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Erfinderisches Problemlösen mit TRIZ : Zielbeschreibung, Problemdefinition und Lösungspriorisierung
(2017)
Die Theorie des erfinderischen Problemlösens, TRIZ, ist eine Systematik von Annahmen, Regeln, Methoden und Werkzeugen zur innovativen Systemverbesserung z.B. von Produkten, Prozessen, Dienstleistungen oder Organisationen. Diese Richtlinie erläutert TRIZ-Werkzeuge und -Methoden, die insbesondere in den Phasen "Zielbeschreibung", "Problemdefinition" und "Lösungspriorisierung" des Problemlösungsprozesses eingesetzt werden. Die Detailtiefe der Beschreibung erlaubt eine Einschätzung der Werkzeuge und Methoden hinsichtlich Einsatzzwecken, Ergebnissen und Funktionsweise. Die jeweilige Beschreibung der Methoden und Werkzeuge enthält konkrete Aussagen über Zielsetzung und Ergebnis ihres Einsatzes.
Simulation-based degradation assessment of lithium-ion batteries in a hybrid electric vehicle
(2017)
Within this work, the benefits of using predictive control methods for the operation of Adsorption Cooling Machines (ACMs) are shown on a simulation study. Since the internal control decisions of series-manufactured ACMs often cannot be influenced, the work focuses on optimized scheduling of an ACM considering its internal functioning as well as forecasts for load and driving energy occurrence. For illustration, an assumed solar thermal climate system is introduced and a system model suitable for use within gradient-based optimization methods is developed. The results of a system simulation using a conventional scheme for ACM scheduling are compared to the results of a predictive, optimization-based scheduling approach for the same exemplary scenario of load and driving energy occurrence. The benefits of the latter approach are shown and future actions for application of these methods for system control are addressed.
Wie man die Vorlesung "Technische Mechanik 1 - Statik" für alle Beteiligten dynamisch gestaltet
(2017)
Lehrende nehmen vielfältige Veränderungen, insbesondere bei Studienanfängern wahr: Vorkenntnisse, Aufnahme- und Konzentrationsfähigkeit werden zunehmend heterogener. In der Vorlesung „Technische Mechanik 1“ wurde darauf konstruktiv reagiert, indem der Ablauf und die Struktur verändert wurden. Aufgaben und ihre Lösungen stehen im Mittelpunkt des Unterrichts. Neben der Lehrenden als aktiv Handelnde wird jeder Studierende im Lauf des Semesters in den Ablauf integriert und muss individuelle Lösungen der verteilten Aufgaben präsentieren. Im Vergleich entwickeln die Studierenden durch „Lernen am Modell“ dadurch ihre methodischen und fachlichen Fähigkeiten weiter. Um den Studierenden die Relevanz der behandelten Themenbereiche zu verdeutlichen wurden spezielle Aufgaben mit einem lebensweltlichem Bezug entwickelt. Befragungen zeigen, dass die Studierenden von den vielfältigen interaktiven Lernangeboten profitieren und die entwickelten Kompetenzen auch auf andere Lernsituationen übertragen.
Objective: This paper deals with the design and the optimization of mechatronic devices.
Introduction: Comparing with existing works, the design approach presented in this paper aims to integrate optimization in the design phase of complex mechatronic systems in order to increase the efficiency of this method.
Methods: To solve this problem, a novel mechatronic system design approach has been developed in order to take the multidisciplinary aspect and to consider optimization as a tool that can be used within the embodiment design process to build mechatronic solutions from a set of solution concepts designed with innovative or routine design methods.
Conclusions: This approach has then been applied to the design and optimization of a wind turbine system that can be implemented to autonomously supply a mountain cottage.
Process engineering focuses on the design, operation, control and optimization of chemical, physical and biological processes and has applications in many industries. Process Intensification is the key development approach in the modern process engineering. The proposed Advanced Innovation Design Approach (AIDA) combines the holistic innovation process with the systematic analytical and problem solving tools of the theory of inventive problem solving TRIZ. The present paper conceptualizes the AIDA application in the field of process engineering and especially in combination with the Process Intensification. It defines the AIDA innovation algorithm for process engineering and describes process mapping, problem ranking, and concept design techniques. The approach has been validated in several industrial case studies. The presented research work is a part of the European project “Intensified by Design® platform for the intensification of processes involving solids handling”.
Three real-lab trigeneration microgrids are investigated in non-residential environments (educational, office/administrational, companies/production) with a special focus on domain-specific load characteristics. For accurate load forecasting on such a local level, à priori information on scheduled events have been combined with statistical insight from historical load data (capturing information on not explicitly-known consumer behavior). The load forecasts are then used as data input for (predictive) energy management systems that are implemented in the trigeneration microgrids. In real-world applications, these energy management systems must especially be able to carry out a number of safety and maintenance operations on components such as the battery (e.g. gassing) or CHP unit (e.g. regular test runs). Therefore, energy management systems should combine heuristics with advanced predictive optimization methods. Reducing the effort in IT infrastructure the main and safety relevant management process steps are done on site using a Smart & Local Energy Controller (SLEC) assisted by locally measured signals or operator given information as default and external inputs for any advanced optimization. Heuristic aspects for local fine adjustment of energy flows are presented.
Das Projektvorhaben "Energienetzmanagement dezentraler KWK‐Anlagen mit diversen Verbraucherstrukturen", das vom Innovationsfonds der badenova AG & Co KG von Mai 2012 bis Juli 2016 unter der Fördernummer 2012‐09 gefördert wurde kann aus Sicht des Projektnehmers Hochschule Offenburg und seiner Partner Stadt Offenburg und G. und M. Zapf Energie GbR mbH als sehr erfolgreich umgesetztes Fördervorhaben bezeichnet werden. Während der ca. vier Jahre Projektlaufzeit konnten mehrere Reallabore geschaffen werden, die an die Eigenschaften eines Subnetzes in einem Smart Grid sehr nah herangeführt wurden. Alle Objekte bzw. Netzstrukturen verfügen über typische Komponenten eines Microgrids mit Energiequellen, Speichern und Senken. Auch wurde die Trigeneration als Netzvariante mit Strom‐ Wärme und Kältebereitstellung aufgegriffen und für Verteilnetzmodelle der Niederspannungsebene beschrieben. Ausgehend von einem Mikronetzmodell für jede Energieart kann hinter jeder Trafostation eine beliebig komplexe Energieversorgungsstruktur aufgespannt werden.
Viele hochbeanspruchte Bauteile müssen zur Erfüllung ihres konstruktiven Zwecks mit Durchdringungskerben versehen werden. Infolge der gegenseitigen Wechselwirkung gelten für die Kerbwirkung dieser Art von Mehrfachkerben andere Gesetzmäßigkeiten als bei Einzelkerben. Die Weiterentwicklung der Lehre von der Tragfähigkeitsberechnung höchstbeanspruchter Maschinenelemente macht es notwendig, sich mit der Durchdringungskerbwirkung eingehend zu befassen. Thum und Svenson [1] entwickelten im Jahr 1949 ein Näherungsverfahren zur Abschätzung der Formzahl an einem zugbelasteten Stab mit Durchdringungskerben. In vielen Lehrbüchern findet dieses Verfahren Anwendung. Aus heutiger Sicht erscheint die Eignung der aus diesem Ansatz erzielten Ergebnisse als dringend überprüfungswürdig. Das thum’sche Verfahren wird unter die Lupe genommen. Der hier vorliegende Beitrag präsentiert mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) neue Untersuchungsergebnisse an zugbeanspruchten Stäben mit Halbkreisnut und überlagerter Querbohrung. Diese ergaben, dass die Berechnung nach [1] Lücken aufweist. Ihr Ansatz stellt für den heutigen Entwicklungsstand eine mit zu großen Abweichungen behaftete Näherungshypothese dar.
This paper describes the Sweaty II humanoid adult size robot trying to qualify for the RoboCup 2017 adult size humanoid competition. Sweaty came 2nd in RoboCup 2016 adult size league. The paper describes the main characteristics of Sweaty that made this success possible, and improvements that have been made or are planned to be implemented for RoboCup 2017.
Technology and computer applications influence our daily lives and questions arise concerning the role of artificial intelligence and decision-making algorithms. There are warning voices, that computers can, in theory, emulate human intelligence-and exceed it. This paper points out that a replacement of humans by computers is unlikely, because human thinking is characterized by cognitive heuristics and emotions, which cannot simply be implemented in machines operating with algorithms, procedural data processing or artificial neural networks. However, we are going to share our responsibilities with superior computer systems, which are tracking and surveying all of our digital activities, whereas we have no idea of the decision-making processes inside the machines. It is shown that we need a new digital humanism defining rules of computer responsibilities to avoid digital totalism and comprehensive monitoring and controlling of individuals within the planet Earth.
Automatic Identification of Travel Locations in Rare Books - Object Oriented Information Management
(2017)
The digital content of the Internet is growing exponentially and mass digitization of printed media opens access to literature, in particular the genre of travel literature from the 18th and 19th century, which consists of diaries or travel books describing routes, observations or inspirations. The identification of described locations in the digital text is a long-standing challenge which requires information technology to supply dynamic links to sources by new forms of interaction and synthesis between humanistic texts and scientific observations.
Using object oriented information technology, a prototype of a software tool is developed which makes it possible to automatically identify geographic locations and travel routes mentioned in rare books. The information objects contain properties such as names and classification codes for populated places, streams, mountains and regions. Together, with the latitudes and longitudes of every single location, it is possible to geo-reference this information in order that all processed and filtered datasets can be displayed by a map application. This method has already been used in the Humboldt Digital Library to present Alexander von Humboldt’s maps and was tested in a case study to prove the correctness and reliability of the automatic identification of locations based on the work of Alexander von Humboldt and Johann Wolfgang von Goethe.
The results reveal numerous errors due to misspellings, change of location names, equality of terms and location names. But on the other hand it becomes very clear that results of the automatic object detection and recognition can be improved by error-free and comprehensive sources. As a result an increase in quality and usability of the service can be expected, accompanied by more options to detect unknown locations in the descriptions of rare books.
Eine zentrale Frage der Arbeit ist, wie sich die Änderungen der Probengeometrien, in Abhängigkeit der Versuchs- und Regelparameter, auf die Messergebnisse auswirken. Ziel ist es, Referenzlösungen für eine optimale und reproduzierbare Versuchsdurchführung zu erstellen. Gegebenenfalls muss dabei von der Norm ISO 37 abgewichen werden. Des Weiteren wird die optische Dehnungsmessung untersucht und auf die Versuche angepasst.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit deren Hilfe ein Gas, vorzugsweise Luft, erwärmt und dem Gas Feuchtigkeit und Schadstoffpartikel entzogen werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Speicherpatrone zum Speichern von thermischer Energie, die in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Speicherpatrone zum Erwärmen von Gas oder zum Entfernen von Feuchtigkeit aus einem Gas. Ein Verfahren zum Erwärmen von Gas bzw. dem Entfernen von Feuchtigkeit aus einem Gas sowie ein Verfahren zum Regenerieren einer entladenen erfindungsgemäßen Speicherpatrone sind ebenso Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Micro gas turbines (MGTs) are regarded as combined heat and power (CHP) units which offer high fuel utilization and low emissions. They are applied in decentralized energy neration.
To facilitate the planning process of energy systems, namely in the context of the increasing application of optimization techniques, there is a need for easy-to-parametrize component models with sufficient accuracy which allow a fast computation. In this paper, a model is proposed where the non-linear part load characteristics of the MGT are linearized by means of physical insight of the working principles of turbomachinery. Further, it is shown that the model can be parametrized by the data usually available in spec sheets. With this model a uniform description of MGTs from several manufacturers
covering an electrical power range from 30kW to 333kW can be obtained. The MGT model was
implemented by means of Modelica/Dymola. The resulting MGT system model, comprising further heat exchangers and hydraulic components, was validated using the experimental data of a 65kW MGT from a trigeneration energy system.
Polygeneration systems are a key technology for the reduction of primary energy usage and emissions. High costs, lack of flexibility and effort for parameterization hinder the wide usage of modeling tools during their conceptual design. This paper describes how planning tools can be structured for the conceptual design phase where only little information is available to the planner. A library concept was developed using the principles of object-oriented modeling to address the flexibility issue. With respect to cost and expandability, the open-source modeling language Modelica was chosen. Furthermore, easy-to-parameterize component models were developed. In addition to the improved library concept and novel component models, an easy-to-adapt control concept is proposed. The component models were validated and the applicability of the library was demonstrated by means of an example. It was shown that the data usually obtained from spec sheets are sufficient to parameterize the models. In addition to this, the control concept was approved.
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a widely-used diagnostic technique to characterize electrochemical processes. It is based on the dynamic analysis of two electrical observables, that is, current and voltage. Electrochemical cells with gaseous reactants or products (e.g., fuel cells, metal/air cells, electrolyzers) offer an additional observable, that is, the gas pressure. The dynamic coupling of current and/or voltage with gas pressure gives rise to a number of additional impedance definitions, for which we have introduced the term electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) [1,2]. EPIS shows a particular sensitivity towards transport processes of gas-phase or dissolved species, in particular, diffusion coefficients and transport pathway lengths. It is as such complementary to standard EIS, which is mainly sensitive towards electrochemical processes. This sensitivity can be exploited for model parameterization and validation. A general analysis of EPIS is presented, which shows the necessity of model-based interpretation of the complex EPIS shapes in the Nyquist plot (cf. Figure). We then present EPIS simulations for two different electrochemical cells: (1) a sodium/oxygen battery cell and (2) a hydrogen/air fuel cell. We use 1D or 2D electrochemical and transport models to simulate current excitation/pressure detection or pressure excitation/voltage detection. The results are compared to first EPIS experimental data available in literature [2,3].
A complete thermomechanical fatigue (TMF) life prediction methodology is developed for predicting the TMF life of cast iron cylinder heads for efficient heavy duty internal combustion engines. The methodology uses transient temperature fields as thermal loads for the non-linear structural finite-element analysis (FEA). To obtain reliable stress and strain histories in the FEA for cast iron materials, a time and temperature dependent plasticity model which accounts for viscous effects, non-linear kinematic hardening and tensioncompression asymmetry is required. For this purpose a unified elasto-viscoplastic Chaboche model coupled with damage is developed and implemented as a user material model (USERMAT) in the general purpose FEA program ANSYS. In addition, the mechanismbased DTMF model for TMF life prediction developed in Part I of the paper is extended to three-dimensional stress states under transient non-proportional loading conditions. The material properties of the plasticity model are determined for lamellar graphite cast iron GJL250 and vermicular graphite cast iron GJV450 from isothermal and non-isothermal uniaxial tests. The methodology is applied to obtain a TMF life prediction on two cast iron cylinder heads for heavy duty diesel engine applications made from both cast iron materials. It is shown that the life predictions using the developed methodology correlate very well with observed lives from two bench tests in terms of location as well as number of cycles to failure.
The DMFC is a promising option for backup power systems and for the power supply of portable devices. However, from the modeling point of view liquid-feed DMFC are challenging systems due to the complex electrochemistry, the inherent two-phase transport and the effect of methanol crossover. In this paper we present a physical 1D cell model to describe the relevant processes for DMFC performance ranging from electrochemistry on the surface of the catalyst up to transport on the cell level. A two-phase flow model is implemented describing the transport in gas diffusion layer and catalyst layer at the anode side. Electrochemistry is described by elementary steps for the reactions occurring at anode and cathode, including adsorbed intermediate species on the platinum and ruthenium surfaces. Furthermore, a detailed membrane model including methanol crossover is employed. The model is validated using polarization curves, methanol crossover measurements and impedance spectra. It permits to analyze both steady-state and transient behavior with a high level of predictive capabilities. Steady-state simulations are used to investigate the open circuit voltage as well as the overpotentials of anode, cathode and electrolyte. Finally, the transient behavior after current interruption is studied in detail.
Warmumformwerkzeuge unterliegen während des Betriebes komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. In kritischen Bereichen können dadurch lokal Spannungen entstehen, die die Fließgrenze überschreiten. Bei der Serienproduktion führt dies zu zyklischen plastischen Verformungen und zur thermomechanischen Ermüdung, welche die Lebensdauer der Warmumformwerkzeuge maßgeblich bestimmen kann. Zur Bewertung der thermomechanischen Ermüdung der Warmumformwerkzeuge gibt es jedoch heute keine etablierten Konzepte, da dieser Aspekt erst durch die Notwendigkeit einer höheren Ressourcen- und Energieeffizienz und optimierter Produktionsprozesse (beispielsweise im Rahmen von Industrie 4.0) eine höhere Aufmerksamkeit erreicht. In dieser Arbeit wird zum einen die aktuell industriell angewandte Vorgehensweise zur Auslegung von Warmumformwerkzeugen hinsichtlich der Lebensdauer erläutert. Des Weiteren wird ein Überblick über existierende Plastizitätsmodelle und Lebensdauermodelle gegeben. Dabei wird zwischen rein phänomenologischen und mechanismenbasierten Modellen unterschieden. Aus der betriebenen Recherche wird ersichtlich, dass weiterer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet notwendig ist.
Passive hybridization of battery cell and photovoltaic cell: modeling and experimental validation
(2017)
Die vorliegende Bachelorthesis befasst sich mit der Konstruktion einer Schweißvorrichtung mit automatischem Brennervorschub zu dem anlassfarbenfreien Schweißen einer Ecknaht in verschiedenen Längen und dem damit verbundenen Wolfram-Intergas-Schweißen und Formieren. Ziel des ersten Teiles dieser Bachelorthesis ist es, die benötigten Funktionsgruppen und deren Aufgaben festzulegen. Aus den daraus gewonnenen Informationen werden verschiede Konzepte erarbeitet. Diese werden bezüglich ihrer Funktionserfüllung und Einsetzbarkeit beurteilt. Anhand dieser Bewertung werden die besten Konzepte ausgewählt. Im zweiten Teil dieser Bachelorthesis werden diese dann ausgearbeitet und mit den für die Gesamtfunktion erforderlichen Bauteilen zusammengefügt. Die Ausarbeitung bezieht sich sowohl auf die Funktionserfüllung als auch auf die Anbindung an weitere Bauteile.
Für den Einsatz im Maschinen- und Fahrzeugbau soll eine neuartige Metall-Kohlenstoff-Verbundbeschichtung entwickelt werden, in der die positiven Eigenschaften der Komponenten Molybdän, Wolfram und Kohlenstoff hinsichtlich von Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit kombiniert werden sollen. Das Schichtsystem Mo-W-C wird im Verfahren des reaktiven Magnetron-Sputterns hergestellt. In insgesamt 28 Chargen werden systematisch die Prozessparameter Sputtergasfluss (Argon), Prozessgasfluss (C2H2), Kathodenleistungsverteilung (insgesamt konstant, variierte Aufteilung auf die zwei Metalltargets aus Mo und W), Bias-Spannung und Bias-Strom variiert. Anhand der Untersuchungen zu Zusammensetzung, Verschleißeigenschaften, Härte, E-Modul, Struktur und Haftung der Beschichtung mittels mechanischer, optischer und chemischer Prüfverfahren sollen die Einflüsse der Prozessparameter ermittelt werden. Durch vergleichendes Gegenüberstellen wird gezeigt, dass besonders gute Resultate hinsichtlich Härte, E-Modul und Haftung bei den niedrigsten eingestellten Werten für Bias-Spannung (100 V), Bias-Strom (2 A) und C2H2-Gasfluss (30 sccm) sowie dem höchsten eingestellten Argon-Gasfluss (55 sccm) erzielt werden. Gute Verschleißraten werden grundsätzlich bei einer Bias-Spannung von 200 V, einem Bias-Strom von 3 A und einem Argon-Gasfluss von 55 sccm erzielt. Die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Daten stellen die Grundlage für weitere Untersuchungen dar, die das Ziel verfolgen, eine ideale Parameterauswahl für das Schichtsystem Mo-W-C im reaktiven Magnetron-Sputterprozess zu entwickeln.
Lithium-ion batteries show a complex thermo-electrochemical performance and aging behavior. This paper presents a modeling and simulation framework that is able to describe both multi-scale heat and mass transport and complex electrochemical reaction mechanisms. The transport model is based on a 1D + 1D + 1D (pseudo-3D or P3D) multi-scale approach for intra-particle lithium diffusion, electrode-pair mass and charge transport, and cell-level heat transport, coupled via boundary conditions and homogenization approaches. The electrochemistry model is based on the use of the open-source chemical kinetics code CANTERA, allowing flexible multi-phase electrochemistry to describe both main and side reactions such as SEI formation. A model of gas-phase pressure buildup inside the cell upon aging is added. We parameterize the model to reflect the performance and aging behavior of a lithium iron phosphate (LiFePO4, LFP)/graphite (LiC6) 26650 battery cell. Performance (0.1–10 C discharge/charge at 25, 40 and 60°C) and calendaric aging experimental data (500 days at 30°C and 45°C and different SOC) from literature can be successfully reproduced. The predicted internal cell states (concentrations, potential, temperature, pressure, internal resistances) are shown and discussed. The model is able to capture the nonlinear feedback between performance, aging, and temperature.
Muli-scale thermos-electrochemical modelling of aging mechanisms in an LFP/graphite lithium-ion cell
(2017)
In diesem Beitrag werden die Bereitstellungskosten flexibler Systemkomponenten im deutschen Stromsystem analysiert, zu deren Quantifizierung eine einheitliche Methodik entwickelt wird. Dabei ist das Ziel des Beitrags, zeitlich differenzierte Kostenpotenzialkurven für die Jahre 2015 und 2030 zu erarbeiten, anhand derer die energiespezifischen Kosten der markt- und systemdienlichen Flexibilitätsbereitstellung verglichen und die einzelnen Flexibilitätsoptionen in einen Gesamtkontext eingeordnet werden können.
Der Einsatz flexibler Systemkomponenten wird hierzu in die drei Hauptphasen (1) Vorhaltung, (2) Abruf und (3) Einsatzfolgen unterteilt, woraus sich drei kongruente Kostengruppen ableiten lassen, nach denen die einzelnen Kostenbestandteile identifiziert und als Ergebnis die Bereitstellungskosten quantifiziert werden. Neben fossil-thermischen Kraftwerken werden dabei bspw. die Kraft-Wärme-Kopplung, Biogasanlagen, Pumpspeicher- und Laufwasserkraftwerke sowie steuerbare Lasten untersucht.
Zur anschließenden Abbildung der teils negativen Bereitstellungskosten wird die herkömmliche Darstellungsform der Merit Order entlang der Ordinate um die Abbildung negative Werte erweitert und die Abszisse für die Abbildung negativer Flexibilität in umgekehrter Reihenfolge angeordnet. Das Ergebnis sind zwei zusammenhängende Graphen, mittels derer sich die Bereitstellungskosten verschiedener Flexibilitätsoptionen gegenüberstellen und anschaulich vergleichen lassen.
Durch die Festlegung eines Rahmenszenarios zur Entwicklung des deutschen Stromsystems bis zum Jahr 2030 wird anschließend auch die zukünftige Perspektive der Flexibilitätsbereitstellung in Deutschland analysiert. Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass der deutsche Kraftwerkspark mit einem fortschreitenden Rückbau der Kohlekraftwerke nur dann zunehmend flexibler wird und auf höhere Schwankungen im Stromnetz reagieren kann, wenn von einem gleichzeitigen Zubau moderner erdgasbetriebener Kraftwerke ausgegangen wird. In diesem Fall steigen die Bereitstellungskosten positiver Flexibilität, was sich beispielsweise durch zukünftig steigende Brennstoffpreise bergründen lässt. Jedoch kann bspw. durch die Transformation der Kraft-Wärme-Kopplung hin zu einer grundsätzlich stromgeführten Fahrweise zukünftig eine vergleichsweise kostengünstige Flexibilitätsbereitstellung erschlossen und somit auch ein gleichbleibendes oder oftmals sogar höheres Flexibilitätsniveau am Markt erreicht werden.
The paper is addressing the needs of the universities regarding qualification of students as future R&D specialists in efficient techniques for successfully running innovation process. In comparison with the engineers, the students often demonstrate lower motivation in learning systematic inventive techniques, like for example TRIZ methodology, and prefer random brainstorming for idea generation. The quality of obtained solutions also depends on the level of completeness of the problem analysis, which is more complex and time consuming in the case of interdisciplinary systems. The paper briefly describes one-semester-course of 60 hours in new product development with the Advanced Innovation Design Approach and TRIZ methodology, in which a typical industrial innovation process for one selected interdisciplinary mechatronic product is modelled.
The Advanced Innovation Design Approach is a holistic methodology for enhancing innovative and competitive capability of industrial companies. AIDA can be considered as an open mindset, an individually adaptable range of strongest innovation techniques such as comprehensive front-end innovation process, advanced innovation methods, best tools and methods of the TRIZ methodology, organizational measures for accelerating innovation, IT-solutions for Computer-Aided Innovation, and other innovation methods, elaborated in the recent decade in the industry and academia
The European TRIZ Association ETRIA acts as a connecting link between scientific institutions, universities and other educational organizations, industrial companies and individuals concerned with conceptual and practical questions relating to organization of innovation process, invention methods, and innovation knowledge. In the meantime, more than TFC 1000 papers or presentation of scientists, educators, and practitioners from all over the world are available at the official ETRIA website. Numerous research projects were supported or funded by the European Commission.
One of the practical bottlenecks associated with commercialization of lithium-air cells is the choice of an appropriate electrolyte that provides the required combination of cell performance, cyclability and safety. With the help of a two-dimensional multiphysics model, we attempt to narrow down the electrolyte choice by providing insights into the effect of the transport properties of electrolyte, electrode saturation (flooded versus gas diffusion), and electrode thickness on a single discharge performance of a lithium-air button cell cathode for five different electrolytes including water, ionic liquid, carbonate, ether, and sulfoxide. The 2D distribution of local current density and concentrations of electrochemically active species (O2 and Li+) in the cathode is also discussed w.r.t electrode saturation. Furthermore, the efficacy of species transport in the cathode is quantified by introducing two parameters, firstly, a transport efficiency that gives local insight into the distribution of mass transfer losses, and secondly, an active electrode volume that gives global insight into the cathode volume utilization at different current densities. A detailed discussion is presented toward understanding the design-induced performance limitations in a Li-air button cell prototype.
Practical bottlenecks associated with commercialization of Lithium-air cells include capacity limitation and low cycling efficiency. The origin of such losses can be traced to complex electrochemical side reactions and reactant mass transport losses[1]. The efforts to minimize such losses include exploration of various electrolytes with additives[2], and cell component geometry and material design. Given the wide range of options for such materials, it is almost impractical to experimentally setup and characterize all those cells. Consequently, modeling and simulation studies are efficient alternatives to analyze spatially and temporally resolved cell behavior for various combinations of materials[3]. In this study, with the help of a two-dimensional multi physics model, we have focused on the effect of electrode and electrolyte interaction (electrochemistry), choice of electrolyte (species transport), and electrode geometry (electrode design) on the performance of a lithium-air button cell. Figure1a shows the schematics of the 2D axisymmetric computational domain. A comparative analysis of five different electrolytes was performed while focusing on the 2D distribution of local current density and the concentration of electro-chemically active species in the cell, that is, O2and Li+. Using two different cathode configurations, namely, flooded electrode and gas diffusion electrode (GDE)[4] at different cathode thickness, the effect of cell geometry and electrolyte saturation on cell performance was explored. Further, a detailed discussion on electrode volume utilization (cf. Figure1b) is presented via changes in the active volume of cathode that produces 90% of the total current with the cell current density for different combinations of electrolyte saturations and cathode thickness.
Simulation-based degradation assessment of lithium-ion batteries in a hybrid electric vehicle
(2017)
The insufficient lifetime of lithium-ion batteries is one of the major cost driver for mobile applications. The battery pack in vehicles is one of the most expensive single components that practically must be excluded from premature replacement (i.e., before the life span of the other components end). Battery degradation is a complex physicochemical process that strongly depends on operating condition and environment. We present a simulation-based analysis of lithium-ion battery degradation during operation with a standard PHEV test cycle. We use detailed multiphysics (extended Newman-type) cell models that allow the assessment of local electrochemical potential, species and temperature distributions as driving forces for degradation, including solid electrolyte interphase (SEI) formation [1]. Fig. 1 shows an exemplary test cycle and the predicted resulting spatially-averaged SEI formation rate. We apply a time-upscaling approach to extrapolate the degradation analysis over long time scales, keeping physical accuracy while allowing end-of-life assessment [2]. Results are presented for lithium-ion battery cells with graphite/LFP chemistry. The behavior of these cells in terms of degradation propensity, performance, state of charge and other internal states is predicted during long-term cycling. State of health (SOH) is quantified as capacity fade and internal resistance increase as function of operation time.
We present a two-dimensional (2D) planar chromatographic separation method for phytoestrogenic active compounds on RP-18 W (Merck, 1.14296) phase. It could be shown that an ethanolic extract of liquorice (Glycyrrhiza glabra) roots contains four phytoestrogenic active compounds. As solvent, in the first direction, the mix of hexane, ethyl acetate, and acetone (45:15:10, v/v) was used, and, in the second direction, that of acetone and water (15:10, v/v) was used. After separation, a modified yeast estrogen screen (YES) test was applied, using the yeast strain Saccharomyces cerevisiae BJ3505. The test strain (according to McDonnell) contains the estrogen receptor. Its activation by estrogen active compounds is measured by inducing the reporter gene lacZ which encodes the enzyme β-galactosidase. This enzyme activity is determined on plate by using the fluorescent substrate MUG (4-methylumbelliferyl-β-d-galactopyranoside). The enzyme can also hydrolyse X-β-Gal (5-bromo-4-chloro-3-indoxyl-β-d-galactopyranosid) into β-galactose and 5-bromo-4-chloro-3-indoxyl. The indoxyl compound is oxidized by oxygen forming the deep-blue dye 5,5β-dibromo-4,4β-dichloro-indigo which allows to detect phytoestrogenic activity more specific in the presence of native fluorescing compounds.
Radiation is an important means of heat transfer inside an electric arc furnace (EAF).
To gain insight into the complex processes of heat transfer inside the EAF vessel, not only radiation from the surfaces but also emission and absorption of the gas phase and the dust cloud need to be considered.
Furthermore, the radiative heat exchange depends on the geometrical configuration which is continuously changing throughout the process.
The present paper introduces a system model of the EAF which takes into account the radiative heat transfer between the surfaces
and the participating medium. This is attained by the development of a simplified geometrical model,
the use of a weighted-sum-of-gray-gases model, and a simplified consideration of dust radiation.
The simulation results were compared with the data of real EAF plants available in literature.
In der Planungs- und Betriebspraxis herrscht im Bereich der Betriebsführung von thermisch aktivierten Bauteilsystemen und insbesondere der thermisch trägen Bauteilaktivierung noch große Unsicherheit. Trotz einer weiten Verbreitung dieser Systeme im Neubau von Nichtwohngebäuden hat sich bis heute keine einheitliche Betriebsführungsstrategie durchgesetzt. Vielmehr kritisieren Bauherren und Nutzer regelmäßig zu hohe bzw. niedrige Raumtemperaturen in den Übergangsjahreszeiten und bei Wetterwechsel sowie generell eine mangelhafte Regelbarkeit. Demgegenüber weisen Monitoringprojekte immer wieder einen hohen thermischen Komfort in diesen Gebäuden nach. Offensichtlich unterscheiden sich hier subjektiv empfundene Behaglichkeit und objektiv gemessener Komfort. Gleichzeitig sind Heiz- und Kühlkonzepte mit Flächentemperierung dann besonders energieeffizient, wenn das Regelkonzept auf deren thermische Trägheit angepasst ist. Eine gute Regelung gewährleistet also einen hohen thermischen Komfort und sorgt für einen möglichst niedrigen Energieeinsatz. Das Rechenverfahren mit Anlagenaufwandszahlen (in Anlehnung an DIN V 18599) bietet eine gute Möglichkeit, Anlagenkonzepte inklusive deren Betriebsführungsstrategie zu bewerten. Damit ist es möglich, eine auf das Gebäude angepasste Betriebsführungsstrategie für die Bauteilaktivierung zu finden und einheitlich zu bewerten.
Modelling and Simulation of Microscale Trigeneration Systems Based on Real- Life Experimental Data
(2017)
For the shift of the energy grid towards a smarter decentralised system flexible microscale trigeneration systems will play an important role due to their ability to support the demand side management in buildings. However to harness their potential modern control methods like model predictive control must be implemented for their optimal scheduling and control. To implement such supervisory control methods, first, simple analytical models representing the behaviour of the components need to be developed. At the Institute of Energy System Technologies in Offenburg we have built a real-life microscale trigeneration plant and present in this paper the models based on experimental data. These models are qualitatively validated and their application in the future for the optimal scheduling problem is briefly motivated.
Microscale trigeneration systems are highly flexible in their operation and thus offer the technical possibility for peak load shifting in building demand side management. However to harness their potential modern control methods such as model predictive control must be implemented for their optimal scheduling. In literature the need for experimental investigation of microscale trigeneration systems to identify typical characteristics of the components and their interactions has been identified. On a real-life setup control specific information of the components is collected and lessons learnt during commissioning of the equipment is shared. The data is analysed to draw the vital characteristics of the system and it will be used for creating models of the components that can be utilised for optimal control.