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Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls zur autarken Versorgung von Funkmodulen
(2017)
Diese Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls. Das Modul soll gleichzeitig aus drei Energy-Harvestern Energie sammeln und diese in einem Doppelschichtkondensator zwischenspeichern. Diese Energie kann anschließend von einem Funksensorknoten zum Sammeln und Übermitteln von Daten genutzt werden.
Solch ein aufgebautes System verspricht bei einem geringen Volumen eine hohe Lebensdauer,geringen Wartungsaufwand und eine hohe Leistung, ohne dass eine drahtgebundene Energieversorgung oder große Batterien notwendig sind.
Nach dem Erstellen eins Konzepts und der Auswahl der dafür passenden Komponenten wurde zunächst ein Evaluations-Board aufgebaut. Auf diesem wurden alle in Frage kommenden Komponenten vermessen und die Funktion getestet. Aus den dadurch erworbenen Erkenntnissen wurde das miniaturisierte Energieversorgungs-Modul entwickelt. Das miniaturisierte Modul bietet folgende Möglichkeiten: Aus drei verschiedenen Energy Harvestern wird gleichzeitig die Energie gesammelt und aufbereitet. Durch die Nutzung eines effizienten Wandler-Moduls wird bei der Energieaufbereitung eine Effizienz von über 85 % erreicht. Drei Wandler-Module verbrauchen zusammen lediglich eine Leistung von P = 3, 459 µW. Der Maximum Power Point jedes einzelnen Harvesters kann separat eingestellt werden. Auch alle anderen Komponenten werden stromsparend gewählt. Die Energie wird in einem 1, 5 F Doppelschichtkondensator gespeichert. Zusätzlich wird als Backup-Energieversorgung eine Lithium Knopfzelle eingesetzt.
Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen realisiert werden. Konnte durch die Energy Harvester nicht genügend Energie gesammelt werden, wird die Batterie dem Funksensorknoten zugeschaltet. Das miniaturisierte Modul hat die Maße 20 mm x 40 mm. Nach abschließenden Messungen mit einem neu implementierten Funksensorknoten, der in einer anderen Bachelorthesis entstanden ist [1], wurde eine Sendewiederholrate von 1, 1 s nachgewiesen. Dies stellt einen sehr guten Wert dar und reicht für die meisten Anwendungen aus.
Zuletzt wird aus allen Komponenten inklusive des Funksensorknotens ein Demonstrationsmuster zusammengebaut. Dieses hat die Maße von 5 cm x 5 cm x 5 cm und kann zur weiterführenden Forschung oder als Anschauungsmaterial genutzt werden.
Efficient, low-cost, secure and reliable communication solutions are a major stepping stone for smart metering and smart grid applications. This especially holds true for the so called primary communication or local metrological network (LMN) between a local meter or actuator and a data collector or gateway, where the highest requirements with regard to cost, bandwidth, and energy efficiency have to be taken into consideration. Multiple developments and field tests are going on in this field, however, energy autarkic devices are hardly found, yet.
Energy and environment continue to be major issues of human mankind. This holds true on the regional, the national, and the global level. And it is one of the problems, where engineers and scientists in conjunction with political will and people's awareness, can find new approaches and solutions to save the natural resources and to make their use more efficient.
Die Energiewende ist ein elementares Thema, für Deutschland wie auch für viele andere Regionen weltweit. Bei der Bereitstellung effizienter und stabiler Verteilnetze stellen Kommunikationslösungen einen zentralen Baustein dar, um auf der Grundlage eines zeitnahen Monitorings koordinierte Regelalgorithmen zu realisieren. Dies gilt für alle Ebenen der Versorgung, wobei aus Sicht der Kommunikationstechnik die unterste Ebene der Verteilnetze am interessantesten ist: Hier sind die anspruchsvollsten Anforderungen im Hinblick auf die Kosten- und die Energieoptimierung der Kommunikationsknoten sowie die Administrierbarkeit, die Stabilität und die Skalierbarkeit der Gesamtlösung zu berücksichtigen. Das Steinbeis-Transferzentrum Embedded Design und Networking an der Hochschule Offenburg unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora hat in verschiedenen Projekten mit renommierten Partnern umfangreiche Lösungen für diese sogenannte Primärkommunikation entwickelt.
In the dual membrane fuel cell (DM-Cell), protons formed at the anode and oxygen ions formed at the cathode migrate through their respective dense electrolytes to react and form water in a porous composite layer called dual membrane (DM). The DM-Cell concept was experimentally proven (as detailed in Part I of this paper). To describe the electrochemical processes occurring in this novel fuel cell, a mathematical model has been developed which focuses on the DM as the characteristic feature of the DM-Cell. In the model, the porous composite DM is treated as a continuum medium characterized by effective macro-homogeneous properties. To simulate the polarization behavior of the DM-Cell, the potential distribution in the DM is related to the flux of protons and oxygen ions in the conducting phases by introducing kinetic and transport equations into charge balances. Since water pressure may affect the overall formation rate, water mass balances across the DM and transport equations are also considered. The satisfactory comparison with available experimental results suggests that the model provides sound indications on the effects of key design parameters and operating conditions on cell behavior and performance.
Electric arc furnaces (EAF) are complex industrial plants whose actual behavior depends upon numerous factors. Due to its energy intensive operation, the EAF process has always been subject to optimization efforts. For these reasons, several models have been proposed in literature to analyze and predict different modes of operation. Most of these models focused on the processes inside the vessel itself. The present paper introduces a dynamic, physics-based model of a complete EAF plant which consists of the four subsystems vessel, electric system, electrode regulation, and off-gas system. Furthermore the solid phase is not treated to be homogenous but a simple spatial discretization is employed. Hence it is possible to simulate the energy input by electric arcs and fossil fuel burners depending on the state of the melting progress. The model is implemented in object-oriented, equation-based language Modelica. The simulation results are compared to literature data.
The aim of this research work was to develop a boiler model with few parameters required for energy planning. The showcase considered for this work was the boiler system of the energy center at Offenburg University of Applied Sciences. A grey box model of the boiler was developed systematically starting from model abstraction, simplification, model break-down and to the use of empirical correlations wherever necessary to describe the intermediate effects along with the use of information from manufacturer’s specification in order to reduce parameters. This strategy had resulted in a boiler model with only 6 parameters, namely, nominal burner capacity, water gallery capacity, air ratio, heat capacity of wall, thermal conductance on flue gas and hot water side. Most of these parameters can be obtained through the information available in the spec sheets and thus an energy planner will be able to parameterize the model with low effort. The model was validated with the monitored data of the showcase. It was tested for the start-up, shut-down behavior and the effect of storage.
In den vergangenen Jahren ist das technische Gas Schwefelhexafluorid (SF6) immer wieder Gegenstand von Diskussionen des Klimaschutzes und der technischen Notwendigkeit für den Betrieb von Schaltanlagen gewesen und wird dies wohl auch noch für längere Zeit bleiben. Das Gas, welches sich aus einem Schwefelatom und sechs Fluoratomen zusammensetzt, wird seit Ende der sechziger 1960er Jahre in Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannung eingesetzt. So günstig dessen Eigenschaften im technischen Einsatz auch sind, so klimaschädlich ist es beim Entweichen in die Atmosphäre. SF6 ist das Klimagas mit dem größten bekannten Treibhauspotenzial, es weist ein CO2-Äquivalent (GWP) von 23.900 und eine atmosphärische Lebensdauer von ca. 3.200 Jahren auf. Neben nur wenig verbliebenen Anwendungen in Industrie, Militär und Medizin kommt es heute hauptsächlich bei der elektrischen Energieversorgung als Isolier- und Lichtbogenlöschgas in Schaltanlagen von Übertragungs- und Verteilnetzen zum Einsatz. Grund genug die technische Notwendigkeit, mögliche Alternativen und Konsequenzen drohender Verbote zu diskutieren. In diesem Artikel werden zunächst die Grundlagen moderner SF6- Hochspannungsschaltanlagen vorgestellt, die Klimabelastung durch entweichendes SF6 evaluiert, ein Überblick über den Stand der Forschung gegeben und mögliche Konsequenzen eines Verbotes von Schwefelhexafluorid in der Energieversorgung diskutiert.