléatoire. Sous cette modélisation, l'expression du revenu n'est pas analytique et ne peut être évaluée de façon exacte. Cependant, nous démontrons que l'utilisation d'approximations non linéaires et combinatoires permet d'identifier des solutions quasi-optimales. Finalement, nous en profitons pour illustrer la richesse du modèle, par le biais d'une interprétation économique, et examinons plus particulièrement la contribution au revenu des différents groupes d'usagers.

Reliable Solid Modelling Using Subdivision Surfaces

Les surfaces de subdivision fournissent une méthode alternative prometteuse dans la modélisation géométrique, et ont des avantages sur la représentation classique de trimmed-NURBS, en particulier dans la modélisation de surfaces lisses par morceaux. Dans ce mémoire, nous considérons le problème des opérations géométriques sur les surfaces de subdivision, avec l'exigence stricte de forme topologique correcte. Puisque ce problème peut être mal conditionné, nous proposons une approche pour la gestion de l'incertitude qui existe dans le calcul géométrique. Nous exigeons l'exactitude des informations topologiques lorsque l'on considère la nature de robustesse du problème des opérations géométriques sur les modèles de solides, et il devient clair que le problème peut être mal conditionné en présence de l'incertitude qui est omniprésente dans les données. Nous proposons donc une approche interactive de gestion de l'incertitude des opérations géométriques, dans le cadre d'un calcul basé sur la norme IEEE arithmétique et la modélisation en surfaces de subdivision. Un algorithme pour le problème planar-cut est alors présenté qui a comme but de satisfaire à l'exigence topologique mentionnée ci-dessus.

Applying 3D modelling technology to traditional craftwork : rapid prototyping in artisanal jewellery making and its impact on the perceived value of jewellery

Depuis la révolution industrielle, l’évolution de la technologie bouleverse le monde de la fabrication. Aujourd'hui, de nouvelles technologies telles que le prototypage rapide font une percée dans des domaines comme celui de la fabrication de bijoux, appartenant jadis à l'artisanat et en bouscule les traditions par l'introduction de méthodes plus rapides et plus faciles. Cette recherche vise à répondre aux deux questions suivantes : - ‘En quoi le prototypage rapide influence-t-il la pratique de fabrication de bijoux?’ - ‘En quoi influence-t-il de potentiels acheteurs dans leur appréciation du bijou?’ L' approche consiste en une collecte de données faite au cours de trois entretiens avec différents bijoutiers et une rencontre de deux groupes de discussion composés de consommateurs potentiels. Les résultats ont révélé l’utilité du prototypage rapide pour surmonter un certain nombre d'obstacles inhérents au fait-main, tel que dans sa géométrie, sa commercialisation, et sa finesse de détails. Cependant, il se crée une distance entre la main du bijoutier et l'objet, changeant ainsi la nature de la pratique. Cette technologie est perçue comme un moyen moins authentique car la machine rappelle la production de masse et la possibilité de reproduction en série détruit la notion d’unicité du bijou, en réduisant ainsi sa charge émotionnelle. Cette recherche propose une meilleure compréhension de l'utilisation du prototypage rapide et de ses conséquences dans la fabrication de bijoux. Peut-être ouvrira-t-elle la voie à une recherche visant un meilleur mariage entre cette technique et les méthodes traditionnelles.