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Der elektrische Wirkungsgrad stellt eines der wichtigsten Bewertungskriterien für BHKW dar, da über diese Größe ausgedrückt wird, wie viel des Wertproduktes „elektrische Energie“ bezogen auf die eingesetzte oder aufzuwendende Brennstoffenergie produziert werden kann. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist somit gleichbedeutend mit hohen Erlösen aus dem Verkauf der erzeugten elektrischen Energie und damit eine grundlegende Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb eines BHKWs. Folglich sind die Hersteller von BHKW bestrebt, den elektrischen Wirkungsgrad ihrer Geräte kontinuierlich zu verbessern und nach oben zu treiben. Dieses Bemühen zeigt sich eindrucksvoll an der Entwicklung der mechanischen Effizienz von Gasmotoren der Firma GE Jenbacher. Während mit Motoren der Baureihe 6 im Leistungsbereich 1,8 – 4,4 MWel im Jahr 1988 eine mechanische Effizienz von 34% erreichbar war, liegt dieser Wert mittlerweile bei etwa 47,5%. Diese enorme Steigerung konnte im Wesentlichen durch eine Erhöhung des mittleren effektiven Zylinderarbeitsdrucks von etwa 10 bar im Jahr 1988 auf derzeit 24 bar erzielt werden. Dabei hilft der Magerbetrieb, der gleichzeitig ein Zurückdrängen der NOx-Emissionen bewirkt, die Klopfgrenze zu höheren Drücken hin zu verschieben. Eine sichere Zündung des Gas-Luft-Gemisches wird durch die Vorkammerzündung erreicht.
In diesem Beitrag wird ein kapazitiver Low Power DC-DC Wandler mit 15 konfigurierbaren Übersetzungsverhältnissen, einem hohen Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 20 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 5 V vorgestellt. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW wird ein maximaler Wirkungsgrad von 81% erreicht. Die Implementierung erfolgt in einem 350 nm Hochvolt-CMOS-Prozess. Während es für niedrige Eingangsspannungen eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden vollintegrierte SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Höhere Spannungen erfordern den Einsatz von Hochvolttransistoren und eine aufwändigere Ansteuerung. Um über einen weiteren Eingangsspannungsbereicht mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad zu wandeln, erweist sich die Topologie des rekursiven Switched-Capacitor Wandlers (RSC Wandler) als vorteilhaft. In der vorliegenden 4-Bit Implementierung ist der RSC Wandler aus N = 4 2:1 Serien-Parallel Wandler-Zellen aufgebaut. Durch verschiedene Anordnung der einzelnen Zellen können 2ᴺ -1 = 15 Wandlungsverhältnisse realisiert werden. Mittels Rekursion werden in jedem Wandlungsverhältnis alle Kapazitäten genutzt, wodurch die Stromfähigkeit und der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verbessert werden. Einheitliche 2:1 Wandler-Zellen ermöglichen einen modularen Aufbau des Layouts.
Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Verbund von Energieanlagen, koordiniert von einem gemeinsamen Leitsystem, um eine bessere Ausnutzung wetterabhängiger Energiequellen oder die gemeinsame Vermarktung von erzeugtem Strom zu ermöglichen. Der Demonstrator Virtuelles Kraftwerk Neckar-Alb ist eine Demonstrationsplattform für Forschung und Lehre, die Anlagen auf dem Campus der Hochschule Reutlingen und verteilte Anlagen in der Region Neckar-Alb integriert.
Universelle OTA-Testbench
(2014)
Es wird eine universell einsetzbare Testbench zur Simulation von integrierten Schaltungen innerhalb der OTA-Schaltungsklasse (Operational Transconductance Amplifier; Transkonduktanzverstärker) vorgestellt. Transkonduktanzverstärker sind in der analogen Schaltungstechnik weit verbreitet und daher von großer Bedeutung. Sie treten sowohl als eigenständige Schaltungen innerhalb eines Chips, sowie als Bestandteil anderer Schaltungen (z.B. als erste und zweite Stufe von Operationsverstärkern) auf. Es kann davon ausgegangen werden, dass heute kaum ein analoger oder Mixed-Signal-Chip gefertigt wird, in dem keine Transkonduktanzverstärker verbaut sind. Die Entscheidungsfindung des Entwicklers bei der Auslegung eines OTAs beruht maßgeblich auf einer anwendungsspezifischen Simulation. Die Erstellung einer eigenen Testbench für jede Anwendung bedeutet allerdings einen hohen Zeitaufwand und erschwert den Vergleich der Simulationsergebnisse unterschiedlicher Schaltungsvarianten. Durch eine universelle Testbench kann zum einen der Zeitaufwand verringert werden, zum anderen können nun Simulationsergebnisse direkt miteinander verglichen werden. Hierdurch wird die Entscheidungsfindung des Entwicklers objektiviert und beschleunigt. Neben dem Vergleich unterschiedlicher Schaltungen innerhalb einer Technologie ist auch der Vergleich einer Schaltung in unterschiedlichen Technologien denkbar. Die Idee einer universell anwendbaren Testbench lässt sich auch auf andere analoge Schaltungsklassen anwenden und damit als Prinzip verallgemeinern.
Die Alterungsbeständigkeit von geschirmten Kabeln und Kontaktpaaren gewinnt angesichts des zunehmenden Einsatzes elektronischer softwarebasierter Steuerungen in Transportmitteln an Relevanz. Elektro- und Hybridantriebe sowie die Implementierung von Fahrassistenzsystemen bis hin zu autonom fahrenden Fahrzeugen führen zu komplexen Kabelbäumen mit einer großen Zahl von geschirmten Kabeln und Steckverbindern.
Um die Stabilität von Kontaktsystemen hinsichtlich ihrer Stabilität zu prüfen, werden Hochspannungskabel unterschiedlicher Hersteller und Dimensionierung für den Einsatz in Hybridfahrzeugen untersucht. Diese wurden mit Modellsteckern versehen, die die Schimung kontaktierten und hinreichend gewährleisteten.
Impedanz und Schirmwirkungsdämpfung wurden an thermisch belasteten Kabeln und Kontaktpaaren vergleichend zu Neuteilen untersucht. Der Einfluss der in Anlehnung an die LV 214 induzierten thermischen Alterung auf das frequenzabhängige Übertragungsprofil sowie den Gesamtstreuverlust wurde messtechnisch ermittelt. Zusätzlich wurden die Alterungseffekte an den Leitungsmaterialien mittels moderner bildgebender Analytik dokumentiert.
In der Mikroelektronik werden Chips häufig in Mold-Gehäusen verpackt. Die elektrischen Verbindungen vom Chip zu den Anschlussbeinchen des Gehäuses werden mit Bonddrähten realisiert. Für die Berechnung der Gleichgewichtstemperatur in einem Bonddraht bei konstantem Strom sowie von Temperaturverläufen bei transienten Strömen ist die herkömmliche FEM-Methode langsam und unhandlich. Daher wurde der Bondrechner entwickelt, der ein zylindersymmetrisches Ersatz-Modell für das Package in geeigneten mathematischen Gleichungen abbildet.
Im Gegensatz zum Bondrechner der ersten Generation [1], der auf den Gleichungen von [2] basiert, bietet ein neuer mathematischer Ansatz die Möglichkeit, eine endliche effektive Package-Größe, sowie einen endlichen Wärmeübergang zwischen Bonddraht und Mold-Masse zu berücksichtigen. Ebenso wurde die Berechnung der Interaktion von mehreren benachbarten Drähten verfeinert. Die Berechnung von beliebigen transienten Pulsformen mittlerer Länge wurde ebenfalls verbessert. Eine quadratische Komponente in der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Drahtmaterials kann jetzt ebenfalls berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse wurden erfolgreich mit FEM-Berechnungen verglichen und die Geschwindigkeit der Berechnung ist um Größenordnungen schneller als mit kommerziellen FEM-Programmen.
Durch schnell schaltende Leistungsendstufen werden durch kapazitive Umladeströme Störungen ins Substrat und in empfindliche Schaltungselemente eingekoppelt, die dort zur Störung der Funktion führen können. In dieser Arbeit werden Substratstrukturen zur gezielten Ableitung dieser Störungen vorgestellt und ihre Wirksamkeit mit Hilfe von Device Simulation evaluiert. Ohne Ableitstrukturen kann eine Potentialanhebung des Substrats bis zu 20 V entstehen. Die Untersuchungen belegen, dass die Potentialanhebung durch p-Typ Guard-Ringe um 75 %, durch leitende Trenches um 88 % sowie durch Rückseitenmetallisierung um nahezu 100 % reduziert werden kann.
- Verschiebung des KWK-Betriebs in die Phasen mit hohem Stromverbrauch
- Wärme- und Stromlastprognose
- Bestimmung des Wärmeinhaltes im Pufferspeicher
- Erstellung eines optimierten Fahrplans für das KWK-Gerät
- Ergebnisse von praktischen Anlagen im Feldtest
- Simulation der Temperaturen im Pufferspeicher im praktischen Betrieb von KWK-Anlagen
Der Wärmespeicher einer KWK-Anlage kann genutzt werden, um den Betrieb des BHKWs in die Zeiten des Stromverbrauchs zu verlagern. Die Ad-hoc-Zuschaltfunktion verbessert das Ergebnis gegenüber eines auf Basis von Prognosen erstellten Fahrplans. Zu beachten sind allerdings eine erhöhte Anzahl BHKW-Starts und erhöhte Wärmeverluste am Speicher. Die deutlich besten Ergebnisse werden für BHKW mit Leistungsmodulation erzielt.
In dem vorliegenden Zwischenbericht sind die Arbeiten und Ergebnisse zusammengefasst, die im Rahmen des Projektes GalvanoFlex_BW während der ersten acht Projektmonate der insgesamt 2 1/2 jährigen Laufzeit durchgeführt und erzielt wurden. Ziel des Projektes ist die Untersuchung und Verbesserung der Energieeffizienz in Industrieunternehmen mit dem speziellen Fokus auf der Einführung stromoptimiert betriebener KWK-Anlagen. Entsprechend des Arbeits- und Zeitplans sind die Literaturrecherche, die Festlegung von Prozesstypen, die Datenerfassung, die Strategieentwickung zur stromoptimierten KWK, die Optimierung der Schnittstelle zwischen KWK und Gleichrichtern, der Aufbau der Branchenplattform und die sozial-wissenschaftliche Begleitforschung beschrieben. Der aktuelle Projektstand deckt sich dabei im Wesentlichen mit den Vorgaben aus dem vorgelegten Zeitplan.
Dieser Bericht fasst die wesentlichen Arbeiten und Ergebnisse zusammen, die in dem Verbundvorhaben „GalvanoFlex_BW“ im Kalenderjahr 2018 durchgeführt und erzielt wurden. Dazu lässt sich zunächst sagen, dass die Messwertaufnahme und –auswertung abgeschlossen ist. Es wurden verschiedene Messkampagnen bei der Fa. NovoPlan durchgeführt. Bei C&C Bark konnte man teilweise auf bestehende Daten zurückgreifen, die punktuell durch weitere Messungen ergänzt wurden. Bei der Fa. Hartchrom konnten aufgrund von Personalmangel keine Messungen durchgeführt werden. Die aufgenommenen Daten wurden in eine Effizienzbewertung überführt, aus der im Folgenden allgemeine Aussagen abgeleitet werden sollen. Dazu ist ein Simulationsprogramm aufgesetzt worden, das in der Lage ist, Prozessketten energetisch abzubilden und zu optimieren. Zudem sollen aus den Messdaten verbesserte Profile für den Wärmebedarf in den Unternehmen entwickelt werden, die daraufhin der KWK-Optimierung zur Verfügung gestellt werden. Im Zuge der Entwicklung und Bewertung stromoptimierter KWK- Strategien ist ein bestehendes Simulationsmodell entsprechend weiterentwickelt worden. Konkret wurde das Modell um eine verbesserte Lastprognose für Strom und Wärme für Industriebetriebe ergänzt, und das Optimierungsverfahren wurde um eine zweite Dimension erweitert. Während bislang allein die Optimierung der Eigenstromdeckung mit einer Begrenzung der BHKW-Starts als Nebenbedingung möglich war, ist jetzt die Kappung der elektrischen Lastspitze zusätzlich in der Zielfunktion integriert. Gerade bei Industrieunternehmen lässt sich auf diese Weise eine weitere, zum Teil nicht unerhebliche Energiekosteneinsparung erreichen, was durch die ersten Berechnungen anhand der drei im Reallabor vertretenden Betriebe bestätigt wird. Die Ergebnisse werden unter AP 8 (Umsetzung) diskutiert. Der Dialog mit weiteren Unternehmen und Institutionen außerhalb des Vorhabens konnte über die Branchenplattfom weitergeführt werden. In 2018 wurden zwei Veranstaltungen dieser Art durchgeführt, und im Frühjahr 2019 wird ein weiterer Workshop zu diesem Thema durchgeführt. Die sozialwissenschaftliche Begleitforschung wurde mit der zweiten Phase der Firmenbefragungen ebenfalls planmäßig weitergeführt. Mit Blick auf die Umsetzung eines BHKW-Konzeptes haben sich dabei zwei wichtige Punkte wie folgt gezeigt: Zum einen muss die umsetzende Firma eine gewisse „Energieeffizienz-Reife“ besitzen, die sich u.a. in der Erfahrung bei der Durchführung von Energieeffizienzmaßnahmen zeigt, da die Installation eines BHKWs eine äußerst komplexe Maßnahme darstellt. Zum anderen müssen andere unternehmensspezifische Kontextfaktoren hinzukommen, wie z.B. aus anderen Gründen durchzuführende bauliche Maßnahmen, so dass gewisse zeitliche Entscheidungsfenster entstehen, in denen die Umsetzung von KWK-Maßnahmen sinnvoll sind.
Bis zum Jahr 2050 soll in Baden Württemberg mit dem Ziel „50-80-90“ der Energiebedarf um 50% reduziert werden, die erneuerbaren Energien sollen zu 80% an der Energieversorgung beteiligt sein und die Emissionen von Treibhausgasen um 90% sinken.Entsprechende Ziele sind für andere Regionen und Länder in ähnlicher Weise festgelegt.
Damit diese Ziele erreicht werden, muss bei der Gebäudewärmeversorgung ein konsequenter Umbau stattfinden. Hier spielt die Sektorenkopplung mit Hilfe von Wärmepumpen (WP) eine entscheidende Rolle. Zur Abschätzung des Potenzials sowie des Aufwandes für einen großflächigen Einsatz von Wärmepumpen ist es unmöglich, eine spezifische und angepasste Dimensionierung der Wärmepumpensysteme für jedes einzelne Gebäude durchzuführen. Stattdessen müssen auf Seiten der Bebauung Referenzgebäude definiert und auf Seiten der Wärmepumpensysteme mittlere Leistungsdaten der am Markt befindlichen Modelle verwendet werden. Während die Festlegung von Referenzgebäuden verschiedentlich in der Literatur zu finden ist, widmet sich der erste Teil der Veröffentlichung der Vorstellung von Korrelationsfunktionen für die thermische und elektrische Leistung sowie die Leistungszahl (COP) von Wärmepumpen, die auf Basis von Herstellerdaten in Abhängigkeit der Quellen- und Vorlauftemperatur ermittelt wurden.
Konkret wurden als Ausgangsbasis für die Korrelationsfunktionen Datenblätter verschiedener Sole- und Luft-Wasser Wärmepumpen (SWP, LWP) zusammengestellt und ausgewertet. Die Grundlage hierfür war die Liste „Wärmepumpen mit Prüfnachweis eines unabhängigen Prüfinstituts“ des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).
Durch das Verbot der ozonschädigenden Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen als Kältemittel und der heute überwiegend eingesetzten Fluor-Kohlenwasserstoffe, welche sich negativ auf den Treibhauseffekt auswirken, gewinnt das umweltfreundlichere CO2 (Kohlendioxid) in der Verwendung als Kältemittel an Bedeutung. Ausgangspunkt dieser Arbeit sind ein Prototyp einer reversiblen CO2 Wärmepumpe und ein Simulationsmodell derselbigen. Ziel dieser Arbeit ist es das Simulationsmodell, anhand von realen Messergebnissen des Prototyps, zu verifizieren. Durch die Berechnung von Vergleichsparametern, das Festlegen von Randbedingungen und geeigneten Messpunkten am Prototyp wird die Simulation optimiert. Abschließend folgt die Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf die Funktionalität der Wärmepumpe und deren Abbild in der Simulation.
Simulation eines dezentralen Regelungssystems zur netzdienlichen Erzeugung von grünem Wasserstoff
(2023)
Wasserstoff wird einen bedeutenden Beitrag zum Wandel von Industrie und Gesellschaft in eine klimaneutrale Zukunft leisten. Der Aufbau und die ökologisch und ökonomisch sinnvolle Nutzung einer Wasserstoffinfrastruktur sind hierbei die zentralen Herausforderungen. Ein notwendiger Baustein ist die effiziente Bereitstellung von grünem Strom und dem daraus produzierten grünen Wasserstoff. Der vorliegende Beitrag stellt ein dezentrales Regel- und Kommunikationssystem vor, mit dem Angebot und Nachfrage von grünem Strom und Wasserstoff in einem System aus dezentralen Akteuren in Einklang gebracht werden. In einer hierzu entwickelten Simulationsumgebung wird die Funktion und der Nutzen dieses dezentralen Ansatzes verdeutlicht.
Die sogenannte Systemsimulation, bei der mehrere physikalische Domänen gemeinsam simuliert werden, erlaubt die Analyse komplexer und damit realitätsnaher Systeme und spielt eine zunehmend größere Rolle bei der Auslegung von Komponenten. Enthält das System Teile, die durch Feldgrößen aus unterschiedlichen physikalischen Domänen beschrieben werden müssen, kann man Co-Simulationen einsetzen, die allerdings zeitaufwändig sind. Für die Auslegung des Systems ist es dagegen notwendig, Systemsimulationen schnell durchzuführen zu können. Hierfür können für ausgewählte Bauteile oder Domänen schnellere reduzierte Ersatzmodelle (ROM) eingesetzt werden. In dieser Arbeit stellen wir ein reduziertes Modell für elektromechanische Bauteile mit Berücksichtigung von Wirbelströmen vor. Wirbelstromeffekte hängen nicht nur vom aktuellen Zustand, sondern auch von der Geschichte der elektromagnetischen Domäne ab. Das vorgestellte Ersatzmodell basiert auf Daten, die mit einer Reihe von stationären Feldsimulationen vorab erzeugt werden. Für die Modellierung der geschichtsabhängigen Wirbelstromeffekte wird ein Konvolutionsansatz (Faltungsansatz) verwendet. Vergleiche mit entsprechenden Co-Simulationen in ANSYS Maxwell und Simplorer zeigen am Beispiel eines Hubankers, dass das Ersatzmodell in der Lage ist, die wesentlichen Eigenschaften des Bauteils physikalisch korrekt abzubilden.
Matthias Varga von Kibéd und Insa Sparrer unterscheiden zwischen drei verschiedenen Aufstellungsmethoden (Sparrer und Varga von Kibéd, o. D.): Der spezifisch (konkreten), der virtuellen und der prototypischen Aufstellung. Bei spezifischen Aufstellungen wird ein konkretes Anliegen eines Klienten betrachtet. Im Gegensatz dazu, werden bei virtuellen Aufstellungen eine Übungsumgebung geschaffen. In dieser können Aufstellungstechniken und Interventionsmethoden geübt werden. Bei prototypischen Strukturaufstellungen werden Themen zusammengefasst, die mehrere Teilnehmer im Seminar berühren bzw. in deren Alltag immer wieder auftreten können. Dieses Thema wird wie eine spezifische Aufstellung bearbeitet jedoch ohne ein konkretes vorliegendes Anliegen. Beispiele für prototypische Strukturaufstellungen kommen aus vielen Bereichen z.B. dem Führungsalltag, Teamentwicklung, Konfliktmanagement, Gesprächsführung, Zeit‐ und Selbstmanagement.
Die additive Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren wesentlich weiter entwickelt. Dabei wurde die Prozesstechnologie, Anlagen und die Werkstoffe optimiert. Für die industrielle Anwendung auch bei größeren Stückzahlen in der flexiblen Fertigung fehlen noch automatisierte Lösungen für die gesamte Prozesskette. In diesem Beitrag werden Werkzeuge und Technologie für die Reinigung interner Strukturelemente dargestellt.
Die additive Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren wesentlich weiterentwickelt. Dabei wurde die Prozesstechnologie, Anlagen und die Werkstoffe optimiert. Für die industrielle Anwendung auch bei größeren Stückzahlen in der flexiblen Fertigung fehlen noch automatisierte Lösungen für die gesamte Prozesskette. In diesem Beitrag werden Werkzeuge und Technologie für die Reinigung interner Strukturelemente dargestellt.