IEEE Transactions on Industrial Electronics, Jul 1, 2019
The aviation industry pursues the integration of fuel cells to reduce pollutant emissions. Their ... more The aviation industry pursues the integration of fuel cells to reduce pollutant emissions. Their connection to the on-board power supply leads to new requirements for electrical grid protection. The limited short-circuit current of a weight-optimized fuel cell system cannot trip a standard fuse. Hence, in this article, a new protection device is developed as an under/over voltage primary protection. The proposed device consists of three basic elements: relay, differential amplifier, current source. This article includes a detailed description of the protections design process, that includes a requirement analysis, a detailed robustness consideration, and an experimental validation of a developed prototype.
In this contribution, a new approach for EMCfilter design is presented. Due to the increasing ele... more In this contribution, a new approach for EMCfilter design is presented. Due to the increasing electrification of modern aircraft, as a result of the More Electric Aircraft concept, new strategies and approaches are required to fulfill the strict EMC aircraft standards (DO-160/ED-14-Sec. 20). Consequently the weight and volume of the used filter components can be reduced. A promising approach could be a combination of passive and active filters. For the same attenuation effect, so-called hybrid filters achieve either savings in weight and volume, or can obtain an additional filtering effect with minimal weight increase of an existing system. In this paper, the underlying theory is explained in detail, carried out in a simulation tool and the gained insight is demonstrated with a sample measurement.
Für die Automobil-und Luftfahrttechnik ist die Volumen-und Gewichtsminimierung von induktiven Bau... more Für die Automobil-und Luftfahrttechnik ist die Volumen-und Gewichtsminimierung von induktiven Baulelementen bei leistungselektronischen Systemen von großer Bedeutung. Bei der Auslegung sind diese Komponenten, insbesondere die Gleichtakt-und Speicherdrossel, jeweils Schlüsselbauteile. In diesem Beitrag werden daher verschiedene Kernmaterialien hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Eigenschaften, wie Frequenzverhalten, Sättigungsflussdichte und Leistungsgewicht in Theorie und Praxis diskutiert. Basierend auf diesen Ergebnissen werden unterschiedliche DC/DC-Wandler sowie Filtertopologien aufgebaut, vermessen und hinsichtlich ihrer Gewichtseinsparungen gegenübergestellt. 2 Einführung Die zunehmenden Störungen, z.B. infolge der Elektromobilität im Automobilsektor [1] oder der Umsetzung des "More-Electric-Aircraft"-Konzepts in der Luftfahrt [2], müssen unter Zuhilfenahme von EMV-Filtern unter normativ festgelegte Grenzwerte bedämpft werden. Entscheidend ist hierbei die optimale Auslegung der induktiven Filterelemente, insbesondere der Gleichtaktdrossel für die EMV. Heutige Lösungen sind oftmals überdimensioniert, weil sie im Entwicklungsprozess erst sehr spät Berücksichtigung finden und somit nicht bestmöglich auf das jeweilige System ausgelegt werden können [3, 4].
IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2014
ABSTRACT The reduction of COemissions, and therefore the increase of ecoefficiency, is one of the... more ABSTRACT The reduction of COemissions, and therefore the increase of ecoefficiency, is one of the most important challenges for the aircraft industry. An approach could be the more electric aircraft concept. Within this concept, the traditional auxiliary power unit could be replaced by a multifunctional fuel cell system. For integration into the ±270 Vgrid, it is necessary to convert the load-dependent fuel cell output voltage using a direct current-to-direct current converter. The converter usually is designed for the maximum available fuel cell power. This paper deals with an adaption of the fuel cell output voltage to achieve downsizing of the converter. The proposed converter structure with an additional bypass has weight-saving effects and improves overall system efficiency.
ZUSAMMENFASSUNG Die Entwicklung von neuen Flugzeugsystemen ist geprägt durch steigende Anforderun... more ZUSAMMENFASSUNG Die Entwicklung von neuen Flugzeugsystemen ist geprägt durch steigende Anforderungen hinsichtlich Komfort, Sicherheit und Kosteneinsparungen, was eine höhere Effektivität und Effizienz der zugrundeliegenden Systementwicklungen erfordert. Beispielhaft für die gestiegene Komplexität in der Luftfahrtindustrie ist die zunehmende Elektrifizierung von Flugzeugsystemen zu nennen-der Airbus A350 oder die Boeing 787 sind Vertreter des More-Electric-Aircraft (MEA) Konzepts. Die Vernetzung zwischen den Einzelsystemen stellt neue Anforderungen an deren Regelung, Energieversorgung sowie die Einhaltung festgelegter Grenzen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die Einhaltung der gängigen Luftfahrtnormen erfordert immer höhere Filteranforderungen für zukünftige Gleichspannungswandler in der Kilowatt-Leistungsklasse. Mögliche Kriterien für die Auslegung von EMV-Filtern sind die unterschiedlichen Ein-und Ausgangsimpedanzen der integrierten Systeme. Unter Berücksichtigung dieser Einflüsse können die Filter besser hinsichtlich Gewicht und Volumen optimiert werden. Basierend auf dieser Erkenntnis werden in diesem Artikel verschiedene Konzepte entsprechend der Bereitstellung dieser Impedanzinformationen in der Theorie miteinander verglichen. Anschließend werden diese für einen brennstoffzellengespeisten Gleichspannungswandler (10 kW) angepasst und gegenübergestellt. Das erfolgversprechendste Messkonzept wird in ein Echtzeitsimulationssystem integriert, um im laufenden Betrieb die Ein-und Ausgangsimpedanzen für verschiedene Arbeitspunkte aufnehmen zu können.
Due to the increasing electrification of modern aircraft, as a result of the More Electric Aircra... more Due to the increasing electrification of modern aircraft, as a result of the More Electric Aircraft concept, new strategies and approaches are required to fulfil the strict EMC aircraft standards (DO-160/ED-14-Sec. 20). Common mode chokes are a key component of electromagnetic filters and often oversized because of the unknown impedance of the surrounding power electronic system. This oversizing results in an increase of weight and volume. It has to be avoided as far as possible for mobile applications. In this context, an advanced method is presented to measure these impedances under operating conditions. Furthermore, the different parameters of the inductance design is explained and an optimisation for weight and volume is introduced.
ZUSAMMENFASSUNG Die zukünftigen Herausforderungen der Luftfahrtindustrie bei der Neuentwicklung v... more ZUSAMMENFASSUNG Die zukünftigen Herausforderungen der Luftfahrtindustrie bei der Neuentwicklung von modernen Verkehrsflugzeugen bestehen zum Teil darin, hydraulisch-pneumatische Systeme durch elektrische zu ersetzen. Mit diesem Wechsel zu einer einheitlicheren Energieplattform versprechen sich die Hersteller zum einen eine erhöhte Zuverlässigkeit und verlängerte Wartungsintervalle sowie zum anderen ein besseres Langzeitverhalten. Diese Ansätze sind unter dem Begriff More-Electric-Aircraft (MEA) zusammengefasst. Diese Elektrifizierung der Bordsysteme erhöht jedoch das Störpotential der Komponenten untereinander. Um die ordnungsgemäße Funktion der Systeme zu gewährleisten, ist die Einhaltung von standardisierten EMV-Luftfahrtnormen unumgänglich, was z.B. durch den Einsatz von EMV-Filtern erreicht werden kann. Jedoch nehmen die dazu verwendeten Bauelemente einen immer größeren Teil des Gesamtsystemgewichts und-volumens ein. Vorherige Simulationsabschätzungen und im Vorfeld berücksichtigte schaltungstechnische Konzepte können dieses Störpotential verringern und wurden detailiert vorgestellt. Des Weiteren wurde ein Modell erstellt, mit dem auf automatisierte Weise durch vorher festgelegte Randbedingungen Filter dimensioniert werden können. Diese Erkenntnisse wurden anschließend an einem Hardware-in-the-loop-System getestet und die einzelnen Vorteile herausgestellt.
ABSTRACT An approach to achieve a high efficiency for energy transfer in modern aircraft could be... more ABSTRACT An approach to achieve a high efficiency for energy transfer in modern aircraft could be the More Electric Aircraft concept. According to this, the replacement of the conventional auxiliary power unit by a multi functional fuel cell system reduces the emission of carbondioxide significantly and can increase the efficiency. However, requirements on the electrical system dynamics are higher than currently available fuel cell systems can provide. To improve the electrical dynamics of the fuel cell especially during high peak power demands different methods are considered. This paper compares four possible integration scenarios to improve the system dynamic. Special characteristics as the additional system weight, the stored available energy, the complexity as well as the feasibility under the required conditions are considered. For supplementing the theoretical concepts, a prototype of a super capacitor short-time energy storage was built and integrated into an existing fuel cell test bench. Therefore, a voltage balancing as well as an overvoltage protection is implemented. Measurements show the improved dynamic of the hybrid fuel cell system.
Ein dreipoliger Kurzschluss bewirkt eine sehr extreme Zustandsanderung. Die dadurch ausgelosten W... more Ein dreipoliger Kurzschluss bewirkt eine sehr extreme Zustandsanderung. Die dadurch ausgelosten Wirkungen auf das Strom-Spannungs-Verhalten stellen daher sowohl fur das einzelne Betriebsmittel als auch fur die gesamte Netzanlage eine harte Beanspruchung dar. Halt ein Netz unabhangig vom Fehlerort diesen Belastungen stand, so wird es als kurzschlussfest bezeichnet. Ein Netz muss allerdings nicht nur kurzschlussfest sein, sondern auch die Auslegungskriterien fur die Spannungsfestigkeit (s. Abschnitt 4.12) erfullen sowie die Bedingungen des Normalbetriebs einhalten, die in Kapitel 5 beschrieben sind. Dort sind noch keine Dimensionierungskriterien fur Schalter angegeben; sie werden im Weiteren zusammen mit den Auslegungskriterien fur die Kurzschlussfestigkeit erlautert. Zunachst wird jedoch auf eine unmittelbare Kurzschlusswirkung an der Fehlerstelle – den Lichtbogen – eingegangen
Zusammenfassung Im Leuchtturmprojekt "Kabinentechnologie und multifunktionale Brennstoffzelle" de... more Zusammenfassung Im Leuchtturmprojekt "Kabinentechnologie und multifunktionale Brennstoffzelle" des Spitzenclusters Hamburg Aviation wird die Anwendung der Brennstoffzelle und der damit verbundenen Innovationen für die Kabinentechnologien im Verkehrsflugzeug vorbereitet. Im Arbeitsanteil zur multifunktionalen Brennstoffzelle erfolgt die Integration des Gesamtsystems in eine Flugzeugsystemarchitektur im Labor, wo sie nach Flugzeuganforderungen getestet wird. Im zweiten Arbeitsanteil werden ausgewählte Kabinensysteme und deren Schnittstellen zu dem Brennstoffzellensystem bearbeitet. Hierbei werden neue Systemarchitekturen für die Brennstoffzellenprodukte Elektrizität und Wasser sowie Filter für einen erhöhten Umluftanteil an Bord von Verkehrsflugzeugen untersucht. Auf die letztgenannten Aktivitäten wird hier näher eingegangen. Ein wesentlicher Inhalt des Teilprojekts ‚Energieoptimierte Kabinensysteme', ist die Untersuchung neuer Architekturen im Bereich der elektrischen Systeme, die nicht-flugrelevante Lasten mit elektrischer Leistung versorgen. Drei Aspekte wurden dabei untersucht, 115 VAC dezentrale Netzwerke, höhere Spannungen und Leistungsmanagement. Dabei wurden dezentrale Architekturen als gewichtsersparend auch auf Short-Range Flugzeugen identifiziert. Auch wurden höhere als die heute auf Flugzeugen typischerweise eingesetzten Spannungen, als der wesentliche Hebel für Gewichtsersparnisse identifiziert. Der letzte Aspekt, der zur Untersuchung in diesem Projekt ansteht, ist das Last-/Power Management und stellt ebenfalls einen wesentlicher Pfeiler zur Gewichtsersparniss bei. Diese Funktion kann auf bereits existierenden Flugzeugen nachgerüstet werden. Ein anderer Weg zur Energieeinsparung und zur Verbesserung des Kabinenkomforts von zukünftigen Flugzeugen ist die Erhöhung des Anteils der Rezirkulationsluft. Die Erhöhung des Anteils erfordert allerdings die Abtrennung des von den Menschen produzierten CO 2 aus der Luft. Die Benutzung von Feststoffadsorbern hat sich als erfolgsversprechend erwiesen, da sie leicht, kompakt und energiesparend sein könnten. Das neu entwickelte amino funktionalisierte Silica Aerogel erreicht selbst in Gegenwart von Feuchte und niedrigen CO 2 Konzentrationen hohe Adsorptionsbeladungen (0,047 g/g), wobei es auch Wasser und Ethanol abscheiden kann. Darüber hinaus verringert seine Fähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen und leichtem Unterdruck zu renerieren, den notwendigen Energieverbrauch des Flugzeuges.
ZusammenfassungIm Zuge der Energiewende gewinnen Energiespeicher zunehmend an Bedeutung für die V... more ZusammenfassungIm Zuge der Energiewende gewinnen Energiespeicher zunehmend an Bedeutung für die Versorgungssicherheit in der Stromversorgung. Folglich muss auch die ökonomische und technische Machbarkeit sowie die energielogistische Implementierung von Energiespeichern in der Energiesystemmodellierung verstärkt diskutiert werden. Diese Arbeit konzentriert sich dabei verstärkt auf die Stromgestehungskosten der Energiespeicherung. Dafür werden zu Beginn die bisherigen Ansätze aus der Fachliteratur untersucht und Problematiken dieser Ansätze aufgezeigt. So werden die Stromgestehungskosten von Energiespeichern in den Ansätzen der Fachliteratur allesamt auf Basis der Gesamtlebensdauer berechnet. Gerade in der Energiesystemmodellierung müssen aber auch kürzere Betrachtungszeiträume möglich sein, weshalb das in dieser Arbeit vorgestellte Kostenmodell dynamisch auf beliebige Betrachtungszeiträume anwendbar ist. Die Kosten werden dabei in Abhängigkeit der tatsächlichen Speichernutzung berechnet. Neben den flexiblen Betrachtungszeiträumen soll das Modell weiterhin auch flexibel auf beliebige Speicherformen anwendbar sein. Zur Veranschaulichung wird das Modell nach der Einführung des mathematischen Ansatzes rechnergestützt modelliert und anhand von Referenzlastprofilen und Literaturwerten für fünf Speichertechnologien verifiziert. Anschließend wird eine Sensitivitätsanalyse ausgewählter Eingangsparameter durchgeführt. Da die meisten Programme zur Kraftwerkseinsatzplanung lineare oder gemischt-ganzzahlig lineare Optimierungsansätze verwenden, die Berechnung von Stromgestehungskosten (LCOE) jedoch nicht linear ist, werden die Kosten meist durch feste LCOE-Werte approximiert. In diesem Artikel wird die Integration des vorgestellten Kostenmodells in eine lineare Optimierungsumgebung zur Kraftwerkseinsatzplanung mittels rekursiver und rollierender Kostenberechnung vorgestellt. Die Ergebnisse werden für unterschiedliche Optimierungsszenarien präsentiert und diskutiert.AbstractDue to the transition in energy supply from fossil to renewable energy sources, energy storage systems are getting more and more important for the security of power supply. Therefore also the modeling of those storage systems in energy system modeling needs to be further discussed. This paper focuses on the levelized costs of energy storage. In the beginning, the existing approaches of calculating those costs are analyzed in a literature review. It will be shown that all of the approaches calculate the levelized costs on the basis of the energy storages’ lifetime. For the usage in energy system modeling it is mandatory that the calculation can be done for variable and shorter time periods. Therefore this work’s approach calculates the costs based on the time of operation in any period chosen. Additionally, the model can be used for any type of storage system. After introducing the mathematical model, the levelized costs of energy storage will be calculated to illustrate the models properties and then verified with reference load profiles for five different energy storage types. Following this, particular input parameters are varied and sensitivities are pointed out. Most of the programs for power plant dispatch calculations use linear or mixed integer linear programing algorithms. As the calculation of levelized costs of electricity is non-linear, most programs use fixed values during the whole time of simulation. In this article the integration of the presented approach into a linear optimization program via recursive and shifted calculation is elaborated. Results are presented and discussed.
Bei Kurzschlüssen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsfüh... more Bei Kurzschlüssen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsführender Leiter mit mindestens einem weiteren Leiter niederohmig verbunden wird. Die niederohmige Verbindung kann in der Praxis sehr unterschiedlich beschaffen sein; für zwei spezielle Fälle haben sich eigenständige Bezeichnungen ausgebildet. So spricht man von einem satten Kurzschluss, wenn zwischen den kurzgeschlossenen Leitern ein direkter metallischer Kontakt vorliegt, also ein Übergangswiderstand praktisch nicht vorhanden ist. Zum anderen wird der Ausdruck Lichtbogenkurzschluss verwendet. Darunter versteht man solche Kurzschlüsse, bei denen die Leiter über einen Lichtbogen leitend verbunden sind. Lichtbogen stellen, wie in Abschnitt 7.1 noch erläutert wird, nichtlineare Widerstände dar, die im Bereich von wenigen Ohm liegen. Besonders auffällige Lichtbogenkurzschlüsse bilden sich aufgrund der relativ großen Leiterabstände in Freileitungsnetzen aus.
Bei Kurzschlussen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsfuh... more Bei Kurzschlussen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsfuhrender Leiter mit mindestens einem weiteren Leiter niederohmig verbunden wird. Die niederohmige Verbindung kann in der Praxis sehr unterschiedlich beschaffen sein; fur zwei spezielle Falle haben sich eigenstandige Bezeichnungen ausgebildet. So spricht man von einem satten Kurzschluss, wenn zwischen den kurzgeschlossenen Leitern ein direkter metallischer Kontakt vorliegt, also ein Ubergangswiderstand praktisch nicht vorhanden ist. Zum anderen wird der Ausdruck Lichtbogenkurzschluss verwendet. Darunter versteht man solche Kurzschlusse, bei denen die Leiter uber einen Lichtbogen leitend verbunden sind. Lichtbogen stellen, wie in Abschnitt 7.1 noch erlautert wird, nichtlineare Widerstande dar, die im Bereich von wenigen Ohm liegen. Besonders auffallige Lichtbogenkurzschlusse bilden sich aufgrund der relativ grosen Leiterabstande in Freileitungsnetzen aus.
für Angewandte Wissenschaften Hamburg), welches in Kooperation mit der Hamburger Wissenschaftsbeh... more für Angewandte Wissenschaften Hamburg), welches in Kooperation mit der Hamburger Wissenschaftsbehörde (BWFGB) finanziert wird und in erster Linie der Akquise von neuen Verbundforschungsprojekten mit Energiethemen dient. Der EFH soll die Energiewende im Sinne des technischen Klimaschutzes fördern. Neben der Gewährleistung neuer Verbundprojekte mit hohen Volumina soll über eine enge Vernetzung mit Partner:innen aus der Wirtschaft zudem die Innovationskraft der Hansestadt dauerhaft gestärkt werden. Seit Projektstart im Jahr 2013 konnten mit Unterstützung des EFH zahlreiche neue Projekte initiiert werden. Zu nennen sind hierbei beispielsweise das große Verbundprojekt NEW 4.0, welches in diesem Jahr erfolgreich abgeschlossen werden konnte und das daran anschließende Norddeutsche Reallabor (NRL). Wichtige Faktoren des Erfolgs des Verbundes sind eine intensive Vernetzungsarbeit innerhalb der Hamburger Hochschullandschaft, ein direkter Kontakt zu zahlreichen Akteur:innen aus Landespolitik, Wirtschaft und Forschung sowie das stetige intensivieren von überregionalen und internationalen Kooperationen. Die Bedeutung des EFH zeigt sich neben der sichtbaren Projektarbeit vor allem auch in der Festschreibung der Fortführung und Verstetigung des EFH im Hamburger Klimaplan.
This article describes the energy potential of the Republic of Tajikistan and possibilities of it... more This article describes the energy potential of the Republic of Tajikistan and possibilities of its use for a sustainable development of neighbouring countries in the Central Asian region. Underproduction of electric power with hydroelectric power stations (HPP) due to idle water flow in summertime leads to economic lasses for electric power companies in Tajikistan and the whole Central Asian region. These economic lasses are quantitatively estimated, based on researches of efficient use of the hydro power potential in Tajikistan. As a result, a diversification of the country's energy sources is necessary as well as the formation of a regional hydro power energy market. Thus, the national power companies would get increased capabilities to repay their foreign loans.
IEEE Transactions on Industrial Electronics, Jul 1, 2019
The aviation industry pursues the integration of fuel cells to reduce pollutant emissions. Their ... more The aviation industry pursues the integration of fuel cells to reduce pollutant emissions. Their connection to the on-board power supply leads to new requirements for electrical grid protection. The limited short-circuit current of a weight-optimized fuel cell system cannot trip a standard fuse. Hence, in this article, a new protection device is developed as an under/over voltage primary protection. The proposed device consists of three basic elements: relay, differential amplifier, current source. This article includes a detailed description of the protections design process, that includes a requirement analysis, a detailed robustness consideration, and an experimental validation of a developed prototype.
In this contribution, a new approach for EMCfilter design is presented. Due to the increasing ele... more In this contribution, a new approach for EMCfilter design is presented. Due to the increasing electrification of modern aircraft, as a result of the More Electric Aircraft concept, new strategies and approaches are required to fulfill the strict EMC aircraft standards (DO-160/ED-14-Sec. 20). Consequently the weight and volume of the used filter components can be reduced. A promising approach could be a combination of passive and active filters. For the same attenuation effect, so-called hybrid filters achieve either savings in weight and volume, or can obtain an additional filtering effect with minimal weight increase of an existing system. In this paper, the underlying theory is explained in detail, carried out in a simulation tool and the gained insight is demonstrated with a sample measurement.
Für die Automobil-und Luftfahrttechnik ist die Volumen-und Gewichtsminimierung von induktiven Bau... more Für die Automobil-und Luftfahrttechnik ist die Volumen-und Gewichtsminimierung von induktiven Baulelementen bei leistungselektronischen Systemen von großer Bedeutung. Bei der Auslegung sind diese Komponenten, insbesondere die Gleichtakt-und Speicherdrossel, jeweils Schlüsselbauteile. In diesem Beitrag werden daher verschiedene Kernmaterialien hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Eigenschaften, wie Frequenzverhalten, Sättigungsflussdichte und Leistungsgewicht in Theorie und Praxis diskutiert. Basierend auf diesen Ergebnissen werden unterschiedliche DC/DC-Wandler sowie Filtertopologien aufgebaut, vermessen und hinsichtlich ihrer Gewichtseinsparungen gegenübergestellt. 2 Einführung Die zunehmenden Störungen, z.B. infolge der Elektromobilität im Automobilsektor [1] oder der Umsetzung des "More-Electric-Aircraft"-Konzepts in der Luftfahrt [2], müssen unter Zuhilfenahme von EMV-Filtern unter normativ festgelegte Grenzwerte bedämpft werden. Entscheidend ist hierbei die optimale Auslegung der induktiven Filterelemente, insbesondere der Gleichtaktdrossel für die EMV. Heutige Lösungen sind oftmals überdimensioniert, weil sie im Entwicklungsprozess erst sehr spät Berücksichtigung finden und somit nicht bestmöglich auf das jeweilige System ausgelegt werden können [3, 4].
IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2014
ABSTRACT The reduction of COemissions, and therefore the increase of ecoefficiency, is one of the... more ABSTRACT The reduction of COemissions, and therefore the increase of ecoefficiency, is one of the most important challenges for the aircraft industry. An approach could be the more electric aircraft concept. Within this concept, the traditional auxiliary power unit could be replaced by a multifunctional fuel cell system. For integration into the ±270 Vgrid, it is necessary to convert the load-dependent fuel cell output voltage using a direct current-to-direct current converter. The converter usually is designed for the maximum available fuel cell power. This paper deals with an adaption of the fuel cell output voltage to achieve downsizing of the converter. The proposed converter structure with an additional bypass has weight-saving effects and improves overall system efficiency.
ZUSAMMENFASSUNG Die Entwicklung von neuen Flugzeugsystemen ist geprägt durch steigende Anforderun... more ZUSAMMENFASSUNG Die Entwicklung von neuen Flugzeugsystemen ist geprägt durch steigende Anforderungen hinsichtlich Komfort, Sicherheit und Kosteneinsparungen, was eine höhere Effektivität und Effizienz der zugrundeliegenden Systementwicklungen erfordert. Beispielhaft für die gestiegene Komplexität in der Luftfahrtindustrie ist die zunehmende Elektrifizierung von Flugzeugsystemen zu nennen-der Airbus A350 oder die Boeing 787 sind Vertreter des More-Electric-Aircraft (MEA) Konzepts. Die Vernetzung zwischen den Einzelsystemen stellt neue Anforderungen an deren Regelung, Energieversorgung sowie die Einhaltung festgelegter Grenzen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die Einhaltung der gängigen Luftfahrtnormen erfordert immer höhere Filteranforderungen für zukünftige Gleichspannungswandler in der Kilowatt-Leistungsklasse. Mögliche Kriterien für die Auslegung von EMV-Filtern sind die unterschiedlichen Ein-und Ausgangsimpedanzen der integrierten Systeme. Unter Berücksichtigung dieser Einflüsse können die Filter besser hinsichtlich Gewicht und Volumen optimiert werden. Basierend auf dieser Erkenntnis werden in diesem Artikel verschiedene Konzepte entsprechend der Bereitstellung dieser Impedanzinformationen in der Theorie miteinander verglichen. Anschließend werden diese für einen brennstoffzellengespeisten Gleichspannungswandler (10 kW) angepasst und gegenübergestellt. Das erfolgversprechendste Messkonzept wird in ein Echtzeitsimulationssystem integriert, um im laufenden Betrieb die Ein-und Ausgangsimpedanzen für verschiedene Arbeitspunkte aufnehmen zu können.
Due to the increasing electrification of modern aircraft, as a result of the More Electric Aircra... more Due to the increasing electrification of modern aircraft, as a result of the More Electric Aircraft concept, new strategies and approaches are required to fulfil the strict EMC aircraft standards (DO-160/ED-14-Sec. 20). Common mode chokes are a key component of electromagnetic filters and often oversized because of the unknown impedance of the surrounding power electronic system. This oversizing results in an increase of weight and volume. It has to be avoided as far as possible for mobile applications. In this context, an advanced method is presented to measure these impedances under operating conditions. Furthermore, the different parameters of the inductance design is explained and an optimisation for weight and volume is introduced.
ZUSAMMENFASSUNG Die zukünftigen Herausforderungen der Luftfahrtindustrie bei der Neuentwicklung v... more ZUSAMMENFASSUNG Die zukünftigen Herausforderungen der Luftfahrtindustrie bei der Neuentwicklung von modernen Verkehrsflugzeugen bestehen zum Teil darin, hydraulisch-pneumatische Systeme durch elektrische zu ersetzen. Mit diesem Wechsel zu einer einheitlicheren Energieplattform versprechen sich die Hersteller zum einen eine erhöhte Zuverlässigkeit und verlängerte Wartungsintervalle sowie zum anderen ein besseres Langzeitverhalten. Diese Ansätze sind unter dem Begriff More-Electric-Aircraft (MEA) zusammengefasst. Diese Elektrifizierung der Bordsysteme erhöht jedoch das Störpotential der Komponenten untereinander. Um die ordnungsgemäße Funktion der Systeme zu gewährleisten, ist die Einhaltung von standardisierten EMV-Luftfahrtnormen unumgänglich, was z.B. durch den Einsatz von EMV-Filtern erreicht werden kann. Jedoch nehmen die dazu verwendeten Bauelemente einen immer größeren Teil des Gesamtsystemgewichts und-volumens ein. Vorherige Simulationsabschätzungen und im Vorfeld berücksichtigte schaltungstechnische Konzepte können dieses Störpotential verringern und wurden detailiert vorgestellt. Des Weiteren wurde ein Modell erstellt, mit dem auf automatisierte Weise durch vorher festgelegte Randbedingungen Filter dimensioniert werden können. Diese Erkenntnisse wurden anschließend an einem Hardware-in-the-loop-System getestet und die einzelnen Vorteile herausgestellt.
ABSTRACT An approach to achieve a high efficiency for energy transfer in modern aircraft could be... more ABSTRACT An approach to achieve a high efficiency for energy transfer in modern aircraft could be the More Electric Aircraft concept. According to this, the replacement of the conventional auxiliary power unit by a multi functional fuel cell system reduces the emission of carbondioxide significantly and can increase the efficiency. However, requirements on the electrical system dynamics are higher than currently available fuel cell systems can provide. To improve the electrical dynamics of the fuel cell especially during high peak power demands different methods are considered. This paper compares four possible integration scenarios to improve the system dynamic. Special characteristics as the additional system weight, the stored available energy, the complexity as well as the feasibility under the required conditions are considered. For supplementing the theoretical concepts, a prototype of a super capacitor short-time energy storage was built and integrated into an existing fuel cell test bench. Therefore, a voltage balancing as well as an overvoltage protection is implemented. Measurements show the improved dynamic of the hybrid fuel cell system.
Ein dreipoliger Kurzschluss bewirkt eine sehr extreme Zustandsanderung. Die dadurch ausgelosten W... more Ein dreipoliger Kurzschluss bewirkt eine sehr extreme Zustandsanderung. Die dadurch ausgelosten Wirkungen auf das Strom-Spannungs-Verhalten stellen daher sowohl fur das einzelne Betriebsmittel als auch fur die gesamte Netzanlage eine harte Beanspruchung dar. Halt ein Netz unabhangig vom Fehlerort diesen Belastungen stand, so wird es als kurzschlussfest bezeichnet. Ein Netz muss allerdings nicht nur kurzschlussfest sein, sondern auch die Auslegungskriterien fur die Spannungsfestigkeit (s. Abschnitt 4.12) erfullen sowie die Bedingungen des Normalbetriebs einhalten, die in Kapitel 5 beschrieben sind. Dort sind noch keine Dimensionierungskriterien fur Schalter angegeben; sie werden im Weiteren zusammen mit den Auslegungskriterien fur die Kurzschlussfestigkeit erlautert. Zunachst wird jedoch auf eine unmittelbare Kurzschlusswirkung an der Fehlerstelle – den Lichtbogen – eingegangen
Zusammenfassung Im Leuchtturmprojekt "Kabinentechnologie und multifunktionale Brennstoffzelle" de... more Zusammenfassung Im Leuchtturmprojekt "Kabinentechnologie und multifunktionale Brennstoffzelle" des Spitzenclusters Hamburg Aviation wird die Anwendung der Brennstoffzelle und der damit verbundenen Innovationen für die Kabinentechnologien im Verkehrsflugzeug vorbereitet. Im Arbeitsanteil zur multifunktionalen Brennstoffzelle erfolgt die Integration des Gesamtsystems in eine Flugzeugsystemarchitektur im Labor, wo sie nach Flugzeuganforderungen getestet wird. Im zweiten Arbeitsanteil werden ausgewählte Kabinensysteme und deren Schnittstellen zu dem Brennstoffzellensystem bearbeitet. Hierbei werden neue Systemarchitekturen für die Brennstoffzellenprodukte Elektrizität und Wasser sowie Filter für einen erhöhten Umluftanteil an Bord von Verkehrsflugzeugen untersucht. Auf die letztgenannten Aktivitäten wird hier näher eingegangen. Ein wesentlicher Inhalt des Teilprojekts ‚Energieoptimierte Kabinensysteme', ist die Untersuchung neuer Architekturen im Bereich der elektrischen Systeme, die nicht-flugrelevante Lasten mit elektrischer Leistung versorgen. Drei Aspekte wurden dabei untersucht, 115 VAC dezentrale Netzwerke, höhere Spannungen und Leistungsmanagement. Dabei wurden dezentrale Architekturen als gewichtsersparend auch auf Short-Range Flugzeugen identifiziert. Auch wurden höhere als die heute auf Flugzeugen typischerweise eingesetzten Spannungen, als der wesentliche Hebel für Gewichtsersparnisse identifiziert. Der letzte Aspekt, der zur Untersuchung in diesem Projekt ansteht, ist das Last-/Power Management und stellt ebenfalls einen wesentlicher Pfeiler zur Gewichtsersparniss bei. Diese Funktion kann auf bereits existierenden Flugzeugen nachgerüstet werden. Ein anderer Weg zur Energieeinsparung und zur Verbesserung des Kabinenkomforts von zukünftigen Flugzeugen ist die Erhöhung des Anteils der Rezirkulationsluft. Die Erhöhung des Anteils erfordert allerdings die Abtrennung des von den Menschen produzierten CO 2 aus der Luft. Die Benutzung von Feststoffadsorbern hat sich als erfolgsversprechend erwiesen, da sie leicht, kompakt und energiesparend sein könnten. Das neu entwickelte amino funktionalisierte Silica Aerogel erreicht selbst in Gegenwart von Feuchte und niedrigen CO 2 Konzentrationen hohe Adsorptionsbeladungen (0,047 g/g), wobei es auch Wasser und Ethanol abscheiden kann. Darüber hinaus verringert seine Fähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen und leichtem Unterdruck zu renerieren, den notwendigen Energieverbrauch des Flugzeuges.
ZusammenfassungIm Zuge der Energiewende gewinnen Energiespeicher zunehmend an Bedeutung für die V... more ZusammenfassungIm Zuge der Energiewende gewinnen Energiespeicher zunehmend an Bedeutung für die Versorgungssicherheit in der Stromversorgung. Folglich muss auch die ökonomische und technische Machbarkeit sowie die energielogistische Implementierung von Energiespeichern in der Energiesystemmodellierung verstärkt diskutiert werden. Diese Arbeit konzentriert sich dabei verstärkt auf die Stromgestehungskosten der Energiespeicherung. Dafür werden zu Beginn die bisherigen Ansätze aus der Fachliteratur untersucht und Problematiken dieser Ansätze aufgezeigt. So werden die Stromgestehungskosten von Energiespeichern in den Ansätzen der Fachliteratur allesamt auf Basis der Gesamtlebensdauer berechnet. Gerade in der Energiesystemmodellierung müssen aber auch kürzere Betrachtungszeiträume möglich sein, weshalb das in dieser Arbeit vorgestellte Kostenmodell dynamisch auf beliebige Betrachtungszeiträume anwendbar ist. Die Kosten werden dabei in Abhängigkeit der tatsächlichen Speichernutzung berechnet. Neben den flexiblen Betrachtungszeiträumen soll das Modell weiterhin auch flexibel auf beliebige Speicherformen anwendbar sein. Zur Veranschaulichung wird das Modell nach der Einführung des mathematischen Ansatzes rechnergestützt modelliert und anhand von Referenzlastprofilen und Literaturwerten für fünf Speichertechnologien verifiziert. Anschließend wird eine Sensitivitätsanalyse ausgewählter Eingangsparameter durchgeführt. Da die meisten Programme zur Kraftwerkseinsatzplanung lineare oder gemischt-ganzzahlig lineare Optimierungsansätze verwenden, die Berechnung von Stromgestehungskosten (LCOE) jedoch nicht linear ist, werden die Kosten meist durch feste LCOE-Werte approximiert. In diesem Artikel wird die Integration des vorgestellten Kostenmodells in eine lineare Optimierungsumgebung zur Kraftwerkseinsatzplanung mittels rekursiver und rollierender Kostenberechnung vorgestellt. Die Ergebnisse werden für unterschiedliche Optimierungsszenarien präsentiert und diskutiert.AbstractDue to the transition in energy supply from fossil to renewable energy sources, energy storage systems are getting more and more important for the security of power supply. Therefore also the modeling of those storage systems in energy system modeling needs to be further discussed. This paper focuses on the levelized costs of energy storage. In the beginning, the existing approaches of calculating those costs are analyzed in a literature review. It will be shown that all of the approaches calculate the levelized costs on the basis of the energy storages’ lifetime. For the usage in energy system modeling it is mandatory that the calculation can be done for variable and shorter time periods. Therefore this work’s approach calculates the costs based on the time of operation in any period chosen. Additionally, the model can be used for any type of storage system. After introducing the mathematical model, the levelized costs of energy storage will be calculated to illustrate the models properties and then verified with reference load profiles for five different energy storage types. Following this, particular input parameters are varied and sensitivities are pointed out. Most of the programs for power plant dispatch calculations use linear or mixed integer linear programing algorithms. As the calculation of levelized costs of electricity is non-linear, most programs use fixed values during the whole time of simulation. In this article the integration of the presented approach into a linear optimization program via recursive and shifted calculation is elaborated. Results are presented and discussed.
Bei Kurzschlüssen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsfüh... more Bei Kurzschlüssen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsführender Leiter mit mindestens einem weiteren Leiter niederohmig verbunden wird. Die niederohmige Verbindung kann in der Praxis sehr unterschiedlich beschaffen sein; für zwei spezielle Fälle haben sich eigenständige Bezeichnungen ausgebildet. So spricht man von einem satten Kurzschluss, wenn zwischen den kurzgeschlossenen Leitern ein direkter metallischer Kontakt vorliegt, also ein Übergangswiderstand praktisch nicht vorhanden ist. Zum anderen wird der Ausdruck Lichtbogenkurzschluss verwendet. Darunter versteht man solche Kurzschlüsse, bei denen die Leiter über einen Lichtbogen leitend verbunden sind. Lichtbogen stellen, wie in Abschnitt 7.1 noch erläutert wird, nichtlineare Widerstände dar, die im Bereich von wenigen Ohm liegen. Besonders auffällige Lichtbogenkurzschlüsse bilden sich aufgrund der relativ großen Leiterabstände in Freileitungsnetzen aus.
Bei Kurzschlussen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsfuh... more Bei Kurzschlussen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsfuhrender Leiter mit mindestens einem weiteren Leiter niederohmig verbunden wird. Die niederohmige Verbindung kann in der Praxis sehr unterschiedlich beschaffen sein; fur zwei spezielle Falle haben sich eigenstandige Bezeichnungen ausgebildet. So spricht man von einem satten Kurzschluss, wenn zwischen den kurzgeschlossenen Leitern ein direkter metallischer Kontakt vorliegt, also ein Ubergangswiderstand praktisch nicht vorhanden ist. Zum anderen wird der Ausdruck Lichtbogenkurzschluss verwendet. Darunter versteht man solche Kurzschlusse, bei denen die Leiter uber einen Lichtbogen leitend verbunden sind. Lichtbogen stellen, wie in Abschnitt 7.1 noch erlautert wird, nichtlineare Widerstande dar, die im Bereich von wenigen Ohm liegen. Besonders auffallige Lichtbogenkurzschlusse bilden sich aufgrund der relativ grosen Leiterabstande in Freileitungsnetzen aus.
für Angewandte Wissenschaften Hamburg), welches in Kooperation mit der Hamburger Wissenschaftsbeh... more für Angewandte Wissenschaften Hamburg), welches in Kooperation mit der Hamburger Wissenschaftsbehörde (BWFGB) finanziert wird und in erster Linie der Akquise von neuen Verbundforschungsprojekten mit Energiethemen dient. Der EFH soll die Energiewende im Sinne des technischen Klimaschutzes fördern. Neben der Gewährleistung neuer Verbundprojekte mit hohen Volumina soll über eine enge Vernetzung mit Partner:innen aus der Wirtschaft zudem die Innovationskraft der Hansestadt dauerhaft gestärkt werden. Seit Projektstart im Jahr 2013 konnten mit Unterstützung des EFH zahlreiche neue Projekte initiiert werden. Zu nennen sind hierbei beispielsweise das große Verbundprojekt NEW 4.0, welches in diesem Jahr erfolgreich abgeschlossen werden konnte und das daran anschließende Norddeutsche Reallabor (NRL). Wichtige Faktoren des Erfolgs des Verbundes sind eine intensive Vernetzungsarbeit innerhalb der Hamburger Hochschullandschaft, ein direkter Kontakt zu zahlreichen Akteur:innen aus Landespolitik, Wirtschaft und Forschung sowie das stetige intensivieren von überregionalen und internationalen Kooperationen. Die Bedeutung des EFH zeigt sich neben der sichtbaren Projektarbeit vor allem auch in der Festschreibung der Fortführung und Verstetigung des EFH im Hamburger Klimaplan.
This article describes the energy potential of the Republic of Tajikistan and possibilities of it... more This article describes the energy potential of the Republic of Tajikistan and possibilities of its use for a sustainable development of neighbouring countries in the Central Asian region. Underproduction of electric power with hydroelectric power stations (HPP) due to idle water flow in summertime leads to economic lasses for electric power companies in Tajikistan and the whole Central Asian region. These economic lasses are quantitatively estimated, based on researches of efficient use of the hydro power potential in Tajikistan. As a result, a diversification of the country's energy sources is necessary as well as the formation of a regional hydro power energy market. Thus, the national power companies would get increased capabilities to repay their foreign loans.
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Papers by Detlef Schulz