Eindwerkidee Master Energie

Eindwerkidee Master Energie Nr: 1 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel

ELECTRICAL

INTERCONNECTION MULTIJUNCTION SOLAR CELLS IN SYSTEMS

OF MECHANICALLY STACKED CONCENTRATING PHOTOVOLTAICS

Contactpersoon: Omschrijving High-efficiency multijunction solar cells have in the last decade become the preferred solution for satellite power generation, due to their unrivaled power conversion efficiency. In such a multijunction cell a number of different solar cells are stacked on top of each other, such that each cell efficiently converts part of the incident spectrum into electrical power. A spin-off of this technology into terrestrial applications is currently ongoing, by integration of these multijunction cells into concentrator (CPV) systems that take full advantage of these cells’ high efficiencies. While current state-of-the-art is a monolithically stacked triple-junction cell, with inherent series-connection of the different cells in the stack, further improvements of the stack’s conversion efficiency can be obtained by moving to a mechanically stacked architecture, where all cells are individually manufactured and glued together. This offers the possibility to extract the electrical power of each (sub)cell individually, and take full advantage of the current generated by every individual cell. This leaves however to some extent the question open on the optimal interconnection between these subcells. Different solutions, offering a minimization of resistive and DC/AC losses e.g. by optimizing the voltage or current matching of the different subcells and eventually a combination with high-efficiency invertors, are to be compared. The student will collaborate closely with the high flux devices team within IMEC’s solar cell technology group, gaining insight into the field of high-efficiency multijunction solar cells and concentrator photovoltaics.

I1

Rload

I2

Rload

I3

Rload

12

300

Ge

100

GaAs

200

InGaP

Intensity

400x10

0 500

1000

1500

2000

2500

Wavelength

Figure: illustration of working principle of mechanically stacked multijunction solar cell


OPTIMALE CONTROLE BIJ HYBRIDE VOERTUIGEN Contactpersoon: Eric Van den Bulck, Bart Saerens Omschrijving De milieuproblematiek, strenger wordende emissienormen en stijgende olieprijzen zetten de autoconstructeurs aan om voertuigen te produceren die steeds minder brandstof verbruiken. Heel wat nieuwe systemen en technologieën zijn geïntroduceerd in voertuigen. Men zegt wel vaker dat de controle van die systemen verscheidene jaren achterstaat op de technologie van de systemen zelf. Dit heeft als gevolg dat het potentieel van deze nieuwigheden niet volledig benut wordt. Een schoolvoorbeeld hiervan zijn hybride aandrijvingen. Hoewel er al verscheidene hybride voertuigen rondrijden (in België vooral de Toyota Prius) staat de controle van de vermogenstromen nog niet echt op punt. De meest gebruikte methodes zijn gebaseerd op de menselijke intuïtie en definiëren verschillende toestanden waarin het voertuig kan zijn. Analoog zijn er fuzzy regelaars. Meer en meer gaat men naar optimale modelgebaseerde regeling omdat het impliciet gebruiken van systeemkennis veel meer potentieel heeft. Voor deze optimale regeling wordt vooral gebruik gemaakt van dynamisch programmeren. Deze eenvoudige methode is echter niet goed real-time toepasbaar. Beter geschikte methodes voor optimale controle, zoals de directe methodes, worden zelden toegepast. Bovendien kan men zich de vraag stellen wat optimaal nu precies is. Naast verbruik en emissies is het wenselijk om ook rekening te houden met rijcomfort en rijplezier. Hoe houdt men hier best rekening mee? Zijn hier verschillen tussen klassieke voertuigen en hybride voertuigen?

Referenties [1] L V Pérez, G R Bossio, D Moitre and G O García. Optimization of power management in an hybrid electric vehicle using dynamic programming. Mathematics and Computers in Simulation 73 (2006) 244-254

[2] C-C Lin, H Peng, J W Grizzle, J Liu and M Busdiecker. Control System Development for an Advanced-Technology Medium-Duty Hybrid Electric Truck. SAE technical paper 2003-01-3369 [3] A Rajagopalan, G Washington, G Rizzoni and Y Guezennec. Development of Fuzzy Logic and Neural Network Control and Advanced Emissions Modeling for Parallel Hybrid Vehicles. National Renewable Energy Laboratory Subcontractor Report NREL/SR-540-32919, December 2003 [4] T Binder, L Blank, H G Bock, R Bulirsch, W Dahmen, M Diehl, T Kronseder, W Marquardt, J P Schlöder and O v Stryk. Introduction to Model Based Optimization of Chemical Processes on Moving Horizons. In Online Optimization of Large Scale Systems: State of the Art p 295-340, Springer, 2001

Eindwerk Master Energie Nr. 3 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel

VORMING VAN AGGLOMERATEN TIJDENS DE LAGE TEMPERATUUR PYROLYSE VAN CHROOM KOPER ARSEEN GEIMPREGNEERD AFVALHOUT

Contactpersoon: Lieve Helsen, Frederic Cuypers Omschrijving De duurzame verwerking van chroom koper arseen (CCA) geïmpregneerd afvalhout is tot op de dag van vandaag nog steeds een uitdaging binnen de afvalverwerkende industrie. Het Chartherm proces (www.thermya.be), dat raakpunten heeft met pyrolyse, verkoling en distillatie, biedt perspectieven, maar moet nog verder geoptimaliseerd worden. De agglomeratie van houtmineralen en zware metalen speelt een cruciale rol in het voorkomen van emissies van zware metalen tijdens het proces en vormt de basis voor de scheiding van het vaste residu in zware metalen en mineralen enerzijds en koolstof anderzijds. Dit agglomeratieproces is echter nog steeds niet volledig doorgrond. Vertrekkende van een grondige analyse van bestaande kennis aangaande het gedrag van mineralen tijdens de verbranding en/of pyrolyse van andere brandstoffen (zoals steenkool) worden mogelijke mechanismen verantwoordelijk voor het agglomeratieproces afgeleid. Via elektronenmicroscopie (visualisatie van de structuur en samenstelling op microniveau) zal getracht worden een dieper inzicht te verkrijgen in de agglomeratiemechanismen die optreden tijdens het Chartherm proces bij verschillende werkingsvoorwaarden. Deze thesis, geschikt voor één student, omvat dus zowel een theoretisch als een experimenteel luik en kan eventueel resulteren in een publicatie.

Referenties 1) Helsen L., Hacala A., Formation of metal agglomerates during carbonisation of chromated copper arsenate (CCA) treated wood waste: a comparison between a lab scale and an industrial plant, Journal of Hazardous Materials, 137 (3), 2006, 1438-1452. 2) Lind T., Valmari T., Kauppinen E., Nilsson K., Sfiris G., Maenhout W., Ash formation mechanisms during combustion of wood in circulating fluidized beds, Proceedings of the Combustion Institute, Volume 28, 2000, 2287-2295. 3) Kutchko B.G., Kim A.G., Fly ash characterization by SEM-EDS, Fuel, 85, 2006, 25372544.

Eindwerk Master Energie Nr: 4 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel

PARAMETERIDENTIFICATIE VAN EEN RC MODEL VOOR BETONKERNACTIVERING OP BASIS VAN METINGEN

Contactpersoon: Lieve Helsen, Tine Baelmans, Maarten Sourbron Omschrijving Steeds meer gebouwen worden uitgerust met betonkernactivering (BKA), een klimatisatietechniek waarbij de leidingen voor verwarming en koeling voorzien worden in de betonnen draagstructuur van het gebouw, bijna altijd in de vloeren. De temperatuur voor verwarming kan heel laag blijven (< 28°C) en voor koeling heel hoog (>17°C), wat resulteert in heel hoge opwekkings- en verdeelrendementen van de installatie. Een belangrijk nadeel is de extreem trage werking, met tijdsconstanten die tot 4 keer groter zijn dan typische ‘verstoorders’ van het thermisch comfort, zoals zoninstraling of bezetting. Accurate modellen zijn dan ook uitermate belangrijk om modelgebaseerde regelstrategieën te ontwikkelen. Modellen voor volle bekistingsvloeren bestaan en zijn gevalideerd, maar in België wordt meestal gewerkt met prefab welfsels. Hierin zijn luchtholtes voorzien, waardoor de aannames van de bestaande modellen niet meer gelden. In een lopend eindwerk (2007-2008) worden de eerste stappen naar modelvorming en modelvalidatie gezet, onder andere door metingen op kleine schaal. Het doel van dit eindwerk is om met metingen en gepaste berekeningsmethoden het RC-model voor geactiveerd welfsels op punt te stellen en de waarden ervan te identificeren. De metingen zullen gebeuren in een geconditioneerde meetkamer van 4x4x3m en met een geactiveerd welfsel zoals het ook in de praktijk gebruikt wordt.

Referenties 1. Gwerder, M., B. Lehmann, et al. (2007). "Control of thermally-activated building systems (TABS)." Applied Energy xxx (article in press)(xxx): xxx. 2. Weber, T., G. Johannesson, et al. (2005). "Validation of a FEM-program (frequencydomain) and a simplified RC-model (time-domain) for thermally activated building component systems (TABS) using measurement data." Energy and Buildings 37: 707724.

Eindwerkidee Master Energie

Nr: 5 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel

EXERGETISCHE ANALYSE VAN HET CHARTHERM PROCES Contactpersoon: Lieve Helsen, Joan Govaerts Omschrijving Het Chartherm proces werd door het bedrijf Thermya (Bordeaux, Frankrijk) ontwikkeld voor de thermische verwerking van afvalhout, in het bijzonder CCA (chroom-koper-arseen) geïmpregneerd afvalhout. Het volledige systeem bestaat uit een houtverkleiner, een verkolingsreactor, een gaswassing, een gasbrander, een naverbrandingskamer, een compressor, een afvoersysteem voor de houtskool en een mechanische scheiding van de houtskool. Het afvalhout wordt in de vorm van spaanders in de reactor gebracht in tegenstroom regime: warme gassen worden onderaan toegevoegd terwijl het hout bovenaan in de reactor wordt toegevoegd en het verkoolde product onderaan regelmatig wordt verwijderd. Het doel van dit proces is alle metalen in het vaste verkoolde product te verzamelen en ze niet vrij te stellen via de gassen. Daarom worden relatief lage temperaturen (320-370°C) en verhoogde drukken toegepast. Het Chartherm proces produceert twee brandstoffen: brandbare pyrolysedampen en koolstofpoeder. De geproduceerde pyrolysedampen worden verbrand in de gasbrander om het systeem van warmte te voorzien zodat het proces zelf in haar energiebehoefte kan voorzien. In dit eindwerk wordt een exergiebalans van het globale proces opgesteld. Exergie wordt een steeds belangrijker hulpmiddel bij het ontwerp en de analyse van thermische systemen. Niet alleen is de hoeveelheid energie belangrijk maar ook de kwaliteit van de energiestromen. Deze informatie laat toe te identificeren welke componenten het minst efficiënt werken. Voorstellen kunnen geformuleerd worden om het globale rendement van het Chartherm proces te verhogen.

Referenties 1. Ptasinski, K.J., Prins, M.J., and Pierik, A. 2007. Exergetic evaluation of biomass gasification. Energy, 32: 568-574. 2. Taniguchi, H., Mouri, K., Nakahara, T., and Arai, N. 2005. Energy analysis on combustion and energy conversion processes. Energy, 30: 111-117.


VERWERKING VAN HOUTAFVAL: GRONDIGE ANALYSE VAN HET SPANNINGSVELD TUSSEN ENERGIE- EN MATERIAALRECUPERATIE Contactpersoon: Lieve Helsen, Frederic Cuypers, Joan Govaerts Omschrijving Houtafval is vandaag een gegeerd product, voor energierecuperatie en voor materiaalrecuperatie. Voor de spaanderplaatproductie was houtafval een goedkope grondstof. De quota opgelegd voor elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen en de daaraan gekoppelde introductie van groenestroomcertificaten doen echter de vraag naar bio-brandstoffen (waaronder houtafval) stijgen. Dit spanningsveld tussen energie- en materiaalrecuperatie resulteert in een stijgende prijs voor houtafval. De doelstelling van dit eindwerk is een energetische, ecologische en economische analyse van beide verwerkingsroutes voor houtafval (rekening houdend met de 3 klassen houtafval in Vlaanderen). Hierbij beperken energie- en materiaalrecuperatie zich niet tot respectievelijk bijstook in steenkoolcentrales en spaanderplaatproductie. Ook andere verwerkingsmethoden worden mee opgenomen in de analyse. Als uitgangspunt kan de MIRA-T studie rond energiehoudend afval (2008, draftversie klaar) genomen worden. Deze studie is echter maar een eerste stap met veel ruwe aannames en statische analyses.

Referenties 1) Dornburg V., Faaij A.P.C., Meuleman B., Optimising waste treatment systems – Part A; Methodology and technological data for optimising energy production and economic performance, Resources, Conservation and Recycling, 49, 2006, 68-88. 2) Bjorklund A.E., Finnveden G., Life cycle assessment of a national policy proposal – The case of a Swedish waste incineration tax, Waste Management, 27, 2007, 1046-1058.


ONTWIKKELING VAN EEN EENVOUDIG LUCHTGROEP-MODEL Contactpersoon: Lieve Helsen, Clara Verhelst Omschrijving In het voorjaar van 2008 zal in het Wetenschapspark (Heverlee) gestart worden met de bouw van twee energiezuinige kantoorgebouwen. De plannen voorzien een combinatie van vooruitstrevende technieken voor verwarming, koeling en ventilatie. Als backup wordt een klassiek verwarmingssysteem op aardgas voorzien en luchtgroepen voor airconditioning. Dit project, dat uniek is voor Vlaanderen, zal als demonstratieproject worden opgevolgd en geëvalueerd. Om deze combinatie van technologieën optimaal te regelen, is een intelligente regeling nodig. Een van de mogelijkheden is modelgebaseerde predictieve controle (MPC), een methode die aan de hand van een model expliciet het thermodynamisch gedrag van de verschillende componenten in rekening brengt. De doelstelling van deze thesis is de ontwikkeling van een eenvoudig model voor de luchtgroep, een cruciaal element in dit systeem, zodat deze component geïntegreerd kan worden in het systeemmodel van de MPC-regelaar. In een luchtgroep treden niet-lineaire processen (ontvochtigen, bevochtigen…) op. Hiervoor bestaan reeds gedetailleerde fysische modellen. Linearisatie van deze modellen laat een eenvoudigere implementatie in de regelaar toe. Men kan dan gebruik maken van lineaire MPC (modelgebaseerde predictieve controle), bijvoorbeeld in Matlab. Indien linearisatie tot te grote fouten leidt, dient niet-lineaire MPC worden toegepast waarvoor krachtigere software, zoals MUSCODII, nodig is. Het eindwerk moet uitwijzen of linearisatie van de fysische modellen al dan niet mogelijk is. De integratie van het model in een regelstrategie vormt het sluitstuk van dit eindwerk.

Referenties 1. Findeisen, R. and F. Allgöwer (2002). An introduction to nonlinear model predictive control. 21st Benelux Meeting on Systems and Control. Veldhoven. 2. Ghiaus, C., A. Chicinas, et al. (2007). "Grey-box identification of air-handling unit elements." Control Engineering Practice 15(4): 421-433.


HET GEBOUW KULEUVEN-MECHANICA ONDER DE LOEP Contactpersoon: Lieve Helsen, Maarten Sourbron Omschrijving Het gebouwenbestand van K.U.Leuven behoort niet tot de meest energiezuinige, wat duidelijk blijkt uit de jaarlijkse elektriciteits- en stookoliefactuur. De doelstelling van deze thesis is een energie-audit uitvoeren van de installatie van het gebouw van het departement werktuigkunde. Wat is de performantie van de gebruikte installatie? Hoe verlopen de energiestromen? Na het eerste luik van het eindwerk, het in kaart brengen van de huidige situatie, volgt in een tweede luik het uitwerken van een investeringsplan. Welke maatregelen dienen genomen te worden (isolatie, nieuwe beglazing, WKK, thermostatische kranen, regeling, …)? Wat is het effect van die maatregelen en de terugverdientijd? Een dergelijke grondige analyse kan waardevolle informatie leveren aan de beslissende instanties om te investeren in energiebesparende maatregelen. Dit eindwerk kan eventueel uitgevoerd worden in samenwerking met een student bouwkunde of architectuur, die de gebouwfysische aspecten voor zijn/haar rekening neemt.

Referenties 1) Poel, B., G. van Cruchten, et al. (2007). "Energy performance assessment of existing dwellings." Energy and Buildings 39(4): 393-403. 2) Alexandre, J. L., I. Knight, et al. (April 2006). About the audit of air conditioning systems: Customer advising with the help of case studies and benchmarks, modelling and simulation. Intelligent Energy Europe Building Performance Congress. Frankfurt.


ENERGIETECHNIEKEN VOOR DE GEBOUWDE OMGEVING: TOEPASSING OP MESO-NIVEAU Contactpersoon: Lieve Helsen (+ copromotor uit BWK), Clara Verhelst Omschrijving Op dit ogenblik wordt heel wat aandacht besteed aan duurzame energietechnieken voor gebouwen. Meestal behandelt men de energieproblematiek van duurzaam bouwen daarbij op de niveaus van het gebouw en zijn samenstellende componenten (micro-niveau). Zeker in Vlaanderen is er nog niet veel aandacht voor alternatieve energietechnieken op hogere schaalniveaus: grote complexen, wijken, stadsdistricten. Voorbeelden van dergelijke technieken zijn stadsverwarming, warmtekrachtkoppeling of warmte-koude-opslag in de bodem. Deze technieken onderscheiden zich op hun beurt van interventies op macro-niveau (bv. de aanleg van windmolenparken). Bedoeling van deze thesis is een state-of-the-art op te stellen over dit domein op meso-niveau, dus tussen het micro- en macroniveau. Dit houdt ondermeer een literatuurstudie in, en een bevraging van diverse actoren. Deze actoren zijn bijvoorbeeld studiebureaus, onderzoeksinstituten zoals het WTCB of het VITO, investeerders en overheden. Daarbij wordt een overzicht opgesteld van de diverse technieken m.i.v een evaluatie van hun ecologisch, technisch, economisch en maatschappelijk potentieel. De focus komt daarbij te liggen op toepassing in Vlaanderen, rekening houdend met al dan niet specifieke randvoorwaarden. Dit eindwerk kan uitgevoerd worden in samenwerking met een student uit de richting ASRO (Architectuur, Stedenbouw en Ruimtelijke ordening).

Referenties 1) Ecoheatcool Work package 4, Possibilities with more district heating in Europe, Final Report, A Euroheat & Power Initiative, Supported by Intelligent Energy Europe, 2006. 2) Cummunity Energy Programma, Community heating for planners and developers – A guide to delivering sustainable communities using combined heat and power and renewables, December 2004 3) Nagota T., Shimoda Y., Mizuno M., Verification of the energy saving effect of the district heating and cooling system – Simulation of an electric-driven heat pump system, Energy and Buildings, 40, 2008, 732-741.


ONTWIKKELING VAN EEN MODELGEBASEERDE PREDICTIEVE REGELAAR (MPC) VOOR DE COMBINATIE VAN VLOERVERWARMING EN SANITAIR WARM WATER (SWW) PRODUCTIE Contactpersoon: Lieve Helsen, Clara Verhelst Omschrijving Dit eindwerk heeft als doelstelling een optimale regeling uit te werken voor een gecombineerd warmtepompsysteem (vloerverwarming en productie sanitair warm water, buffervat). Dit gecombineerde systeem wordt vandaag toegepast in lage-energiewoningen. De kleine warmtevraag voor verwarming, gecombineerd met de exergetisch efficiënte omzetting van omgevingswarmte tot op hogere temperatuur, resulteert in een laag energieverbruik voor verwarming. Uit recente praktijkstudies blijkt echter dat de performantie van de productie van sanitair warm water nauwelijks beter is dan dat van een elektrische verwarming. De redenen hiervoor zijn: grote mantelverliezen, groot aandeel van elektrische weerstand, hoge temperatuur waarop het SWW moet beschikbaar zijn. In dit eindwerk wordt getracht de combinatie van woningverwarming en SWW productie op een efficiëntere wijze te voorzien. In een eerste stap wordt de performantie van het huidige gecombineerde systeem geoptimaliseerd door het ontwikkelen van een modelgebaseerde predictieve regeling (MPC). Deze regelaar zal op basis van een voorspelling van de warmtevraag en kennis van de systeemdynamica een optimaal werkingsprofiel voorstellen. In een tweede fase wordt gekeken naar de combinatie van een warmtepomp met zonneboilers. Ook hiervoor wordt een optimale regelstrategie ontwikkeld. Dit eindwerk bouwt verder op een eindwerk waarin een MPC-regeling werd ontwikkeld voor een warmtepomp gekoppeld aan vloerverwarming.

Referenties 1) Kummert, M. (2001). Contribution to the application of modern control techniques to solar buildings. Simulation-based approach and experimental validation. Ingénieur Civil mécanicien - électricien. Liège, Fondation Université Luxembourgeoise. Docteur en Sciences de l'Environnement: 260. 2) Biaou, A. L. and M. A. Bernier "Achieving total domestic hot water production with renewable energy." Building and Environment In Press, Corrected Proof.


PASSIEFHUIS ONDER DE LOEP Contactpersoon: Lieve Helsen, Clara Verhelst Omschrijving Passiefwoningen zijn woningen die nauwelijks een verwarmingssysteem nodig hebben, dankzij doorgedreven isolatie, luchtdichtheid en gebalanceerde ventilatie met warmteterugwinning. Omwille van de toenemende brandstofprijzen, de zorg om de klimaatopwarming en de vraag naar thermisch comfort, groeit de interesse in passiefhuizen in Vlaanderen. Om het thermisch comfort en de energetische prestaties van deze passiefhuizen te kunnen evalueren, zijn goede meetdata van bewoonde passiefhuizen belangrijk. Het Passief Huis Platform biedt de mogelijkheid om een bewoond passiefhuis (gelegen in Kalken) te bemeten. Deze woning is uitgerust met een compacte lucht/water warmtepomp die naast sanitair warm water eveneens de naverwarming van de ventilatielucht verzorgt. Het doel van dit eindwerk is om de installaties in de woning op te volgen, de meetdata te verwerken en te analyseren. Zo dient de seizoensprestatie van de warmtepomp bepaald te worden. Daarnaast kan in het kader van dit eindwerk gezocht worden naar alternatieven om het systeem verder te verbeteren. Een interessant luik is tevens de vergelijking van de resultaten voor het passiefhuis met deze van een lage-energiewoning, opgemeten tijdens de winter 20062007.

Referenties 1) Audenaert, A., S. H. De Cleyn, et al. (2008). "Economic analysis of passive houses and low-energy houses compared with standard houses." Energy Policy 36(1): 47-55. 2) Wemhoener, C., T. Afjei, et al. "IEA HPP Annex 28 - standardised testing and seasonal performance calculation for multifunctional heat pump systems." Applied Thermal Engineering In Press, Corrected Proof.


DE ENERGIEPRESTATIE VAN HET WETENSCHAPSPARKKANTOOR: KAN HET NOG BETER? Contactpersoon: Lieve Helsen, Maarten Sourbron, Clara Verhelst Omschrijving In het voorjaar van 2008 zal in het Wetenschapspark (Heverlee) gestart worden met de bouw van twee energiezuinige kantoorgebouwen. De plannen voorzien een combinatie van vooruitstrevende technieken voor verwarming, koeling en ventilatie. Er is met name gekozen voor grondgekoppelde warmtepompen met seizoenopslag van warmte en koude en passieve koeling via betonkernactivering. Als backup wordt een klassiek verwarmings- en klimatisatiesysteem voorzien. Dit project, dat uniek is voor Vlaanderen, zal als demonstratieproject worden opgevolgd en geëvalueerd. Deze thesis heeft als doelstelling de toegepaste technieken te evalueren. Hiertoe wordt het gebouw met installaties eerst in TRNSYS gemodelleerd. Vervolgens wordt op basis van modelsimulaties een analyse uitgevoerd. Wat is het aandeel van elke component? Is passieve koeling voldoende of is de backup met klassieke airconditioning nodig? Kan de installatie scherper gedimensioneerd worden? Is de regeling in orde? Hierbij kunnen voorstellen ter verbetering opduiken. Het huidige systeem kan vergeleken worden met andere scenario’s (enkel klassieke systemen, andere geavanceerde technologieën…) op energetisch en economisch vlak. Dit eindwerk geeft een aanzet tot een vervolgstudie waarin het ontwikkelde model en de systeemanalyse gevalideerd worden aan de hand van experimentele data.

Referenties 1) Curtis, R., J. Lund, et al. Ground Source Heat Pumps - Geothermal Energy for Anyone, Anywhere: Current Worldwide Activity. Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005. 2) Lehmann, B., V. Dorer, et al. (2007). "Application range of thermally activated building systems tabs." Energy and Buildings 39(5): 593-598.


INTEGRALE OPTIMALISATIE VAN DE KOELING VAN EEN DATACENTER

Contactpersoon: Prof. M. Baelmans, T. Stevens Omschrijving De toenemende nood aan rekencapaciteit in combinatie met de verhoging van de vermogendichtheid van de huidige elektronicacomponenten leidt ertoe dat datacenters steeds grotere problemen ondervinden met hun koeling. Zeker in de zomer, wanneer de omgevingstemperatuur hoog kan oplopen, blijken de huidige koelsystemen niet altijd voldoende performant. Bovendien worden oplossingen vooral gezocht in koelsystemen met hoog elektrisch verbruik (vb. airconditioning), wat energetisch niet verantwoord is en een hoge kost met zich meebrengt. Door verbeterde kennis over de heersende warmteoverdrachtsfenomenen in datacenters en daardoor efficiënter gebruik van de beschikbare koelmethodes zou het totale koelvermogen (en dus kost) gereduceerd kunnen worden. In dit eindwerk dienen verschillende koeltechnieken met elkaar vergeleken te worden op basis van een theoretische studie op componentniveau en systeemniveau, dit zowel energetisch als exergetisch. Op componentniveau wordt hierbij o.a. gekeken naar de mogelijkheden van luchtgekoelde en watergekoelde heat sinks, evenals naar luchtkoeling met ventilatie of natuurlijke convectie. Het relatieve belang van de verschillende warmteoverdrachtsfenomenen (convectie, geleiding en straling) wordt hierbij op systeemniveau onderzocht. Het einddoel van het eindwerk is om tot een volledige optimalisatie te komen van een geintegreerd koelsysteem voor gebruik in een specifiek datacenter die het totale benodigde koelvermogen minimaliseert met de bedoeling om tot een zo efficiënt mogelijk energieverbruik te komen. Het beschouwde datacenter is de hogevermogencluster op LUDIT. Dit datacenter heeft momenteel een hoge kost aan hun huidige actieve koelsystemen en heeft daarnaast reeds uitvalproblemen gehad omwille van oververhitting tijdens de zomermaanden.

Aantal studenten: 1 of 2 studenten

Referenties Punch J. “Point-of-Source Thermal Management,” Proceedings of 6th Int. Conference EuroSimE 2005, pp. 688-694, 2005. Patel C. D., Bash C.E., Sharma, R., Beitelmal, A. and Malone, C.G. “Smart Chip, Sytem and Data Center Enabled by Advanced Flexible Cooling Resources”, Proceedings of 21st IEEE SEMI-THERM Symposium, 2005. Shah, A., Carey, V., Bash C and Patel, C. “Impact of Chip Power Dissipation on Thermodynamic Performance”, Proceedings of 21st IEEE SEMI-THERM Symposium, 2005. Bar-Cohen, A. “Design and optimization of air-cooled heat sinks for sustainable development”, IEEE Transactions on components and packaging technologies, Vol. 25, pp. 584591, 2002.


EFFICIËNTERE KOELING MET BEHULP VAN 2-FASE STROMING IN MICROKANALEN

Contactpersoon: T. Baelmans, T. Saenen Omschrijving In recente jaren is de snelheid en complexiteit van micro-elektronica sterk toegenomen. Deze trend wordt vooral ingezet door een toenemende miniaturisatie van de microelektronische onderdelen. De thermische huishouding van hedendaagse micro-elektronica wordt echter steeds moeilijker. De limieten van de huidige koeltechnieken zullen binnen enkele jaren worden bereikt. Eén van de nieuwe technologiën die een oplossing kunnen bieden is koeling door middel van microkanalen met behulp van een 1-fasige koelvloeistof. Een verdere verbetering van deze technologie is mogelijk door gebruik te maken van een faseovergang bij het koelen. Dit zou een verbetering met een factor 10-100 kunnen opleveren ten opzichte van 1fasige koeling. Een gevolg hiervan is dat bij eenzelfde koelvermogen een lager koelingsdebiet nodig, waardoor het energieverbruik van de koelinstallatie lager wordt. Anderzijds hebben 2fasige stromingen inherent een grotere drukval dan 1-fasige stromingen bij eenzelfde debiet. Ook is een koelkring voor 2-fasige stroming complexer dan een 1-fasige koelkring. Een laatste punt is dat 2-fasige stroming in microkanalen onderhevig is aan instabiliteiten. Het is daarom niet uitgewezen of 2-fasige koeling efficiënter is als 1fasige koeling. Binnen dit eindwerk zullen een 1-fasige en 2-fasige koelkring met microkanalen theoretisch worden onderzocht aan de hand van recente correlaties uit de litteratuur. Daarbij wordt vooral aandacht besteed aan het energieverbruik van beide. Het uitvoeren van experimenteel onderzoek om de theoretische conclusies te onderbouwen is mogelijk.

Aantal studenten: 1 of 2 studenten

Referenties C.B. Sobhan, S.V. Garimella, A comparative analysis of studies on heat transfer and fluid flow in microchannels, Microscale Thermophys. Eng., Vol. 5, pp. 293-311, 2001. G.L. Morini, Single-phase convective heat transfer in microchannels: a review of experimental results, International Journal of Thermal Sciences., Vol. 43, pp. 631-651, 2004. G. Hetsroni, A. Mosyak, E. Pogrebnyak, L.P. Yarin, Fluid flow in micro-channels, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 48, pp. 1982-1998, 2005. G. Hetsroni, A. Mosyak, E. Pogrebnyak, L.P. Yarin, Heat transfer in micro-channels: Comparison of experiments with theory and numerical results, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 48, pp. 5580-5601, 2005. J.R. Thome, State-of-the-art overview of boiling and two-phase flows in microchannels, Heat Transfer Engineering, Vol.27, pp. 4-19, 2006. Qu and Mudawar, Flow boiling heat transfer in two-phase micro-channel heat sinks-I. Experimental investigation and assessment of correlation methods, Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 46, pp. 2755-2771, 2003. Revellin and Thome, Adiabatic two-phase pressure drops in microchannels, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 31, pp. 673-685, 2007.


NUMERIEKE

OPTIMALISATIE VAN EEN GEAVANCEERDE MICROKANAAL KOELER VOOR VOLGENDE GENERATIE MICROPROCESSOREN.

Contactpersoon: Prof. M. Baelmans, F. Rogiers Omschrijving De almaar toenemende vermogendichtheid van microelektronica-componenten stelt steeds hogere eisen aan het koelsysteem om de chiptemperatuur binnen specificatie te houden. Een hoge chiptemperatuur heeft immers een verlaagde bedrijfszekerheid tot gevolg omwille van bv. reductie van kloksnelheid/bandbreedte, uitschakelen van het apparaat of zelfs het stuk gaan van de microchip. Om aan deze problemen tegemoet te komen wordt geïntegreerde vloeistofkoeling vooropgesteld in plaats van de alom gekende luchtgekoelde ‘heat sinks’. Bij geïntegreerde koeling wordt de heat sink sterk verkleind (tot typisch 0.5mm hoog en een oppervlak van enkele cm2), tegen de achterkant van de chip ‘gebond’, en wordt het geheel vervolgens in één enkele behuizing geplaatst en van hydraulische aansluitingen voorzien. De meest eenvoudige koeler die zo kan worden gemaakt is de ‘microchannel heat sink’ en bestaat uit een rij van parallelle kanalen met breede van grootteorde 100 μm en een hoogte van ongeveer 400 μm [1]. Op basis van het koelmiddel en het beschikbare pompvermogen kunnen de dimensies optimaal worden gekozen [2]. Dit soort koelers heeft echter een groot nadeel. Doordat de kanalen een constante breedte hebben is het temperatuursverschil met het doorstromend koelfluïdum constant langsheen het kanaal. Dit zorgt ervoor dat de chip dezelfde relatieve temperatuurstijging (typisch 50°C) ondergaat dan de koelvloeistof met als gevolg hoge thermische spanningen die aanleiding kunnen geven tot vroegtijdig falen van de chip. Om dit te vermijden stelt Bau [3] een concept met varierende kanaalbreedte voor. In dit eindwerk zal het variabele kanaalbreedte concept meer gedetailleerd worden onderzocht. De studenten ontwikkelen hiertoe een numeriek model voor de berekening van stromings- en temperatuursveld in de verbeterde geometrie met behulp van CFD. Aan dit model wordt vervolgens optimalisatie-software gekoppeld om de kanaalbreedte-verdeling optimaal te kiezen zodat de temperatuursgradienten minimaal blijven zonder een gevoelige verhoging van de thermische weerstand. Dit eindwerk is uitermate geschikt

voor een team van 2 studenten met uitgesproken interesse voor numerieke berekeningsmethoden en optimalisatie-technieken. De referenties die niet online beschikbaar zijn via de bibliotheek zijn beschikbaar op http://people.mech.kuleuven.be/~u0049458/energie/Refs_Energie.zip paswoord: energie

Aantal studenten: 2 Referenties [1] D.B. Tuckerman and R.F.W. Pease, High-Performance Heat Sinking for VLSI, IEEE Electron Device Letters, vol. 2, no. 5, pp. 126-129, 1981 [2] R.W. Knight, D.J. Hall, J.S. Goodling and R.C. Jaeger, Heat Sink Optimization with Application to Microchannels, IEEE Transactions on Components Hybrids and Manufacturing Technology, vol.15, no. 5, pp. 832-842, 1992 [3] H.H. Bau, Optimization of Conduits’ Shape in Micro Heat Exchangers, Intl. J. Heat and Mass Transfer, vol. 41, pp. 2717-2723, 1998


ANALYSE VAN DE WARMTEOVERDRACHT DOOR GECOMBINEERDE GELEIDING EN CONVECTIE IN EEN MICROKANAAL KOELER VOOR MICROPROCESSOREN

Contactpersoon: Prof. M. Baelmans, F. Rogiers Omschrijving De almaar toenemende vermogendichtheid van microelektronica-componenten stelt steeds hogere eisen aan het koelsysteem om de chiptemperatuur binnen specificatie te houden. Een hoge chiptemperatuur heeft immers een verlaagde bedrijfszekerheid tot gevolg omwille van bv. reductie van kloksnelheid/bandbreedte, uitschakelen van het apparaat of zelfs het stuk gaan van de microchip. Om aan deze problemen tegemoet te komen wordt geïntegreerde vloeistofkoeling vooropgesteld in plaats van de alom gekende luchtgekoelde ‘heat sinks’. Bij geïntegreerde koeling wordt de heat sink sterk verkleind (tot typisch 0.5mm hoog en een oppervlak van enkele cm2), tegen de achterkant van de chip ‘gebond’, en wordt het geheel vervolgens in één enkele behuizing geplaatst en van hydraulische aansluitingen voorzien. De meest eenvoudige koeler die zo kan worden gemaakt is de ‘microchannel heat sink’ die bestaat uit een rij van parallelle kanalen met breede van grootteorde 100 μm en een hoogte van ongeveer 400 μm [1]. Op basis van het koelmiddel en het beschikbare pompvermogen kunnen de dimensies optimaal worden gekozen [2]. Deze optimalisatie gebeurt doorgaans met behulp van 1D vinanalyse (zie cursus warmteoverdracht). De veronderstellingen die hiervoor gemaakt moeten worden blijken in de praktijk niet altijd op te gaan zoals werd aangetoon door Kim [3]. Het doel van dit eindwerk is de beperkingen van het 1D-vinmodel toegepast op microkanalen te onderzoeken zodat de ontwerper weet onder welke conditites hij de ontwerprocedures beschreven in bv. [2] mag toepassen. Hiervoor worden numerieke analysetechnieken gebruikt zoals CFD. De referenties die niet online beschikbaar zijn via de bibliotheek zijn beschikbaar op http://people.mech.kuleuven.be/~u0049458/energie/Refs_Energie.zip paswoord: energie

Aantal studenten: 1 of 2

Referenties [1] D.B. Tuckerman and R.F.W. Pease, High-Performance Heat Sinking for VLSI, IEEE Electron Device Letters, vol. 2, no. 5, pp. 126-129, 1981 [2] R.W. Knight, D.J. Hall, J.S. Goodling and R.C. Jaeger, Heat Sink Optimization with Application to Microchannels, IEEE Transactions on Components Hybrids and Manufacturing Technology, vol.15, no. 5, pp. 832-842, 1992 [2] S.J. Kim, Methods for Thermal Optimization of Microchannel Heat Sinks, Heat Transfer Engineering, vol.25, no. 1, pp. 37-49, 2004

lEindwerkidee Master Energie Nr: 17 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel

LINEARISEREN

VAN

NATUURLIJKE

CONVECTIE

BIJ

LED-

VERLICHTING

Contactpersoon: Tine Baelmans, Stefan Andriessens Omschrijving Het gebruik van LED-verlichting zit sterk in de lift. Doorbraken volgen elkaar in sneltempo op en talrijke ondernemers wagen hun kans. Ook de Vlaamse entrepreneurs zitten niet stil. Het gaat vaak om KMO’s die zelf hun producten ontwikkelen. In al hun vlijt verliezen ze ook de thermische huishouding niet uit het oog, een LED mag immers niet warmer worden dan 120°C. Vermits deze kleine ondernemingen doorgaans zelf niet over een R&D-afdeling beschikken, gaan ze te rade bij ingenieursbureaus of onderzoeksinstellingen. Vaak komt een samenwerking neer op het uitvoeren van een aantal CFD-berekeningen van voorgestelde ontwerpen met een dichotome uitkomst: het design voldoet of het voldoet niet. De stap van eerste-orde benadering wordt overgeslagen waardoor heel wat inzicht en nuttige informatie over de warmtepaden en bottlenecks verloren gaat. Het doel van dit eindwerk is uit te zetten in welke mate het lineariseren van typische gevallen van LED-koeling aanvaardbaar is. Hoe kan men bestaande kennis en correlaties aanpassen en integreren op maat van deze toepassingen? In hoever wijkt het af van wat CFD-berekeningen voorspellen? Welke best practices voor ontwerp kan men hieruit weerhouden?

Aantal studenten: 1 of 2 Referenties Petroski J., “Thermal Challenges in LED Cooling,” Electronics Cooling Magazine, Volume 12, issue 4, Novermber 2006 Nichia Application Note (LA-KSE3110C) 2003, Thermal management design of LEDs, Nichia, Tokyo, http://www.nichia.co.jp/specification/appli/thermal.pdf

A.V. Hassani and K.G.T. Hollands 1989, "On natural convection heat transfer from three-dimensional bodies in arbitrary shape," Journal of heat transfer 111:363–371 Sergent J.E., Krum A., Thermal management handbook for electronic assemblies, McGraw-Hill, 1998. Cengel Y.A., "Cooling of electronic equiment" in Heat and Mass Transfer: A Practical Approach, 3ed, McGraw-Hill, 2007. Bejan A., Convection Heat Transfer, 3rd ed., John Wiley & Sons, Hoboken, chapters 4-5, pp. 178-306, 2004


OMZETTING VAN THERMISCHE NAAR MECHANISCHE ENERGIE MET BEHULP VAN HET MARANGONI EFFECT Contactpersoon: Herman Oprins, Martine Baelmans Omschrijving In stromingen op microschaal zijn oppervlaktekrachten veel belangrijker dan bij stromingen op macroschaal. Kleine variaties in de oppervlaktespanning van de vloeistof – vaste stof interfase kan voldoende zijn om het vloeistofoppervlak te vervormen, een interne stroming te veroorzaken of zelfs kleine hoeveelheden vloeistof te laten voortbewegen. Deze variaties van de oppervlaktespanning ontstaan omwille van verschillen in concentratie, temperatuur of elektrisch veld. Het ontstaan van een beweging van een vloeistofoppervlak of van een stroming van de ingesloten vloeistof op basis van dergelijke oppervlaktespanningsgradiënten wordt het Marangioni effect genoemd. Dit principe kan aangewend worden om kleine hoeveelheden vloeistof voort te bewegen door het aanleggen temperatuursverschil. Op deze manier zijn er in de literatuur al een aantal actuatieprincipes bekend waarbij de thermische energie, zijnde het temperatuursverschil, wordt omgezet in beweging van vloeistofdruppels. Er zijn echter nog heel wat onopgeloste problemen rond dit fenomeen. Voorbeelden hiervan zijn het effect van het Marangoni-effect op warmteoverdracht in microsystemen, zoals microkanalen voor koeltoepassingen, en de invloed van de oppervlakteruwheid.

Aantal studenten: 1 of 2 Referenties Oprins H, Nicole C, Baret JC, Van der Veken G, Lasance C, Baelmans M. 2007 On-chip liquid cooling with integrated pump technology, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 30(2):209–217. Atencia J, Beebe DJ. 2005 Controlled microfluidic interfaces, Nature 437:648–655. Tseng Y.-T., Tseng F.-G., Chen Y.-F.,. Chieng C.-C. 2004 Fundamental studies on micro-droplet movement by Marangoni and capillary effects, Sensors and Actuators A: Physical, 114:292–301.

Darhuber AA, Troian SM. 2005 Principles of microfluidic actuation by modulation of surface stresses, Annual Review of Fluid Mechanics, 37: 425–455. Lin L. 1998 Microscale thermal bubble formation: thermophysical phenomena and applications, Microscale Thermophysical Engineering, 2:71–85. Molenkamp T. 1998, Marangoni convection, mass transfer and microgravity, PhD. dissertation, Rijksuniversiteit Groningen. http://www.desc.med.vu.nl/Publications/Thesis/Molenkamp/Molenkamp.htm Morris CJ, Parviz BA. 2006 Self-assembly and characterization of Marangoni microfluidic actuators, J. Micromech. Microeng. 16: 972–980. Yarin AL, Liu W, Reneker DH. 2002 Motion of droplets along thin fibers with temperature gradient, J. Appl. Phys. 91:4751


STUDIE VAN STROMINGSDISTRIBUTIE EN COLLECTORVERLIEZEN IN MICRO-WARMTEWISSELAARS Contactpersoon: Prof. M. Baelmans, F. Rogiers Omschrijving Steeds meer systemen voor opwekking van energie (bv. brandstofcellen, gasturbines, …) worden geminiaturiseerd met oog op toepassing voor gedistribueerde energieopwekking. De warmtewisselaars die gebruikt worden om het (eerder lage) rendement van deze kleine systemen te verbeteren moeten tevens worden geminiaturiseerd. Dit gaat echter gepaard met een verhoogde drukval in de collectoren en een minder uniforme verdeling van het debiet waardoor het warmtewisselend oppervlak minder wordt benut. Het gebrek aan inzicht in het effect van de collectoren zorgt er voor dat micro-warmtewisselaars op dit moment nog niet optimaal ontworpen kunnen worden. In [1] en [2] wordt het effect dat de collectoren op de drukval en stromingsdistributie onderzocht door het warmtewisseled oppervlak, bestaande uit parallelle kanalen, expliciet te modelleren. Het modelleren van alle afzonderlijke stromingspassages in de warmtewisselende kern is echter zeer tijdrovend en niet noodzakelijk om de collectoreffecten te berekenen. Daarom gebruikt men steeds vaker de techniek van ‘Volume Averaging’ die de warmtewisselende structuur (microkanalen in dit geval) modelleert als een poreuze structuur met dezelfde drukvalen warmteoverdrachtseigenschappen als de microkanalen. In dit eindwerk wordt deze wijze van modelleren toegepast op een plaat van een microwarmtewisselaar. De collectoren worden gedetailleerd gemodelleerd terwijl voor de warmtewisselende kern een volumeuitmiddeling wordt gebruikt. Van Het model wordt parametrisch opgebouwd om vervolgens dmv een parameterstudie in een CFD-pakket de invloed van collectorvorm en –grootte op de stroming systematisch te bestuderen. De resultaten worden gebruikt in het lopend onderzoek naar optimalisatie van micro-wamtewisselaars.

Aantal studenten: 1 of 2

Referenties [1] Tonomura et al., CFD-based optimal design of manifold in plate-fin microdevices, Chemical Engineering Journal, vol. 101, pp. 397-402, 2004 [2] Evgeny et al., Header Design for Flow Equalization in Microstructured Reactors, AIChE Journal, vol. 53, no. 1, pp. 28-38, 2007 [3] Horvat A. and Mavko B., Hierarchic Modeling of Heat Transfer Processes in Heat Exchangers, Intl. J. Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 361-371, 2005


BETROUWBAARHEID VAN SIMULATIETECHNIEKEN VOOR DE AFVOER VAN HELIUM UIT FUSIEREACTOREN RELIABILITY OF SIMULATION TECHNIQUES FOR HELIUM REMOVAL IN FUSION REACTORS

Contactpersoon: Martine Baelmans, Detlev Reiter Omschrijving In kernfusiereactoren op basis van magnetische opsluiting, wordt getracht waterstofisotopen te versmelten tot Helium. Hiertoe moet men in het kernplasma enerzijds een goede opsluiting realiseren (voldoend hoog product van dichtheid en temperatuur over een voldoend lange tijd), terwijl anderzijds de reactieproducten en de warmte worden afgevoerd doorheen de plasmarand, die in contact staat met de wandmaterialen. De afvoer van de reactieproducten wordt in deze fusiereactoren gerealiseerd door vacuümpompen. Om de efficiëntie van deze pompen met betrekking tot de afvoer van Helium te analyseren wordt beroep gedaan op simulatietechnieken. In het geval van zeer lage deeltjesconcentraties kan de werking van de pomp bestudeerd worden door middel van Monte Carlo berekeningen. Hierbij wordt het gedrag van een groot aantal atomen statistisch gevolgd waardoor de het debiet aan afgevoerde deeltjes bepaald kan worden. Indien anderzijds de concentratie aan deeltjes voldoende hoog is, kan men terugvallen op de continuümbenadering. In het overgangsgebied zijn een aantal mogelijke benaderingswijzen toepasbaar (BGK, slip-randvoorwaarden, ...). Het doel van dit eindwerk is de verschillende numerieke benaderingswijzen te exploreren en na te gaan wat de toepasbaarheid en nauwkeurigheid is van de verschillende technieken voor de karakterisering van de werking van vacuümpompen. In magnetically confined nuclear fusion plasmas the intention is to enable the fusion reaction of two hydrogen isotopes to produce Helium and an energetic neutron. For this one has, on the one hand,to achieve a good confinement (a sufficiently high product of density and temperature for a sufficiently long time). On the other hand the reaction products and the produced heat have to be extracted through the plasma edge, which is the plasma region that is in contact with the reactor walls. The extraction of the reaction products is realized in these fusion reactors by means of vacuum pumps. In order to analyze the efficiency of these vacuum pumps with respect to the extraction of Helium numerical simulations are performed. For low particle concentrations the charac-

teristics of the pump is evaluated by means of Monte Carlo simulations. In this case the trajectory of a large number of atoms is statistically examined. Thus the mass flow extracted by the pump can be determined. In case of a sufficiently high particle concentration, the continuum approach is valid. However, in the transitional regime different approximation techniques are possible (DMCS, BGK, slip boundary conditions, ...). The aim of the thesis is to explore the different numerical approaches and to assess the validity and accuracy for the determination of the main characteristics of vacuum pumps.

Aantal studenten: 1 of 2 Referenties G.A. Bird, “Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows”, Oxford University Press , 1994, ISBN 0 19 856195 4 and: http://www.gab.com.au/ V. Kotov, “Numerical study of the ITER divertor plasma with the B2-EIRENE code Package”, Institut f ¨ur Plasmaphysik, Forschungszentrum, 2007, http://www.eirene.de/html/recent_reports.html D. Reiter et al., “The EIRENE and B2-EIRENE codes”, Fusion Science and Technology, Vol. 47, pp. 172-186, 2005. Cai CP, Boyd ID, Sun QH, Free, molecular flows between two plates equipped with pumps, JOURNAL OF THERMOPHYSICS AND HEAT TRANSFER 21 (1): 95-104 JAN-MAR 2007. Sharipov, F, Numerical simulation of rarefied gas flow through a thin orifice, JOURNAL OF FLUID MECHANICS 518: 35-60 NOV 10 2004. D. Reiter et al., “Non-linear Effects on Neutral Gas Transport in Divertors”, Journal of Nuclear Materials, vol. 241-243, pp. 342-348, 1997. Li QB, Fu S, Applications of implicit BGK scheme in near-continuum flow, INTERNATIONAL JOURNAL OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS 20 (6): 453-461 JUL 2006.


NAUWKEURIGHEID VAN SIMULATIETECHNIEKEN VOOR DE PLASMAWAND-BEREKENINGEN IN FUSIEREACTOREN ACCURACY OF SIMULATION TECHNIQUES FOR PLASMA EDGE MODELING IN FUSION REACTORS

Contactpersoon: Martine Baelmans, Detlev Reiter Omschrijving In kernfusiereactoren op basis van magnetische opsluiting, wordt getracht waterstofisotopen te versmelten tot Helium. Hiertoe moet men in het kernplasma enerzijds een goede opsluiting realiseren (voldoend hoog product van dichtheid en temperatuur over een voldoend lange tijd), terwijl anderzijds de reactieproducten en de warmte worden afgevoerd doorheen de plasmarand, die in contact staat met de wandmaterialen. Voor het ontwerp van de reactorwand van ITER worden sinds geruime tijd numerieke simulaties uitgevoerd van 2D plasmastromingen gecombineerd met neutrale deeltjesberekeningen. De gebruikte modelvergelijkingen zijn voor het plasma gelijkaardig aan deze van de Navier-Stokesvergelijkingen: een continuïteitsvergelijking, momentumvergelijking en energievergelijking voor ionen en electronen. Hierbij wordt er rekening gehouden met het specifieke gedrag van ionen en elektronen in de aanwezigheid van een magnetisch veld. Verder ontstaan neutrale deeltjes wanneer de ionen op de wand botsen. Het gedrag van deze deeltjes wordt typisch berekend door een Monte Carlo-code, die ad random deeltjes volgt en zo hun gemiddelde gedrag natrekt. Afhankelijk van het te modelleren scenario voor ITER kan het convergentiegedrag sterk verschillen, vooral zeer hoge interactie tussen neutralen en plasma drijven de gekoppelde code tot convergentieproblemen. Het doel van dit eindwerk is de combinatie van een fluïdumcode voor een plasma (B2) samen met een Monte-Carlo-code voor de neutrale deeltjes (EIRENE), zoals die momenteel gebruikt worden voor het ontwerp van ITER, te onderzoeken op convergentiegedrag, stabiliteit en nauwkeurigheid om zo tot optimale combinatiestrategieen te komen. Hierbij kan uitgegaan worden van kennis uit het CFD-domein. Beide codes (B2-EIRENE) gekoppeld beschikbaar en is er ondersteuning voor het opzetten van simulaties wordt geboden door onderzoekers uit Forschungszentrum Juelich (Duitsland). Op deze wijze kunnen combinatietechnieken getest worden op verschillende scenario’s van de ITER-werking.

In magnetically confined nuclear fusion reactors the intention is to enable the fusion reaction of two hydrogen isotopes to produce Helium and an energetic neutron. For this one has on the one hand to achieve a good confinement (a sufficiently high product of density and temperature for a sufficiently long time). On the other hand the reaction products and the produced heat have to be extracted through the plasma edge, which is the plasma region that is in contact with the reactor walls. The design of the reactor wall of ITER is based on numerical simulations of 2D plasma flows in combination with computations of neutral particle behavior. The model equations for plasma flows are similar to the Navier-Stokes equations: continuity, momentum and ion and electron energy equations are used. In these equations the effect of the magnetic field on ions and electrons are incorporated. Further, neutral particles originate when ions impinge on the wall. The behavior of these particles is typically simulated with a Monte Carlo code, in which random trajectories are followed to determine the average behavior of the neutral particles. Depending on the ITER scenario to be simulated the convergence behavior can be quite different. Especially when high interaction between plasma and neutrals exists convergence problems occur. The aim of the master thesis is to investigate the convergence behavior, stability and accuracy of the coupled code system (B2 –EIRENE) as used at present for the ITER design in order to come up with optimal coupling strategies. Starting point for this research can be the knowledge from CFD-simulations. Both codes (B2 and EIRENE) are available and support for the set up of simulations is provided by researchers from the Forschungszentrum Juelich (Germany). Thus, coupling techniques can be tested for different scenarios of operation conditions for ITER.

Aantal studenten: 1 of 2 Referenties D. Reiter et al., “The EIRENE and B2-EIRENE codes”, Fusion Science and Technology, Vol. 47, pp. 172-186, 2005. Cai CP, Boyd ID, Sun QH, Free, molecular flows between two plates equipped with pumps, JOURNAL OF THERMOPHYSICS AND HEAT TRANSFER 21 (1): 95-104 JAN-MAR 2007. W. D. D’haeseleer, H.D. Pacher, G.W. Pacher, Sensitivity of Divertor Operating Conditions on Plasma Parameters in a Next Step Device, Contr. Plasma Physics Vol. 32 ¾ pp 444-449, 1992 G.P. Maddison, D. Reiter, Recycling source terms for edge plasma fluid models and impact on convergence behaviour of the BRAAMS “B2” code, Report Forschungszentrum Juelich, Juel-2872, Feb. 1994, ISSN 0944-2952


EFFECT VAN DE WANDGEOMETRIE VOOR HET PLASMATRANSPORT IN DE ITER-FUSIEREACTOR EFFECT OF MAIN CHAMBER RECYCLING ON THE PLASMA TRANSPORT IN THE ITER FUSION REACTOR Contactpersoon: Martine Baelmans, Detlev Reiter Omschrijving Dit eindwerk situeert zich binnen het lopend onderzoek naar de ontwikkeling van kernfusiereactoren op basis van magnetische opsluiting. Zowel bij de interpretatie van plasmawand-diagnostieken aan experimentele installaties zoals TEXTOR en JET, als bij het ontwerp van ITER, speelt de kwantificering van de processen die zich afspelen in de buurt van de wand een belangrijke rol. Die processen zijn immers van zeer groot belang voor het realiseren van de vereiste opsluiting van het kernplasma (voldoend hoog product van dichtheid en temperatuur over een voldoend lange tijd) enerzijds en voor het kunnen afvoeren van de reactieproducten en de warmte zonder een al te hoge erosie van de wanden toe te laten anderzijds. Voor de interpretatie van bestaande experimenten en voor de ontwikkeling van ITER wordt een beroep gedaan op simulatietechnieken. Om de interactie van het plasma met de wand te bestuderen wordt een fluïdumcode voor ionen en elektronentransport gekoppeld aan een Monte Carlo code voor het transport van neutrale deeltjes. Hoewel het plasmatransport vrij goed gekend is wanneer magnetische veldlijnen onder een grote hoek snijden met het wandmateriaal, zijn er voor situaties waar magnetische veldlijnen rakelings invallen op de wand nog verschillende opties qua fysica en numerieke implementatie open. In dit eindwerk wordt daarom nagegaan in hoeverre dit aspect een invloed heeft op het ontwerp van ITER. This thesis is situated in the ongoing research towards the development of nuclear fusion reactors based on magnetic confinement of plasmas. Both for the interpretation of plasma-wall diagnostics in experimental reactors such as TEXTOR and JET as well as for the design of ITER, (the first fusion reactor (500 MW) currently under construction in Cadarache, France), the quantification of basic processes in the plasma edge is of crucial importance. Indeed, these processes are responsible for the confinement of the core plasma on the one hand (a sufficiently high product of density and temperature for a suf-

ficiently long energy confinement time) and for the removal of reaction products and heat within tolerable limits for wall erosion on the other hand. For the interpretation of experiments as well as for the development of ITER simulation models are indispensable. In order to investigate the plasma wall interaction a fluid code for ion and electron transport is coupled with a Monte Carlo code for the description of the neutral particle transport. If magnetic field lines intersect with wall material at a relatively large angle, the boundary conditions for plasma transport equations are well known. However, when magnetic field lines are nearly tangential to the walls, different opinions exist with respect to both the physics and the numerical implementation. The goal of this thesis is to assess the impact of these options for the ITER design.

Aantal studenten: 1 of 2 Referenties http://www.iter.org/a/index_nav_2.htm D. Reiter, M. Baelmans et al., “The EIRENE and B2-EIRENE codes”, Fusion Science and Technology, Vol. 47, pp. 172-186, 2005. M. Baelmans, D. Reiter, B. Küppers, P. Börner, “Plasma edge fluid models for recycling at near tangential surfaces”, Journal of Nuclear Materials, Vol. 290-293, pp. 537-541, 2001. P. C. Stangeby, “The plasma boundary of magnetic fusion devices”, (IOP, Philadelphia, 2000) I.I. Beilis, A. Keidar, „Sheath and presheath structure in the plasma-wall transition layer in an oblique magnetic field“, Phys. of Plasmas, Vol 5 No 5 (1998) 1545 P.C. Stangeby et al., “The nature of plasma fluxes to surfaces tangential to the magnetic field”, J. Nuclear Fusion, 32 (1992) 2079


MULTIZONE CONTROLE VAN GEVENTILLEERDE RUIMTES Contactpersoon: Johan Meyers, Martine Baelmans Omschrijving Goede ventilatie van verblijfsvertrekken is essentieel voor een optimale kwaliteit van de binnenomgeving voor wat betreft comfort, productiviteit, gezondheid en veiligheid. Dergelijke ventilatie is echter niet altijd evident en vereist voor grote vertrekken meestal een multizone controle. Een voorbeeld is de airconditioning van een landschapsbureau dat in de lente veel zonnestraling krijgt op de zuidkant, zodat die kant van de ruimte gekoeld dient te worden, terwijl de noordkant nog steeds verwarming nodig heeft. Een slecht ontworpen ventilatie zal in een dergelijke situatie zeer inefficiënt werken, i.e. de warmte wordt dan overmatig van de noord naar de zuidkant gevoerd. In een goed ontworpen ventilatie blijven de ventilatiestromen van verschillende zones strikt van elkaar gescheiden en is er enkel in de overgangsgebieden een minimale hoeveelheid massatransport. Het ontwerp en de regeling van zo’n multizone ventilatiesysteem is echter verre van eenvoudig aangezien de luchtstroming in zo’n ruimte een complex driedimensionaal turbulent fenomeen is. Dit eindwerk richt zich op het onderzoeken van mogelijke ventilatiescenario’s voor multizone controle met behulp van numerieke simulaties. Aandacht gaat daarbij vooral uit naar efficiëntie en comfort, het identificeren van worste-case en best-case scenario’s en het vinden van creatieve oplossingen. Voor de simulaties worden zowel Reynolds-averaged Navier-Stokes Simulaties (RANS) als Large-Eddy Simulaties (LES) gebruikt. RANS is een techniek die relatief weinig rekentijd vereist, maar niet altijd betrouwbare stromingsvoorspellingen levert. LES is een relatief rekenintensieve techniek, die echter betrouwbaarder resultaten levert. Tijdens dit eindwerk dienen beide technieken op een intelligente manier gecombineerd te worden: RANS voor een initiële mapping van het gedrag van verschillende oplossingen, LES voor een gedetailleerde evaluatie van de meest interessante cases uit de RANS map.

Referenties Angioletti M, Di Tomasso RM, Nino E, Ruocco G. 2003. Flow field analysis in a ventilated large enclosure subject to nonhomogeneous boundary conditions. Heat Transfer Engineering 24(3): 42–56. Sagaut P. 2002 Large Eddy Simulations for Incompressible Flows, 2nd ed. Springer.

Meyers J, Sagaut P. 2006. On the model coefficients for the standard and the variational multi-scale Smagorinsky model. Journal of Fluid Mechanics 569: 287–319. Nielsen PV. 1998. The selection of turbulence models for prediction of room airflow. ASHRAE Transactions 104: 1119–1127.


SIMULATIE VAN VENTILATIE-EFFICIENTIE BIJ TRANSITIONELE SLOT-REYNOLDSGETALLEN Contactpersoon: Johan Meyers, Martine Baelmans Omschrijving Goede ventilatie van verblijfsvertrekken is essentieel voor een optimale kwaliteit van de binnenomgeving voor wat betreft comfort, productiviteit, gezondheid en veiligheid. Voorbeelden zijn de ventilatie van woningen, clean rooms, operatiekamers, voertuigcabines enz. Een ander belangrijk voorbeeld is de ventilatie van vliegtuigcabines voor de dispersie en het verwijderen van contaminanten in normale vliegomstandigheden, voor het verwijderen van insecticiden na behandeling van de cockpit en passagiersruimte maar ook in extreme situaties zoals rookevacuatie bij vliegtuigbranden. Ventilatie heeft echter ook zijn consequentie naar energiegebruik. Immers een al te groot ventilatiedebiet vergt in de meeste gevallen ook een evenredige hoeveelheid energietoevoer. Een degelijke evaluatie van de invloed van de belangrijkste ontwerpparameters is dan ook uiterst belangrijk voor een efficiënt ontwerp van deze systemen. Enkele voor de hand liggende parameters zijn: de positie van de airco, de snelheid van de ingeblazen lucht en de vorm van het slot. De invloed van deze parameters op de ventilatie-efficiëntie is het snelst te evalueren a.h.v. numerieke simulaties. De lage Reynoldsgetallen aan de ventilatie-inlaat (i.e. slot-Reynoldsgetal) zorgen echter voor een transitioneel laminair−turbulent regime dat met een klassieke RANS moeilijk simuleerbaar is. Een meer nauwkeurige techniek, i.e. LES (Large-Eddy Simulation), biedt wel de mogelijkheden om betrouwbare voorspellingen te maken van de ventilatie-efficiëntie, maar dient voor deze toepassing nog grondig geëvalueerd te worden.

Referenties Angioletti M, Di Tomasso RM, Nino E, Ruocco G. 2003. Flow field analysis in a ventilated large enclosure subject to nonhomogeneous boundary conditions. Heat Transfer Engineering 24(3): 42–56. Sagaut P. 2002 Large Eddy Simulations for Incompressible Flows, 2nd ed. Springer. Meyers J, Sagaut P. 2006. On the model coefficients for the standard and the variational multi-scale Smagorinsky model. Journal of Fluid Mechanics 569: 287–319. Nielsen PV. 1998. The selection of turbulence models for prediction of room airflow. ASHRAE Transactions 104: 1119–1127.


ELEKTRICITEITSOPWEKKING TOEKOMST?

IN

BELGIË,

WAT

BRENGT

DE

Contactpersoon: Erik Delarue Omschrijving België heeft beslist om tussen 2015 en 2025 een uitstap uit kernenergie door te voeren. Tegelijk legt Europa haar lidstaten beperkingen op; een verlaagde CO2 uitstoot en meer elektriciteit uit hernieuwbare bronnen. Dit alles zal er voor zorgen dat het Belgische elektriciteitspark de nodige veranderingen zal ondergaan. De vraag die zich stelt is in hoeverre dit allemaal te verzoenen is. Is het mogelijk om zonder nucleaire reactoren toch nog CO2 te reduceren? Wat zou het effect zijn van massale windimplementatie in het Belgische park? Hoe wordt de betrouwbaarheid beïnvloed? Om op deze en andere vragen een antwoord te geven, kan o.a. gebruik gemaakt worden van simulaties. Verschillende modellen zijn voorhanden. Deze kunnen gebruikt worden om bepaalde scenario’s af te toetsen. Deze modellen maken onder andere gebruik van heuristieken en Mixed Integer Linear Programming (MILP).

Aantal studenten:

1

Thesis in het Engels noodzakelijk:

Neen

Referenties W. D’haeseleer. Belgium's Energy Challenges Towards 2030, final report, June 19, 2007. http://www.ce2030.be/public/documents_publ/CE2030%20Report_FINAL.pdf Voorspools K, D’haeseleer W. The modelling of electric generation of large interconnected systems: How can a CO2 tax influence the European generation mix. Energy Conversion and Management 2006; 47: 1338-1358.

Carrion M, Arroyo J. A computationally efficient mixed-integer linear formulation for the thermal unit commitment problem. IEEE Transactions on power systems 2006; 21:1371-1378.

Eindwerkidee Master Energie Nr: 26 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel CO2 REDUCTIE IN DE ELEKTRICITEITSSECTOR

Contactpersoon: Erik Delarue Omschrijving Door een toenemende vrees voor de opwarming van de aarde door het broeikasgaseffect, worden op tal van beleidsniveaus de nodige maatregelen getroffen ter beperking van deze gassen. Zo is de EU reeds in 2005 gestart met het EU Emission Trading Scheme (ETS), een systeem van verhandelbare CO2 rechten. Zo moeten alle spelers onderworpen aan dit ETS - zijnde de elektriciteitsproducenten en zware industrie – per uitgestootte ton CO2 een emissierecht inleveren. Deze emissierechten kunnen vrij verhandeld worden; dit systeem maakt het mogelijk CO2 te reduceren aan minimale kost. Een groot deel van de gewenste CO2 besparing zal op korte termijn moeten resulteren van een brandstof wissel tussen steenkool en gas. Door een voldoende hoge CO2 prijs zal het voordeliger worden duurder aardgas (dat tot minder CO2 aanleiding geeft) te gebruiken voor elektriciteitsproductie ten koste van steenkool. Er zijn sterke vermoedens (mede door resultaten uit simulatiemodellen) dat zulke brandstof wissel in 2005 heeft plaatsgevonden. Tal van verdere simulaties kunnen binnen dit domein verricht worden. (exacte onderwerp van onderzoek moet nog na overleg tussen professor, assistent en student(en) uitgelijnd worden)

Aantal studenten:

1 of 2


Neen

Referenties A. D. Ellerman, B. K. Buchner. Over-Allocation Or Abatement? A Preliminary Analysis of the EU ETS Based on the 2005-06 Emissions Data. Accepted for publication in Environmental and Resource Economics, 2007.

E. Alberola, J. Chevallier, B. Chèze. Price drivers and structural breaks in European carbon prices 2005–2007. Energy Policy 36 (2008) 787–797. E. Delarue, K. Voorspools, W. D’haeseleer. Fuel switching in the electricity sector under the EU ETS: review and prospective. Accepted for publication in Journal of Energy Engineering ASCE, 2007.


DC LOAD FLOW IN SIMULATIEMODELLEN, ACCURAAT? Contactpersoon: David Bekaert, Erik Delarue Omschrijving Bij simulatiemodellen voor elektriciteitsopwekking wordt dikwijls gebruik gemaakt van een DC load flow berekening. Deze laat toe, mits enkele vereenvoudigende veronderstellingen, een lineair verband neer te schrijven tussen injecties in bepaalde knopen en vermogenstromen op bepaalde lijnen. Deze lineaire vergelijkingen worden typisch meegenomen in lineaire simulatiemodellen die de planning en productie van elektriciteitscentrales optimaliseren. De vraag die zich echter stelt is in hoeverre de vereenvoudigingen gemaakt om een DC load flow te gebruiken gerechtvaardigd zijn. Een AC load flow biedt een vollediger en juister beeld, maar is enkel door iteratie oplosbaar, en kan bijgevolg niet worden opgenomen in een lineaire optimalisatie. Deze thesis poogt bepaalde simulatieresultaten volgend uit een DC load flow te toetsen aan een volledige AC berekening, en bij incompatibiliteiten een aanpassing aan het huidige resultaat te suggereren.

Aantal studenten:

1 of 2


Neen

Referenties Overbye T J, Cheng X, Sun Y. A Comparison of the AC and DC Power Flow Models for LMP Calculations. Proceedings of the 37th Hawaii International Conference on System Sciences. 2004.

Purchala K, Meeus L, Van Dommelen D, Belmans R. Usefulness of DC Power Flow for Active Power Flow Analysis. Power Engineering Society General Meeting, 2005. IEEE 12-16 June 2005 Page(s):454 - 459 Vol. 1. Carrion M, Arroyo J. A computationally efficient mixed-integer linear formulation for the thermal unit commitment problem. IEEE Transactions on power systems 2006; 21:1371-1378.

Eindwerkidee Master Energie Nr: 28 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel PRIJSVOORSPELLINGEN BINNEN EEN PRIJSGEBASEERDE UNIT COMMITMENT

Contactpersoon: Erik Delarue, Cedric Dejonghe Omschrijving Om aan een gegeven vraag naar elektriciteit te voldoen, dient het aan/af schakelen van elektriciteitscentrales zorgvuldig gepland te worden. Het opstellen van een optimale planning (laagste kost) wordt aangeduid met de term unit commitment. In de huidige situatie van de geliberaliseerde markt, is de focus verschoven van produceren aan minimale kost naar het maximaliseren van winst. Generatoren gaan een “price based unit commitment” dienen uit te voeren: op basis van voorspelde prijs van elektriciteit beslissen wat ze zullen aanbieden (hoeveel en aan welke prijs). Simulatiemodellen kunnen helpen onderzoek naar price based unit commitment (PBUC) te verrichten. Een interessante piste van modellering is het gebruik van Mixed Integer Programming. Dit eindwerk kan grotendeels steunen op een PBUC model ontwikkeld binnen een eindwerk dat dit jaar lopende is. De focus zou nu echter op het voorspellen van prijzen komen te liggen. In de literatuur zijn hier diverse methodes voor beschikbaar. Een grote zelfstandigheid van de student(en) is vereist voor dit eindwerk.

Aantal studenten:

1 of 2


Neen

Referenties Shahidehpour M, Yamin H, Li Z. Market operations in electric power systems. IEEE, Wiley Interscience, New-York, 2002.

Li T, Shahidehpour M. Price-based Unit Commitment: A Case of Lagrangian Relaxation versus Mixed Integer Programming. IEEE transactions on power systems, 2005, 20:20152025. Nogales F, Conejo A. Electricity price forecasting through transfer function models. Journal of the Operational Research Society, 2006, 57:350–356.


TECHNISCH-ECONOMISCHE EVALUATIE VAN DE TOEKOMSTIGE ONTWIKKELING VAN VERSCHILLENDE ENERGIE-INFRASTRUCTUREN Contactpersoon: Dries Haeseldonckx Omschrijving Tot op heden zijn fossiele brandstoffen de belangrijkste pijlers van onze energie-economie, waarbij aardolie, aardgas en elektriciteit fungeren als de voornaamste energiedragers. Strengere milieunormen, nieuwe (Europese) richtlijnen en de uitputting van de fossiele brandstoffen zullen er echter voor zorgen dat ons energielandschap er helemaal anders zal uitzien binnen enkele decennia. Hiertoe worden momenteel tal van verschillende pistes bekeken: hernieuwbare energie, het gebruik van efficiëntere technologieën (warmtepompen, WKK, …), het bijmengen van biobrandstoffen, waterstof of synthetische koolwaterstoffen (ethanol, methanol, …) als energiedrager, het afvangen en opslaan van CO2. Het spreekt voor zich dat er niet één zaligmakende oplossing bestaat voor de huidige energieproblematiek en dat de toekomst waarschijnlijk zal ingekleurd worden door een verstandige combinatie van de hierboven aangehaalde alternatieven. Men kan zich echter de vraag stellen of een té grote diversiteit aan energiedragers en –technologieën op zijn beurt ook niet voor problemen zal zorgen? Het gebruik van nieuwe energiedragers vereist immers de uitbouw van een nieuwe energie-infrastructuur, zowel op lokaal (tankstations, distributieleidingen, …) als op nationaal (pijpleidingen, opslagfaciliteiten, …) niveau. Ook een verder doorgedreven gebruik van elektriciteit zal op zijn beurt gepaard gaan met een noodzakelijke uitbreiding van de huidige infrastructuur. Het doel van dit eindwerk is het maken van een kritische technisch-economische evalutie van de toekomstige ontwikkeling van de ganse energie-infrastructuur, waarbij een mogelijke interactie tussen verschillende energiedragers in rekening wordt gebracht en alle voor- en nadelen op een rijtje worden gezet.

Referenties [1]

[2]

[3] [4] [5] [6] [7]

Mazza P., Hammerschlag R., 'Carrying the Energy Future: Comparing Hydrogen and Electricity for Transmission, Storage and Transportation', Institute for Lifecycle Environmental Assessment, Seattle, June 2004. Ogden J., Steinbugler M., Kreutz T., ’A comparison of hydrogen, methanol and gasoline as fuels for fuel cell vehicles: implications for vehicle design and infrastructure development’, Journal of Power Sources, Vol. 79, Issue 2, pp. 143168, June 1999. Bossel U., 'Does a Hydrogen economy Make Sense?', http://www.efcf.com , April 2005. IEA, ‘Prospects for CO2 capture and storage’, International Energy Agency, OECD/IEA, Paris, 2004. Larsen H., Feidenhans’l R., Petersen L., ‘Riso Energy Report 3: Hydrogen and its competitors’, Riso National Laboratory, Riso-R-1469(EN), Denmark, 2004. Hart D. et al., ‘Methanol infrastructure — will it affect the introduction of SPFC vehicles?’, Journal of Power Sources, Vol. 86, Issues 1-2, pp. 542-547, March 2000. Svensson R. et al., ‘Transportation systems for CO2––application to carbon capture and storage’, Energy Conversion and Management, Vol. 45, Issues 15-16, pp. 2343-2353, September 2004.

Eindwerkidee Master Energie Nr: 30 Afstudeerjaar: 2007-2008 Titel CONTROLESTRATEGIE VOOR μ-WKK IN RESIDENTIELE GEBOUWEN

Contactpersoon: Leen Peeters Omschrijving Nu vernieuwde μ-WKK`s klaar staan om de markt te veroveren, is het hoog tijd om de controle van dergelijke systemen onder de loep te nemen! Hoe ver kan/moet je gaan in de aansturing van dergelijke systemen om, zonder te tasten aan het thermisch comfort, een maximale opbrengst te hebben voor de geproduceerde elektriciteit? Daarbij is de interactie, getoond in onderstaande figuur, van cruciaal belang. gebouw

controle installatie

bewoners

De `ervaring` van de bewoners dient quasi constant te blijven, het gebouw is een gegeven. Het enige wat je kan beïnvloeden is de installatie, door te sleutelen aan de controle ervan. De instellingen van de gebruikers (set temperaturen en dergelijke) moeten uiteraard gerespecteerd worden, het gebouw reageert uiteindelijk op zijn eigen manier op eventueel veranderende energietoevoer. De bedoeling is dan de productie van elektriciteit zo te plannen dat de opbrengst voor de bewoners maximaal is. Om de interactie met de aspecten bewoners en gebouw op correcte wijze voor te stellen, kan je gebruik maken van een Building Energy Simulation code als TRNSYS of ESP-r.

Referenties [1] [2] [3]

http://www.remeha.nl/hre/ http://www.kuleuven.be/bwf/ned/onderzoek_domeinen.htm#energie. Doorklikken naar el²ep met als login GBOU en als paswoord Kyoto2012, rapport 3b: controlestrategiën Hens Hugo. ‘Gebouw, Energie, Verwarming Ventilatie’, ACCO Leuven, 2002


AANPASSINGEN AAN HET GENERATIEPARK EN HET TRANSMISSIENET VOOR DE OPTIMALE INCORPORATIE VAN WINDENERGIE Contactpersoon: Patrick Luickx Omschrijving Verschillende landen hebben zeer ambitieuze plannen betreffende investeringen in windenergie. Landen zoals Duitsland en Spanje, nu reeds nummers 1 en 2 van de wereld in geïnstalleerd vermogen, voorzien nog extra investeringen in de (nabije) toekomst. Dit geeft de landen een duurzaam en groen imago en helpt hen bepaalde doelstellingen, zoals 21% elektriciteit uit hernieuwbare energie (op Europees niveau) te behalen. Op technisch vlak zijn zulke aanzienlijke hoeveelheden intermitterende (variabele en onzekere) energiebronnen echter geen vanzelfsprekendheid. Zowel op het vlak van het transmissienet als op het vlak van het generatiepark zijn bepaalde aanpassingen nodig en / of wenselijk om een volwaardige integratie van grote hoeveelheden windenergie te bereiken. Concrete gevallen die kunnen bestudeerd worden, kunnen gevonden worden in Duitsland en Spanje, maar ook in België bijvoorbeeld, waar een potentieel groot windmolenpark in zee zou moeten aangesloten worden aan land en hierbij bepaalde aanpassingen nodig heeft. Een ander interessant geval is het ambitieuze project van Airtricity om een gigantisch windmolenpark in de Noordzee te bouwen en deze met alle aangrenzende landen te verbinden. De netaanpassingen zijn vooral te vinden in versterkingen van het net, het bouwen van nieuwe hoogspanningslijnen en het verhogen van bepaalde interconnecties met buurlanden. De aanpassingen aan het generatiepark moeten vooral bekeken worden met het oog op een aanhoudende bedrijfszekere exploitatie van de systemen. Door aanpassingen in het park, zullen er ook veranderingen plaatsvinden in de vereiste reserves en exploitatieregels. De uitdagingen met grote hoeveelheden aan windenergie beperken zich niet enkel tot het eigen land maar strekken zich ook uit naar de buurlanden. In Duitsland bijvoorbeeld,

waar de windenergie zich vooral in het noorden bevindt, maar de vraag vaak in het zuiden moet voldaan worden, wordt er vaak elektriciteit omgeleid via Nederland, België en Frankrijk. Deze landen (met Nederland voorop) bekijken de mogelijkheden om de negatieve neveneffecten van grote elektriciteitsstromen die zij niet in de hand hebben, binnen de perken te houden. Het zetten van phase shifters op de grenzen hoort hierbij tot de mogelijkheden. Het doel van zulke thesis kan het bekijken van 2 gevallen zijn, waarbij de huidige, toekomstige en optimale situatie op technisch vlak met elkaar vergeleken worden.

Aantal studenten: 2 Referenties [1] [2] [3]

www.ewea.org www.ucte.org www.ce2030.be (Commissie 2030) o.a. Liberalized markets and technical boundary conditions

[4]

www.eusustel.be o.a. WP 6.3.

[5] [6]

http://www.wind-integration.eu/ (EWIS studie) Eurelectric. 2005. Statistics and prospects for the European electricity sector (19801990, 2000-2020). EURPROG 2005. EURPROG Network of Experts. Europese Commissie. 2006. GROENBOEK. Een Europese strategie voor duurzame, concurrerende en continu geleverde energie voor Europa.

[7]


DE VRAAG NAAR TRANSPORTCAPACITEIT IN GELIBERALISEERDE EUROPESE GASMARKTEN Contactpersoon: Nico Keyaerts Omschrijving De vrijmaking van de Europese aardgasmarkt wijzigt de behoeften aan vervoerscapaciteit (nationaal en internationaal – doorvoer) en de wijze waarop het vervoer wordt georganiseerd. Toen de nationale monopolies nog bevoorraad werden met lange termijncontracten die rechtstreeks waren afgesloten met de aardgasproducenten, was het traject van het aardgas tussen winning en consumptie op voorhand gekend. Dit is niet langer meer het geval gezien de ontwikkeling van een groothandelsmarkt voor aardgas en de verschillende tussenpersonen die gebruik maken van moderne instrumenten zoals swaps van aardgas om hun klanten te bevoorraden. Commerciële swaps van aardgas leiden tot besparingen in de vervoerskosten (zie het ontstaan van aardgashubs) en dit geldt ook voor de boekingen van capaciteit in tegenstroom (backhaul). Anderzijds vereist commerciële vrijheid ook een flexibeler vervoersnetwerk met voldoende interconnecties tussen de netwerken en extra capaciteit om te kunnen arbitreren. Er zijn dus twee compenserende krachten op de vervoersmarkt die de uiteindelijke fysieke capaciteitsbehoeften bepalen. Dit project is gericht op de beantwoording van het vraagstuk of de vrijmaking van de Europese aardgasmarkt al dan niet tot gevolg heeft dat de vraag naar vervoerscapaciteit voor doorvoerstromen en binnenlandse aardgasstromen toeneemt, en hoe die vraag naar transportdiensten beantwoord kan worden door de transportsysteemoperatoren. Mogelijke doelstellingen: 1. Een doorlichting van de mechanismen die de vraag naar vervoerscapaciteit binnen Europa bepalen. 2. Een analyse van het tarievensysteem, het capaciteitsmodel en/of het congestiebeleid in Noordwest-Europa. 3. Gevolgtrekkingen voor de marktregulering (harmonisatie of niet?) en de dimensioneringsproblematiek van infrastructuur in een open aardgasmarkt. (zijn er uitbreidingen nodig of moet het bestaande netwerk anders worden beheerd…)

De studenten moeten zich verdiepen in: * optimisatietechnieken (operations research…) om een transportmodel te bouwen * liberalisering energiemarkten * technische en economische werking van een aardgastransportsysteem In de voorbereidende paper dienen de studenten aan te tonen dat zij de problematiek kunnen kaderen en dat zij een concrete probleemstelling kunnen definiëren. Een goed uitgewerkt voorstel van de studenten kan mogelijk op ondersteuning vanuit de CREG rekenen

Referenties -Lapuerta & Moselle (2002) Convergence of Non-Discriminatory Tariff and Congestion Management Systems in the European Gas sector, The Brattle Group. Available at http://ec.europa.eu/energy/gas/publications/index_en.htm -ERGEG (2004) Entry Exit System Guidelines: monitoring report 2004. -ERGEG (2007a) Secondary Markets: the way to deal with contractual congestion on interconnection points - An ERGEG Public Consultation Paper. Ref: E07-GFG-22-14a 18 April 2007 -ERGEG (2007b) Calculation of Available Capacities: Understanding and Issues - An ERGEG Public Consultation Paper. Ref: C06-CAP-06-03, 14 June 2007 -ERGEG (2007c) Gas transmission tariffs: an ERGEG benchmarking report. Ref. C06-GWG-31-05, 18 July 2007 -ERGEG (2007d) Secondary Markets - the way to deal with contractual congestion on interconnection points – An ERGEG Conclusions Paper. Ref: E07-GFG-22-14b, 18 October 2007 -ERGEG (2007e) Principles on Calculating Tariffs for Access to Gas Transmission Networks - An ERGEG Public Consultation Paper. Ref: E07-CBT-01-03 22 November 2007 All ERGEG papers available at: http://www.ceer-eu.org/portal/page/portal/ERGEG_HOME/ERGEG -CREG (2004) Indicatief plan voor de aardgasbevoorrading. Available at http://www.creg.be -DG Competition (2007) Energy Sector Inquiry. Available at http://ec.europa.eu/comm/competition/sectors/energy/inquiry/index.html -W.L. Winston (2004) Operations research: applications & algorithms, Thomson Brooks Cole -Belangengroepen: EFET (http://www.efet.org), GIE (http://www.gie.eu.com), eurogas (http://www.eurogas.org), nationale regulatoren en TSOs enz.

Aantal studenten:

1

X2


1 of 2 Ja X Neen


CONVERSIE VAN HET BELGISCHE L-GASNETWERK Contactpersoon: Nico Keyaerts Omschrijving Een van de eigenschappen van aardgas is dat de gaskwaliteit – aangegeven door de bovenste verbrandingswaarde – sterk kan verschillen tussen aardgasvelden. Men spreekt dan ook over hoogwaardig gas of H-gas, en over laagwaardig gas of L-gas. België bevoorraadt zich zowel met H-gas (voornamelijk uit Noorwegen) en met L-gas (vanuit het Slochterenveld in Nederland) Meer en meer is er sprake om af te stappen van L-gas en de volledige aardgasbevoorrading voor België met H-gas te voldoen. Factoren die hierbij een rol spelen zijn onder meer de beperkte concurrentie op de L-gasmarkt en de onzekerheid over de wijze waarop Nederland het Slochterenveld zal beheren in de toekomst daar het huidige contract met België over enkele jaren ten einde loopt. De Belgische centrale regulator voor elektriciteit en gas (CREG) heeft rond deze omschakeling recent wat studiewerk verricht. In dit onderzoek wordt er nagegaan welke de effecten zijn op het Belgische transportnetwerk van de omschakeling van L-gas naar H-gas. Zo houdt de omschakeling in dat het H-gasnetwerk wordt uitgebreid met het L-gasnetwerk, maar evident breidt ook de vraag naar H-gas uit met de vroegere L-gasklanten. Doelstellingen: 1. de effecten op de aardgasvraag: eindgebruikers vragen een bepaalde energiehoeveelheid die afhankelijk is van de calorische waarde… 2. de effecten op de vraag naar transportdiensten en dus de belasting van het transportnetwerk: zijn er nieuwe investeringen nodig, kan/moet het transportsysteem anders worden beheerd…? 3. Welke substituten voor het Nederlandse L-gas zijn er mogelijk?

De studenten verdiepen zich in: * optimisatietechnieken (operations research) om netwerkjes te bouwen en simulaties uit te voeren. * gastechniek * aardgasketen

Referenties -CREG (2004) Voorstel Indicatief plan van bevoorrading in aardgas. (F)040923-CREG360 - CREG (2004) Studie betreffende de concurrentie op de L-gasmarkt. (F)040617-CREG313 - CREG (2007) Studie betreffende investeringsstop L-gasmarkt en omschakeling op Hgas (F)070913-CREG-691 CREG documenten beschikbaar op http://www.creg.be - W.L. Winston (2004) Operations research: applications & algorithms, ThomsonBrooks-Cole

Aantal studenten:

1

X2


1 of 2 Ja X Neen


INVLOED VAN BANDPASS CONDENSATORBANKEN OP TRANSIËNTE FENOMENEN

Contactpersoon: Koen Van Reusel Omschrijving

ArcelorMittal Gent heeft op zijn hoogspanningsnet meerdere condensatorbanken geïnstalleerd die de inductieve verbruikers (motoren) compenseren. Het toevoegen van condensatoren heeft enerzijds een invloed op de harmonische distorsie en anderzijds op transiënten. Deze laatste zijn ofwel afkomstig van het voedingsnet ofwel van lokale fouten (isolatiefouten, kortsluitingen) of schakelingen (inschakelen transformator of condensatorbank, doorsmelten van zekering, afschakelen foutstroom of zware verbruiker). Transiënte fenomenen kunnen bestudeerd worden door middel van een softwaremodel dat kan geijkt worden via meetcampagnes met gespecialiseerde netanalysers.

Referenties Cfr. “Stages & eindwerken” op site: http://www.arcelormittalgent.com


ONZEKERHEIDSANALYSE VAN EEN INDUCTIEMOTOR MODEL Contactpersoon: Cindy Bastiaensen Omschrijving De inductiemotor is de meest gebruikte motor in de wereld. Zijn troeven zijn eenvoud, robuustheid en onderhoudsvriendelijkheid. Door de jaren heen is deze motor steeds verbeterd en hij kan rendementen hoger dan 90 % halen. Het doel van het eindwerk is een magnetisch equivalent circuit model op te bouwen die de karakteristieken van de inductiemotor weergeeft. Hierbij wordt gebruik gemaakt van Matlab. Een tweede stap is onzekerheden die voorkomen in het systeem (geometrie, materiaaleigenschappen, omgeving) te bepalen en in rekening te brengen. Een mogelijke methode is de ‘stochastic response surface method’. Bestaande programma’s worden gebruikt voor deze analyse.

Referenties I Boldea and S A Nasar, The Induction Machine Handbook, CRC Press – Florida, 2002 V. Ostović, Dynamics of Saturated Electric Machines, Springer-Verlag, 1989 B. Sudret, A. Der Kiureghian, Stochastic Finite Element Methods and Reliability, A State-of-the-Art Report, 2000

Aantal studenten: ■ 1

2


1 of 2 Ja ■ Neen


UITBATING VAN OFFSHORE WINDPARKEN IN EEN MARKT CONTEXT Contactpersoon: Cedric De Jonghe Omschrijving Het Climate and Energy Package waar Europa recentelijk mee naar buiten is getreden, vormt een nieuwe stimulans voor hernieuwbare energie productietechnologieën. Het potentieel voor offshore windenergie biedt in deze context veel perspectieven. Daarnaast hecht Europa nog steeds veel aandacht aan het functioneren van de elektriciteitsmarkt. Een toename van de interconnectie capaciteit wordt regelmatig aangehaald als mogelijk middel om inefficiënties uit de markt te helpen bannen. De vraag is nu welke opportuniteiten de combinatie van bovenvermelde technologieën creëren. Biedt een aansluiten van een offshore windpark op een VSC HVDC interconnectie zoals bijv. Estlink of een eventuele verbinding tussen België en de UK meer mogelijkheden dan het gescheiden gebruik hiervan. Kennis van zowel de technologische mogelijkheden van HVDC als van de elektriciteitsproductie en mogelijke ancillary services geboden door windturbines vormen in deze thesis de input voor een optimalisatie van het gecombineerd gebruik ervan.

Referenties G. Brunekreeft, K. Neuhoff and D. Newbery, “Electricity transmission: An overview of the current debate”, Utilities Policy, Volume 13, Issue 2, pp 73-93, June 2005. P. R. Kleindorfer, D.J. Wu and C.S. Fernando, “Strategic gaming in electric power markets,” European Journal of Operational Research, Volume 130, Issue1, pp 156-168, April 2001.

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen


ONTWERP VAN DE CONTROLE VAN EEN SYNCHRONE MACHINE Contactpersoon: D.Bekaert Omschrijving Ontwerp de controle van een synchrone machine om deze van het net te benaderen: Met andere woorden: zorg ervoor dat de synchrone machines in het labo werken als in het net: met governor, voltage regulator, en indien mogelijk primaire, secundaire en tertiaire controle. Zo kan de controller voor een waterkracht centrale, een nucleaire, of windpark,… geïmplementeerd worden. De controllers moeten flexibel zijn zodat door middel van het aanpassen van een aantal parameters de dynamische karakteristieken van de machine veranderen. Als resultaat moet deze controle gebouwd worden in het labo. Dit kan dan gebruikt worden om in het labo de verschillende synchrone machines aan elkaar te koppelen en een "echt net" te bouwen. Deze thesis is geschikt voor één of twee studenten die vlot zijn op het gebied van hardware implementatie als van programmatie.

Referenties Ion Boldea, Synchronous Generators, Taylor&Francis, 2006 Design a Digital Speed Governor for a Laboratory Synchronous Machine (http://innovexpo.itee.uq.edu.au/2001/projects/s804413/thesis.pdf) Control system for AVR and Governor of Synchronous (http://innovexpo.itee.uq.edu.au/2003/exhibits/s4021779/thesis.pdf)

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen

Machine


RISK ANALYSES IN THE FRAMEWORK OF POWER SYSTEM PLANNING (GRID EXPANSION) Contactpersoon: D.Bekaert, P.Buijs, P.Van Roy (Elia) Omschrijving The objective of this study is manifold: 1. survey of the risk models used or developed by the TSOs for system planning purposes 2. adavantages and disadvantages of those models 3. proposal of practical/pragmatic approach to be used in the case of Elia 4. simulation of the different models in the case of Elia and comparison In this study, one should focus mainly on risks in terms of security of supply. In the classical approach, i.e. the deterministic approach, risks are not very well apprehended. Problems are identified and fixed but priorities cannot be defined in an objective and transparent way. Therefore TSOs have decided to implement some risk approaches to quantify as objectively as possible the consequences of those problems. Dit eindwerk wordt uitgevoerd in samenwerking met Elia.

Referenties Beschrijving project Elia Wenyuan Li, Risk Assessment Of Power Systems: Models, Methods, and Applications, January 2005, Wiley-IEEE Press Kirschen D., Strbac G., fundamentals of power system economics (Chapter 8), John Wiley & Sons, Ltd, 2004

Aantal studenten: 1 2 Thesis in het Engels noodzakelijk:

1 of 2 Neen Ja


VERGELIJKING VAN COMMERCIËLE SOFTWAREPAKETTEN VOOR HET BESTUDEREN VAN INDUCTIEVERWARMING

Contactpersoon: Dietrich Hectors Omschrijving Het gebruik van numerieke software in het ontwerp en het bestuderen van inductieverwarming is tegenwoordig onontbeerlijk. Er zijn dan ook tientallen commerciële numerieke softwarepakketten beschikbaar. Bij verschillende bedrijven, universiteiten en onderzoeksinstellingen is er meestal maar één softwarepakket ter beschikking. Dit eindwerk heeft tot doel verschillende commerciële softwarepakketten voor het simuleren van inductieverwarming te vergelijken. De afdeling ELECTA heeft MagNet/Thermnet en COMSOL ter beschikking voor het simuleren van elektromagnetisme gekoppeld met warmteoverdracht. Voor dit eindwerk kunnen van verschillende andere pakketten (Flux, …) ook trial versions verkregen worden, zodat redelijk wat pakketten vergeleken kunnen worden.De vergelijking kan gebeuren aan de hand van verschillende case studies: een kleine hoogfrequente module (levitatiespoel), een grote laagfrequente machine (kanaal-inductieoven), … De verschillende beoordelingsparameters voor de software zijn de nauwkeurigheid van de resultaten, de gebruiksvriendelijkheid van de software, de instaptijd van software… De kennis die de studenten opgebouwd hebben in de vakken Elektrothermie en Numerieke methodes is voldoende als voorkennis.

Referenties www.infolytica.com www.comsol.com www.cedrat-groupe.com

Hectors D., Van Reusel K., Driesen J.: "Numerical solution of a hot spot problem of the housing of a channel induction furnace," Seventh International Symposium on Electric and Magnetic Fields From Numerical Models to Industrial applications, Aussois, 2006 A. Della Savia: “Induction Heating of Samples in Vacuum Systems”, Comsol Users Conference 2007 Grenoble. M. Bullo, F. Dughiero, M. Forzan, S. Lupi: “Laboratory Prototype of Double Frequency longitudinal Electromagnetic Levitator for Levitation Melting”, International Scientific Colloquium, Modelling for Material Processing, Riga, 2006

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja X Neen


DE IMPACT VAN DISTRIBUTIENETTEN

DECENTRALE

ENERGIEOPSLAG

IN

Contactpersoon: E. Haesen, J. Driesen Omschrijving Het stijgend aandeel decentrale energiebronnen in het MV en LV net veroorzaakt een verschuiving van passief uitgebate naar actieve netwerken. Een extreem scenario hierin is het ontstaan van microgrids waarin lokaal kleine energiebronnen en al dan niet controleerbare lasten interageren en waar in geval van faling in het hogerop gelegen netwerk het microgrid kan ontkoppelen. In dit scenario van actieve netwerken en microgrids wordt veel aandacht gevestigd op het gebruik van kleine energieopslageenheden. Dit laat toe om het productieprofiel van oncontroleerbare bronnen uit te vlakken en/of de onzekerheid hierop te verminderen, in te spelen op energiemarkten of zelfs het versterken van het distributienetwerk omwille van groei van de aangesloten belasting uit te stellen. Het analyseren van veel van deze toepassingsmogelijkheden in distributienetten bevindt zich nog in de krijtbordfase. Het combineren van een hernieuwbare energiebron met een opslageenheid wordt een steeds vaker voorkomende toepassing. Op netwerkniveau blijven vraagtekens bestaan. Het doel van dit eindwerk is na te gaan aan de hand van enkele actieve netwerkscenario’s in welke mate de integratie van energieopslag nuttig of vereist is en in welke mate veel in de literatuur vermelde toepassingen mogelijk conflicteren. Hoe bepalend zijn de specifieke types lokale energieopwekking, de controleerbaarheid van lasten, de netwerktopologie, de onzekerheid van vermogeninjecties, de opslaggrootte etc? Hoe dienen deze opslageenheden gestuurd te worden?

Referenties [1] J. M. Eyer, J. J. Iannucci, G.P. Corey, “Energy Storage Benefits and Market Analysis Handbook,” Sandia Laboratories, Report SAND 2004-6177, 2004

[2] Pedram Mokrian, Moff Stephen, “A Stochastic Programming Framework for the Valuation of Electricity Storage,” 26th USAEE/IAEE North American Conference, September 24-27, 2006 [3] G.A.Koeppel, “Reliability Considerations of Future Energy Systems: Multi-Carrier Systems and the Effect of Energy Storage,” PhD Dissertation, ETH, Zurich, Switzerland, 2007

Aantal studenten:

X1

2


1 of 2 Ja

; Neen


MODELLERING VAN ENERGY HARVESTERS. Contactpersoon: R. D’hulst, J.Driesen Omschrijving “Energy Harvesters” zijn kleine toestelletjes die energie uit de omgeving omzetten tot bruikbare elektrische energie. Ze worden ontworpen om batterijen te vervangen in bijvoorbeeld draadloze toepassingen. Wij focussen op harvesters die vibraties omzetten: een massa in de harvester gaat trillen, en die is gekoppeld met een elektromechanische transducer (een elektrostatische, elektromechanische of piezo-elektrische transducer) die de trillingsenergie omzet tot elektrische energie [1]. In essentie is dit soort harvester een massa-veer-demper systeem, de elektromechanische transducer wordt in de literatuur op verschillende manieren gemodelleerd (zie oa. [2]). Verschillende softwarepakketten kunnen gebruikt worden voor het implementeren van de modellen, Spice is bijvoorbeeld populair, omdat elektronische circuits direct aan het model gekoppeld kunnen worden (zie de Simulation Toolbox van Imperial College Londen [3]). Simulink kan dan weer handig zijn omdat controle heel eenvoudig te implementeren is, bovendien bestaan modules (vb. PLECS) die elektronische componenten in een Simulink schema kunnen integreren. Een eindige-elementen model tenslotte is het meest nauwkeurig, de vraag is natuurlijk in hoeverre deze nauwkeurigheid nodig is. De bedoeling van de thesis wordt het vergelijken van verschillende modellen, en dit in de verschillende softwarepakketten die we beschikbaar hebben. De thesis loopt in samenwerking met de PowerMEMS-group van Imperial College London.

Referenties [1] P. Mitcheson, T. Green, E. Yeatman, and A. Holmes, “Architectures for vibrationdriven micropower generators,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 13, no. 3, pp. 429–440, 2004. [2] T. Sterken, K. Baert, C. Van Hoof, R. Puers, G. Borghs, and P. Fiorini,“Comparative modelling for vibration scavengers [MEMS energyscavengers],” in Sensors, 2004. Proceedings of IEEE, Oct. 2004, pp.1249–1252.

[3] G. Kondala Rao, P. D. Mitcheson, and T. C. Green, “Simulation toolkit for energy scavenging inertial micro power generators,” in The Seventh International workshop on Micro and Nanotechnology for power generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS), Freiburg, Germany, 2007, pp. 137 – 140.

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen


MULTIPHASE DTC FOR INCREASED RELIABILITY Contactpersoon: Jan Verveckken Omschrijving The induction machine is a very reliable machine. It is often fed by converters to realize precise power, torque or speed control. The reliability of the converter is lower than that of the machine. When loosing one fase, the converter can no longer create a rotating electric field in the machine, greatly diminishing the efficiency and torque output of the motor. The number of phases is not the highest cost of the converter, therefor a trend exists to create multi phase machines and converters. When faults occur, and control of one or more phases is lost, the converter is still able to produce a rotating field, al be it with higher harmonic compounds. Existing controls for these motor drives are often simplified, realizing 2 times a three phase control. This simplification makes the drives suboptimal. The topic of this research would be to realize a six phase direct torque control or field oriented control, with emphasis on the reliability and robustness. Loss of converter legs should be coped with optimally. A true multiphase DTC algorithm must be implemented. Interesting problems are detection of phase errors, optimal control for arbitrary phases, sensorless control, harmonics control with arbitrary phase losses.

Referenties Formal Derivation of Direct Torque Control For Induction Machines, Zakdy Sorchini, Philip T Krein, Transactions on power electronics, vol 21 no 5 September 2005 Disturbance-Free Operation of a Six-Phase AC Motor Drive System, CB Jacobima et al, IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen Germany 2004 Novel Direct Flux and Direct Torque Control of Six-Phase Induction Machine With Nearly Square Air-Gap Flux Density, Yong-Le Ai et al, Transactions on Industry Applications, vol 43, no 6, November/December 2007 Induction Motor performance as a function of phase number, JM Apsley et al, IEE Proceedings of Electrical Power Applications, Vol 153, No 6, November 2006

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja Neen


STATE OF THE ART VHF 3 PHASE CONVERTER Contactpersoon: Jan Verveckken, Pieter Jacqmaer Omschrijving High frequency power electronics are currently limited to DC DC applications. The higher the output frequency can be made, the smaller passive components for filters can be chosen to be. Because the applications are of very low complexity, and the high frequency is used to lower the cost, not to improve control, these applications are often PWM controlled, and the control signal is updated at a lower pace than the switching frequency. In the near future, SiC and GaN switching components will make higher switching frequencies for high power applications like motor drives possible. For these drives, the advantages of the high frequency can be found in the dimensioning of the passive components, but also in the use of the higher frequency to create higher control dynamics.These applications do require a higher frequency of control to achieve this, and adapting control within frequency should be possible. The research task here proposed is to construct a three phase power converter, switching at 1 MHz or higher frequency, controlled within switching period. Difficulties will lie in designing the sensors and controls for this bandwith, closing the feedback loop.

Referenties Transistor selection and design of a VHF DC-DC power converter, David J. Perrault et al, Transactions on power electronics, vol 23, no 1, January 2008 A 1 MHz hard switched Silicon Carbide DC-DC converter, Ahmed M Abou-Alfotouh et al, Transactions on power electronics, vol 21 no4 july 2006

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja Neen


REDUCED SWITCH COUNT DUAL DRIVE Contactpersoon: Jan Verveckken Omschrijving Induction machines in demanding industrial applications are driven by power electronic converters. In applications that require driving multiple machines, a straightforward solution is the replication of such drive-motor combinations. The cost of these converters matches the cost of the induction machines. To reduce costs, it is possible to combine multiple machine applications and inverters, and thereby reducing the number of separate inverters. It is also possible to reduce the number of switching components, by using branches of the converter for multiple applications. A two motor drive can be realized by only 5 half-bridges, instead of 6, reducing cost of passive and of switching components. The research task will be to construct such an 5leg 6phase drive, and study the effects of different loads and frequencies, or even generator – motor mode. Special attention should be paid to the neutral voltage and harmonics. Are the benefits for efficiency and filtering clear in this topology ?

Referenties Reduced Switch Count Multiple Three Phase AC Machine Drive Systems, Cursino Brandao Jacobina et al, Transactions on Power Electronics Dual AC-Drive System with a reduced Switch Count, Enrique Ledezma, Transactions on Industry applications, vol 37, no5, September/October 2001

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja Neen


VERGELIJKING VAN VERMOGENFILTERS

REGELALGORITMES

VOOR

ACTIEVE

Contactpersoon: Kristof Engelen, Tom Loix Omschrijving Actieve vermogenfilters hebben tot doel de grootte van de spannings- en stroomharmonischen in een elektrische installatie te verminderen en eventueel ook reactief vermogen te compenseren. Ten gevolge van spannings- en stroomharmonischen kan de betrouwbaarheid van gevoelige toestellen in het gedrang komen, neemt de levensduur van de verscheidene netelementen af en daalt het veiligheidsniveau van de elektrische installatie. Het reactieve vermogen dat uitgewisseld wordt met het elektriciteitsnet draagt niet bij tot een netto energieoverdracht, maar veroorzaakt wel extra verliezen. Doorheen de jaren zijn er talloze regelalgoritmen voor actieve filters voorgesteld. Een belangrijke familie van algoritmes is gebaseerd op de “Instantaneous Power Theory” van Akagi en Nabae. In deze thesis worden de verschillende algoritmen geïdentificeerd en vergeleken. De belangrijkste algoritmes, in het bijzonder die van Akagi – Nabae, worden in het labo geïmplementeerd. Enkele belangrijke vergelijkingscriteria zijn: de rekencomplexiteit, de snelheid van de regeling, de benodigde energieopslagcapaciteit, de THD, robustheid, enz... Er moet ook rekening gehouden worden met het effect van spanningsdistortie en onbalans. Verder wordt onder meer ook nog gekeken naar de verschillen tussen, en de toepassingsgebieden van, serie en shunt alsook drie- en vierdraads actieve filters.

Referenties [1] B. Singh, K. Al-Haddad and A. Chandra, “A Review of Active Filters for Power Quality Improvement”, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 46, no. 5, Oct. 1999.

[2] H. Akagi, S. Ogasawara and H. Kim, “The Theory of Instantaneous Power in Threephase Four-Wire Systems: A Comprehensive Approach”, Proceedings of IEEE Industry Applications Conference, Phoenix, USA, Oct. 1999, vol. 1, pp. 431-439. [3] H. Akagi, "New trends in active filters for improving power quality", Proc. IEEE PEDES'96, 1996.

Aantal studenten:

X1

2


1 of 2 Ja X Neen


POTENTIËLE BIJDRAGE VAN GECONTRACTEERDE AFSCHAKELBARE KLANTEN TOT MANAGEMENT

EVENWICHTSHANDHAVING

EN

CONGESTIE

Idee van: Leen Vandezande Omschrijving Electriciteit kan niet opgeslagen worden. Daarom moeten vraag en aanbod op elk ogenblik in evenwicht zijn. Bovendien kan electriciteit niet onbeperkt getransporteerd worden gezien de gelimiteerde capaciteit van de lijnen. Hiertoe koopt de netwerkbeheerder diensten aan. Hoofdzakelijk worden deze diensten geleverd door generatoren die hiervoor reservecapaciteit aanhouden. Het is echter ook mogelijk onevenwichten en overbelaste lijjnen het hoofd te bieden door een beroep te doen op de vraagzijde. Bepaalde eindgebruikers van electriciteit zullen immers – tegen een bepaalde prijs – bereid zijn hun verbruik tijdelijk te verminderen. Het contracteren van de vraag als extra reserve biedt een dubbel voordeel voor de netwerkbeheerder. Enerzijds zal hij efficiënter kunnen reageren in geval van frequentieafwijkingen of zwaar belaste lijnen. Anderzijds zorgen deze extra reserves voor meer competitie op de markt voor regelvermogen, waardoor de kostprijs om deze diensten aan te kopen zal dalen. In België is de bijdrage van de vraag tot de evenwichtshandhaving en het management van congesties tot nog toe vrij beperkt. Het opstellen van een model dat het potentieel van gecontracteerde afschakelbare klanten in België simuleert, bv. als extra reserve voor het accommoderen van toekomstige windparken, zou een mogelijke invulling kunnen zijn van dit eindwerk.

Aantal studenten: ; 1

Referenties [1] ETSO (2007). Demand response as a recource for the adequacy and operational reliability of the power systems. Explanatory note, beschikbaar op http://www.etsonet.org/upload/documents/Demand%20Side%20Response%20Explanatory%20Note.pdf [2] Anh Tuan L., Bhattacharya K. and Daalder J. (2005). Transmission congestion management in bilateral markets: An interruptible load auction solution. Electric Power Systems Research, Vol 74(3), pp 379-389 [3] Heffner G., Goldman C., Kirby B. and Kitner-Meyer M. (2007). Loads Providing Ancillary Services: Review of International Experience. Ernesto Orlando Lawrence Berkeley national Laboratory, beschikbaar op http://certs.lbl.gov/pdf/62701.pdf


ONTWIKKELING VAN EEN MEETTOESTEL VOOR DETECTIE EN LOKALISERING VAN PARTIËLE ONTLADINGEN

Contactpersoon: Peter Tant Omschrijving Inwendige of uitwendige partiële ontladingen (PO) treden op wanneer de veldsterkte op een bepaalde locatie de kritische veldsterkte van lucht overschrijdt, en komen vaak voor in elektrische apparatuur die aan hoogspanning onderhevig is (transformatoren,…). De standaard meetmethode voor PO, die ook in ons hoogspanningslabo wordt gebruikt, is gebaseerd op een meting van de ladingsverschuivingen die door de PO worden teweeggebracht. Dit laat enkel toe om het type (inwendig/uitwendig) en de absolute waarde (in pC) van de partiële ontladingen te bepalen. Een meer gedetailleerde kwalificatie van de ontladingen is niet mogelijk. Bovendien is er ook geen informatie beschikbaar over de exacte locatie van de PO in het proefstuk. Deze kwalitatieve gegevens zijn nochtans belangrijk bij onderzoek naar de oorzaak van de ontladingen. Andere meetmethodes, bijvoorbeeld gebaseerd op elektromagnetische metingen, luisteren met een antenne naar het hoogfrequente spectrum dat door de partiële ontladingen wordt geproduceerd. Dit levert een zgn. “fingerprint” van de PO op, met veel kwalitatieve informatie. De fingerprint kan vergeleken worden met bekende, of vroeger reeds opgenomen patronen in een database. Het proefstuk kan eventueel met de antenne afgescand worden, op zoek naar het aangrijpingspunt van de ontladingen. Het doel van de thesis is om de verschillende meetmogelijkheden te onderzoeken, en een meettoestel- of methode te ontwikkelen die kwalitatieve informatie geeft over PO die optreden. Het meettoestel kan uiteindelijk in het hoogspanningslabo ingezet worden, naast de bestaande meetopstelling die kwantitatieve informatie levert.

Referenties [1]

T. Ozaki, K. Abe, T. Omemura, “Partial Discharge Detection Using a Ferrite Antenna,” Proc. IEEE Int. Symp. on Electrical Insulation, June 1992, pp. 371-374.

[2]

[3]

[4] [5]

M.D. Judd, S.D.J. McArthur, A.J. Reid, V.M. Catterson, Li Yang, B. Jacobson, K.O. Svensson, M. Gunnarsson, “Investigation of radiometric partial discharge detection for use in switched HVDC testing,” IEEE Power Engineering Society General Meeting, June 2006, 7 p. V. Mentlik, J. Pihera, P. Trnka, P. Martinek, “Partial Discharge Potential Free Test Methods,” IEEE Conf. On Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Oct. 2006, pp. 586-589. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4479 http://www.haefely.com/pdf/solutions/DSWpaper.pdf

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja Neen


ONTSTEKINGSGEDRAG VAN HOGE-DRUK GASONTLADINGSLAMPEN BIJ EXTREEM HOGE OF LAGE FREQUENTIES

Contactpersoon: Peter Tant Omschrijving Hoge-druk gasontladingslampen (HID-lampen, waaronder bv. metaalhalide lampen en kwikdamplampen) bieden een aantal voordelen t.o.v. andere verlichtingsmethodes: ze bezitten onder andere een hoge levensduur en een beter rendement. Dit type lampen heeft wel een hoge ontsteekspanning nodig van typisch 1 tot 4 kV in koude toestand. Bovendien is de vereiste ontsteekspanning veel hoger voor een lamp in warme toestand (een net uitgeschakelde lamp), wat het herinschakelen van de lamp bemoeilijkt. De hoge spanningen zorgen voor een aantal constructietechnische problemen (isolatie, opwekken van de hoogspanning,…) en zijn ongewenst. Hoe lager de ontsteekspanning, hoe beter… De ontsteekspanning wordt meestal via een resonant circuit opgewekt, en is ofwel sinusoïdaal van vorm (frequentiebereik 10-300 kHz), ofwel gepulst (een reeks korte pulsen na elkaar). Men kan zich afvragen of de lamp misschien beter ontsteekt (dus een lagere ontsteekspanning bezit om de een of andere reden) bij lagere of hogere frequenties dan het traditionele bereik van 10-300kHz. Meer concreet, hoe is het ontstekingsgedrag van de lamp bij het aanleggen van een DC-spanning, een spanning in het MHz gebied, in het microgolfgebied,…? Verschilt de benodigde ontsteekspanning sterk t.o.v. de spanning bij 10-300kHz? Om dit te achterhalen kunnen enkele testopstellingen ontwikkeld en gebouwd worden die praktische proeven op HID lampen toelaten. Een tweede luik van de thesis bestaat erin te onderzoeken hoe de alternatieve spanningsvormen gegenereerd kunnen worden (met een vermogenelektronische schakeling,…?) en hoe de praktische realisatie er kan uitzien. Is de oplossing compact genoeg? Hoe interageert het ontstekingscircuit met het ballastcircuit, en vice versa? Hoe gedraagt het ontstekingssysteem zich naar de omgeving toe, en zijn er normen die gerespecteerd moeten worden?

Referenties [1] [2]

[3]

W.W. Byszewskiy, Y.M. Liy, A.B. Budingery, P.D. Gregor, “Advances in starting highintensity discharge lamps,” Plasma Sources Sci. Technol., No. 5, 1996, pp. 720–735. B. Siessegger, H. Guldner, G. Hirschmann, “Ignition Concepts for High Frequency Operated HID Lamps,” IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2005, pp. 1500 – 1506. E. Kuffel, W.S. Zaengl, J. Kuffel, High Voltage Engineering: Fundamentals. ButterworthHeinemann, 2000, 539p.

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja Neen


MODELLERING EN ADAPTIEVE REGELING VAN CAB Contactpersoon: Pieter Vermeyen Omschrijving Centrale afstandsbediening (CAB) is het systeem waarbij met laagfrequente signalen (tussen 125 en 3000 Hz, in dit eindwerk: 175 Hz) via de fasegeleiders van het distributienet bepaalde systemen van op afstand bediend worden. Voorbeelden zijn straatverlichting, energiemeters en boilers. De signalen worden geïnjecteerd op MS en dringen door in alle delen van het distributienet (op MS en LS). De regeling van de signaalinjectie heeft tot doel een goede signaalsterkte stroomafwaarts te realiseren, en lek naar het HS-net (stroomopwaarts) te minimaliseren. Het weglekken van signalen naar het HS-net vormt immers een verlies van signaalvermogen en mogelijke storing van de CAB in naburige distributienetten. Momenteel gebeurt de instelling van het signaalvermogen op empirische wijze, op één ogenblik van het jaar, voor een gegeven structuur en belasting van het net. Het doel van dit eindwerk is de ontwikkeling van een regelsysteem dat een optimale signaaloverdracht mogelijk maakt, ongeacht de belasting en de structuur van het netwerk. Het injectiesysteem en het net moeten gemodelleerd worden. Hiermee kunnen loadflowberekeningen op 175 Hz uitgevoerd worden. Constante regeling kan vergeleken worden met variabele, adaptieve regeling. De effecten van de toestand van het net op het CAB-signaal kunnen bestudeerd worden voor verschillende gevallen: bij het installeren van nieuwe kabels, een nieuwe transformator, windturbines,…

Referenties Vermeyen P., Driesen J., Belmans R.: “Impedance of Inverter Front-Ends at the Frequency of Ripple-Control Signal,” CIRED 2007, 19th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, Vienna, Austria, 21-24 May, 2007; 4 pages.

U. Köntges, “Integration of a ripple control system for the switching of electric night storage heating in a network control system,” Power Industry Computer Application Conference, 7-10 May 1991, pp. 38 – 44. W. Xu, G. Zhang, C. Li, W. Wang, G. Wang, and J. Kliber, “A power line signaling based technique for anti-islanding protection of distributed generators—part I: scheme and analysis,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, no. 3, July 2007. E. R. Paessler, Rundsteuertechnik, Publicis MCD Verlag, Erlangen, Germany, 1994. (Duits boek; ELECTA 1037)

Aantal studenten: 1

2


1 of 2 Ja Neen


ANALYSE VAN DE ‘VALUE OF LOST LOAD’ OF DE KOSTEN VAN SPANNINGSONDERBREKINGEN EN SPANNINGSDIPS ELEKTRICITIETSVERBRUIKERS IN BELGIË

VOOR

DE

Contactpersoon: Patrik Buijs Omschrijving Het huidige elektriciteitssysteem lijdt onder een stijgende kwetsbaarheidsparadox. Enerzijds wordt meer en meer vertrouwd op de levering van elektriciteit, anderzijds stijgen tegelijkertijd de kosten als gevolg van onderbrekingen. Een goed inzicht hebben in de structuur en de grootte van die kosten is essentieel voor een goed beheer. Immers, als de kosten voor een veiliger systeem hoger zijn dan de opbrengsten ervan is het niet rationeel hierin te investeren. Verder zijn er vaak onbenutte kansen om bij de gebruikers zelf de kosten van onderbrekingen te doen afnemen op een goedkopere manier dan bijvoorbeeld de levering zelf veiliger te maken. Deze thesis heeft dan ook als doel een inzicht te verwerven in de kosten van een spanningsonderbreking bij de Belgische netgebruikers. Een bottom-up benadering, startend bij de gebruikers zelf, wordt beoogd. Dit eindwerk wordt uitgevoerd in samenwerking met Elia.

Referenties -

-

Projectvoorstel Elia Caves D.W., Herriges J.A. & Windle R.J. (1990) Customer demand for service in reliability in the electric power industry: a synthesis of outage cost literature, Bulletin of Economic Research, 42, pp79-119 Federaal Planbureau (2004) Een kink in de kabel: de kosten van een storing in de stroomvoorziening, Working Paper 18-04 SEO Economisch Onderzoek (2005b) Valuation of the quality of the electricity grid – Power outages have a price too, Discussion Paper no. 41

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen


DE VERHUIS VAN ELEKTRICITEITSCENTRALES: ANALYSE VAN TRANSPORTKOSTEN EN LOCATIONELE ELEKTRICITEITSPRIJZEN

Contactpersoon: Patrik Buijs Omschrijving Elektriciteitscentrales zijn vaak terug te vinden op plaatsen waar ze eenvoudig toegang hebben tot primaire grondstoffen. De oude vindplaatsen van steenkool of gas in Europa geraken echter stilaan uitgeput of zijn niet meer economisch leefbaar. Het is daarom mogelijk dat veel centrales zullen verhuizen naar grote havens waar steenkool en gas makkelijker leverbaar is vergeleken met plaatsen meer landinwaarts. Ook grote windmolenparken zullen in of aan zee te vinden zijn. De grote vraagcentra zoals steden verplaatsen echter niet zomaar mee naar de havens. Enerzijds is het van belang na te gaan wat het kostenverschil is tussen aan de kust in een haven te produceren of daar waar de vraag zich bevindt. M.a.w. een vergelijking tussen transportkosten van elektriciteit en van primaire grondstoffen biedt een inzicht in mogelijke kostenbesparingen. Anderzijds is het interessant na te gaan wat het effect van een dergelijke evolutie is op locationele elektriciteitsprijzen. Momenteel kent België (net als de meeste andere Europese landen) één uniforme prijs voor elektriciteit, onafhankelijk in welke knoop je elektriciteit levert of afneemt. Wanneer centrales zich concentreren in havens en kuststreken en de vraag niet mee verhuist, is de kans op congestie in het net groter. Congestie brengt een kost met zich mee en creëert dan ook locationele prijsverschillen. Deze thesis probeert via twee invalshoeken een inzicht te verschaffen in de kosten en opbrengsten van een nieuw vestigingspatroon voor elektriciteitscentrales.

Referenties - Leuthold F., Rumiantseva I., Weigt H., Jeske T., von Hirschhausen C. (2005) Nodal Pricing in the German Electricity Sector – A Welfare Economics Analysis, with Particular Reference to Implementing Offshore Wind Capacities

- Bergerson J., Lave L. (2005) Should We Transport Coal, Gas or Electricity: Cost, Efficiency & Environmental Implications - Van Dommelen D. (2001) Productie, transport en distributie van elektriciteit, Acco

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen

Eindwerkidee Master Energie Nr: 52 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel “PROCESS IMMUNITY TIME” – DE WERKBAARHEID VAN EEN VOEREN POWER QUALITY BEGRIP UITGETEST OP ENKELE

NIEUW IN TE INDUSTRIËLE

SECTOREN

Contactpersoon: Koen Van Reusel Omschrijving Een internationale expertengroep bereidt in opdracht van CIGRE/CIRED/UIE een document voor “Voltage Dip Immunity of Equipment used in Installations”. In dit document zal een nieuw Power Quality begrip gedefinieerd worden. “Process Immunity Time” is het nieuwe sleutelbegrip in een methode die uitgewerkt wordt om een gedetailleerd zicht te krijgen op de immuniteit voor spanningsdips van een industrieel proces. De bedoeling van het voorgestelde eindwerk is om deze voorgestelde methode concreet uit te testen op enkele industriële sectoren (chemie, textiel, metaal, agro-voeding, …). Is de voorgestelde methode universeel bruikbaar? Leidt de methode tot een aangepaste strategie om het proces schadevrij stil te leggen? Vergemakkelijkt de methode de coördinatie tussen de elektrotechnisch ingenieur enerzijds en productie verantwoordelijken anderzijds? … Als voorstudie zal kennis worden genomen van de teksten die de internationale CIGRE/CIRED/UIE werkgroep reeds geproduceerd heeft. Als eigenlijke start voor het “veldwerk” zal contact worden genomen met de Power Quality verantwoordelijke bij DOW Terneuzen (chemische industrie). Vervolgens zullen andere industriële sectoren onderzocht worden.

Referenties Website van de werkgroep (vertrouwelijk, kan pas later meegedeeld worden).


ANALYSE VAN MODEL-REDUCTIE METHODES VOOR DISTRIBUTIENETTEN MET GEDISTRIBUEERDE EENHEDEN. Contactpersoon: Ratmir Gelagaev, Johan Driesen Omschrijving Distributienetten zijn complexe en niet-lineaire systemen. De bedoeling van deze thesis is het op zoek gaan naar alle model-reductie methodes die gebruikt kunnen worden om de modellen van distributienetten met gedistribueerde eenheden te reduceren. Voorbeelden hiervan zijn: a) Singuliere Waarden Ontbinding (SWO) gebaseerd op gebalanceerde of Hankel-norm benadering. b) Krylov model-reductie methode. c) SWO – Krylov model-reductie methode. d) … De student ontwikkelt een model van een distributienet met gedistribueerde eenheden waarop de verschillende model-reductie methodes toegepast worden. De keuze van het distributienet met gedistribueerde eenheden moet toelaten om de algemene besluiten te kunnen trekken over de toegepaste methodes. Een grondige kennis van lineaire algebra en MATLAB is vereist.

Referenties http://www.cis.rit.edu/~ejipci/Reports/svd.pdf http://ieeexplore.ieee.org/iel5/10559/33412/01583106.pdf http://ieeexplore.ieee.org/iel3/4033/11975/00552288.pdf

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen


MODELLERING VAN ENERGY HARVESTERS. Contactpersoon: R. D’hulst, J.Driesen Omschrijving “Energy Harvesters” zijn kleine toestelletjes die energie uit de omgeving omzetten tot bruikbare elektrische energie. Ze worden ontworpen om batterijen te vervangen in bijvoorbeeld draadloze toepassingen. Wij focussen op harvesters die vibraties omzetten: een massa in de harvester gaat trillen, en die is gekoppeld met een elektromechanische transducer (een elektrostatische, elektromechanische of piezo-elektrische transducer) die de trillingsenergie omzet tot elektrische energie [1]. In essentie is dit soort harvester een massa-veer-demper systeem, de elektromechanische transducer wordt in de literatuur op verschillende manieren gemodelleerd (zie oa. [2]). Verschillende softwarepakketten kunnen gebruikt worden voor het implementeren van de modellen, Spice is bijvoorbeeld populair, omdat elektronische circuits direct aan het model gekoppeld kunnen worden (zie de Simulation Toolbox van Imperial College Londen [3]). Simulink kan dan weer handig zijn omdat controle heel eenvoudig te implementeren is, bovendien bestaan modules (vb. PLECS) die elektronische componenten in een Simulink schema kunnen integreren. Een eindige-elementen model tenslotte is het meest nauwkeurig, de vraag is natuurlijk in hoeverre deze nauwkeurigheid nodig is. De bedoeling van de thesis wordt het vergelijken van verschillende modellen, en dit in de verschillende softwarepakketten die we beschikbaar hebben. De thesis loopt in samenwerking met de PowerMEMS-group van Imperial College London.

Referenties [1] P. Mitcheson, T. Green, E. Yeatman, and A. Holmes, “Architectures for vibrationdriven micropower generators,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 13, no. 3, pp. 429–440, 2004. [2] T. Sterken, K. Baert, C. Van Hoof, R. Puers, G. Borghs, and P. Fiorini,“Comparative modelling for vibration scavengers [MEMS energyscavengers],” in Sensors, 2004. Proceedings of IEEE, Oct. 2004, pp.1249–1252.

[3] G. Kondala Rao, P. D. Mitcheson, and T. C. Green, “Simulation toolkit for energy scavenging inertial micro power generators,” in The Seventh International workshop on Micro and Nanotechnology for power generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS), Freiburg, Germany, 2007, pp. 137 – 140.

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen


AUTONOOM SENSORPLATFORM ZONDER BATTERIJEN Contactpersoon: R. D’hulst, J.Driesen Omschrijving “Energy Harvesters” zijn kleine toestelletjes die energie uit de omgeving omzetten tot bruikbare elektrische energie. Ze worden ontworpen om batterijen te vervangen in bijvoorbeeld draadloze toepassingen. Wij focussen op harvesters die vibraties omzetten: een massa in de harvester gaat trillen, en die is gekoppeld met een elektromechanische transducer (een elektrostatische, elektromechanische of piezo-elektrische transducer) die de trillingsenergie omzet tot elektrische energie [1]. Op IMEC werden de voorbije jaren een aantal harvesters ontwikkeld [2], en nu zouden we die harvesters graag ingebouwd zien in een werkende opstelling, bijvoorbeeld een draadloos sensorplatform dat volledig autonoom werkt, gebruik makend van de energie uit een harvester. In de literatuur zijn een aantal beschrijvingen van dergelijke eenvoudige demo-opstellingen te vinden, zie onder andere [3]. Het uiteindelijke doel van de thesis wordt een dergelijk systeem werkend te krijgen.

Referenties [1] P. Mitcheson, T. Green, E. Yeatman, and A. Holmes, “Architectures for vibrationdriven micropower generators,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 13, no. 3, pp. 429–440, 2004. [2] M. Renaud, T. Sterken, A. Schmitz, P. Fiorini, C. Van Hoof, R. Puers, “Piezoelectric Harvesters and MEMS Technology : Fabrication, Modeling and Measurements” Proc. of Transducers ‘07, Lyon, France, June 10-14, 2007. [3] D. Maurath, T.Hehn, D. Spreemann, Y. Manoli “An Autonomous Wireless Sensor Platform based on Microgenerators,” in The Seventh International workshop on Micro and Nanotechnology for power generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS), Freiburg, Germany, 2007, pp. 137 – 140.

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen


SMALL-SIGNAL STABILITY OF VSC HVDC Contactpersoon: S. Cole Omschrijving The Voltage Sourced Converter High Voltage Direct Current system (VSC HVDC) is the ultimate flexible network component. VSC HVDC uses fast switches such as IGBTs, allowing full control of active and reactive power through a line. This has possibilities for power system stability. However, as it is a relatively new technology, much research is needed to understand the interactions of VSC HVDC and the power system. Small-signal stability deals with the ability of the system to remain stable after a small disturbance. The basic approach to analyze small-signal stability is to linearize the power system in an operating condition. Hence, a good theoretical foundation in linear system analysis is required. In this thesis, the small-signal stability of a VSC HVDC system in a grid is analyzed using a commercial-grade software package, PSS/E.

Aantal studenten:

■1

2

1 of 2

Referenties D. Jovcic, N. Pahalawaththa, and M. Zavahir, "Small Signal Analysis of HVDC-HVAC Interactions," IEEE Trans Power Delivery, vol. 14, no. 2, 1999. C. Zheng, X. Zhou, and R. Li, "Dynamic Modeling and Transient Simulation for VSC based HVDC in Multi-Machine System," Int. Conf. on Power System Technology, 2006. P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, New York, 1994.


INFLUENCE OF BELGIUM-UK DIRECT CURRENT INTERCONNECTION ON THE STABILITY OF THE BELGIAN GRID Contactpersoon: S. Cole and D. Bekaert Omschrijving The Voltage Sourced Converter High Voltage Direct Current system (VSC HVDC) is the ultimate flexible network component. VSC HVDC uses fast switches such as IGBTs, allowing full control of active and reactive power through a line. Due to its dynamic performance, VSC HVDC greatly influences system stability. A study will be performed on a real world example: the planned Belgium-UK interconnector. The thesis comprises three parts: - Modelling of the Belgian transmission system in the commercial-grade software package PSS/E; - Integration of VSC HVDC component in the network model; - Detailed transient stability analysis of the Belgian network

Aantal studenten:

■1

2

1 of 2

Referenties P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, New York, 1994.


BEHAVIOUR OF WIND POWER GENERATORS IN ISLANDING OR DURING A SHORT-CIRCUIT AND IMPACT ON THE PROTECTION PLANNING Contactpersoon: J. Driesen, C. Moors, P. Souto Omschrijving At the present time, Elia is the object of a number growing requests for coupling decentralized production units as wind power generators (or wind power plants). Besides the eventual impact of these unities on stability or on network driving, it is important to determine the consequences that they could induce on protection and control systems installed in the Belgian network. The objective of this thesis is to determine the behavior of some wind power generators (of which the coupling is planned on the Belgian network) in case of short circuit nearby of their point of common coupling or in case of islanding. According to the obtained results and/or affinities of the student: - Impact of the response in voltage/current of the wind power generators on the installed protections in the network. Injection of the simulated signals in relays of real protections (defined in accordance with the Elia requirements) by means of Comtrade data exchange; - Study of the behavior of the wind power generator during the islanding and evaluation of the risk of false parallel on the isolated network; Or - Research of an equivalent model allowing simulating the response of a wind power plant to different types of short circuits.

Referenties www.elia.be Pedersen et al. ‘Contribution to a dynamic wind turbine model validation from a wind farm islanding experiment’. Electric Power Systems Research, Volume 64, Issue 1, January 2003, Pages 41-51 Clemens Jauch et al. ‘Simulation of the impact of wind power on the transient fault behavior of the Nordic power system’. Electric Power Systems Research, Volume 77, Issue 2, February 2007, Pages 135-144 Tao Sun et al. ‘Transient stability of DFIG wind turbines at an external short-circuit fault’. Wind Energy. Volume 8, Issue 3, Date: July/September 2005, Pages: 345-360

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja X Neen


HARMONIZING THE GREEN CERTIFICATES SYSTEM IN BELGIUM. Contactpersoon: J. Driesen, P. Souto,... Omschrijving Electricity produced from Renewable Energy Sources is promoted by the government by means of Green Certificates. For every certain amount of kWh of electricity generated by Renewable Energy Sources the owner receives a green electricity certificate. Each certificate can then be exchanged by the grid manager for a certain guaranteed value. The complexity lays in the different application of this system in the three regions of Belgium. A green certificate means a different amount of kWh in Flanders and in Wallonia, but it also gets a different price when exchanged. This creates a market barrier, as the green certificates are not tradable between the different regions. Given the characteristics of the green certificates system in the different regions, the target is to analyze and compare the efficiency of the Flanders and Wallonia system according to the following criteria: ‘optimal market efficiency in the Belgian power market’, and ‘from the point of view of CO2 emissions’. Other criteria can also be added afterwards.

Referenties www.vreg.be www.cwape.be

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja X Neen


ONTWERP

VAN HET UITGANGSFILTER VERMOGENELEKTRONISCHE OMVORMER

VOOR

EEN

Contactpersoon: Tom Loix, Kristof Engelen Omschrijving Vermogenelektronische omvormers worden steeds meer gebruikt in netgekoppelde toepassingen. Door het schakelen van de IGBT’s of MOSFET’s genereert een omvormer echter hoogfrequente spannings- en stroomcomponenten, waarvan de impact en verspreiding op het net geminimaliseerd dient te worden. Dit is de taak van het uitgangsfilter. In dit eindwerk wordt dit filter nader bestudeerd. Niet enkel de filtertopologie (L, LC, LCL, LCLC, topologie met of zonder transformator,...), maar ook fenomenen met betrekking tot EMI, common-mode spanningen en verliezen dienen te worden beschouwd. Ook het onderwerp van de filtercomponenten (spoel, capaciteit, transformator) zelf wordt onder de loep genomen, daar dit een belangrijke invloed kan hebben op verliezen, grootte en performantie. De invloed van het filter op de regeling van de omvormer is verder ook een interessant onderzoekspunt, alsook de vraag hoe de filtervereisten en –parameters dienen te worden aangepast indien men aan steeds hogere frequenties kan gaan schakelen. In dit eindwerk kan gebruik gemaakt worden van de op de afdeling beschikbare simulatiepakketten en de laboinfrastructuur voor het implementeren en testen van de verschillende concepten.

Referenties J. Kim, J. Choi en H. Hong, Output LC Filter Design of Voltage-Source Inverter Considering the Performance of Controller, Proceedings of the 28th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Vol. 2, June 22nd-27th, 1997, pp. 1659-1664.

T.G. Habetler en D.M. Divan, Rectifier/Inverter Reactive Component Minimization, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 25, No. 2, March-April 1989, pp. 307316. T.C.Y. Wang, Z. Ye, G. Sinha en X. Yuan, Output Filter Design for a GridInterconnected Three-Phase Inverter, Proceedings of the 34th Annual Power Electronics Specialists Conference (PESC), Vol. 2, June 15th-19th, 2003, pp. 779-784.

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja X Neen


GENERATIE VAN COMMON-MODE NETGEKOPPELDE OMVORMERS

SPANNINGEN

BIJ

Contactpersonen: Tom Loix, Kristof Engelen, Pieter Jacqmaer Omschrijving Het aantal toepassingen waarin een netgekoppelde vermogenelektronische omvormer wordt gebruikt neemt snel toe: denk maar aan fotovoltaïsche installaties, microturbines, batterijen en brandstofcellen. Hiermee zijn naast de voordelen van het gebruik van een flexibel stuurbare omvormer ook enkele nadelen verbonden. Dit eindwerk focust op een van deze nadelen, met name de generatie van common-mode spanningen door de omvormer. Daar waar dit probleem bij motoraandrijvingen reeds uitvoerig bestudeerd en geremedieerd werd, is het optreden ervan bij netgekoppelde toepassingen veel minder gedocumenteerd. Common-mode spanningen kunnen ondermeer leiden tot ongewenste EMI, incorrect werken van aardbeveiligingsrelais en verhoogde warmtedissipatie. In dit eindwerk zal eerst het fenomeen en mechanisme van common-mode spanninsgeneratie nader onderzocht worden. Vervolgens worden enkele oplossingen bedacht om de gevolgen van de common-mode spanningen en stromen te beperken. Tenslotte wordt in het laboratorium een testen meetopstelling gemaakt waarmee deze fenomenen en de performantie van de oplossingen experimenteel kunnen worden aangetoond.

Referenties G. Oriti, A.L. Julian en T.A. Lipo, A New Space Vector Modulation Strategy for Common-Mode Voltage Reduction, Proceedings of the 28th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Vol. 2, June 22nd-27th, 1997, pp. 1541-1546.

S. Wei, N. Zargari, B. Wu en S. Rizzo, Comparison and Mitigation of Common-Mode Voltage in Power Converter Topologies, Proceedings of the 39th Industry Applications Conference (IAS), Vol. 3, October 3rd-7th, 2004, pp. 1852-1857. X. Dianguo, G. Qiang en W. Wei, Design of a Passive Filter to Reduce Common-Mode and Differential-Mode Voltage Generated by Voltage-Source PWM Inverter, Proceedings of the 32nd Annual Conference of Industrial Electronics (IECON), Nov. 2006, pp. 24832487.

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja X Neen


SENSORLESS TEMPERATURE RELUCTANCE MOTORS

MEASUREMENT ON

SWITCHED

Contactpersoon: Johan Driesen Omschrijving Picanol / PsiControl has more than 100.000 switched reluctance motors installed with the customers. In weaving machines, switched reluctance motors prove their advantages of high overload capacity, robustness and efficiency. When pushing the motor to its limits, the temperature will rise rapidly. Without adding temperature sensors, the safety levels must be conservative to assure non-failure of the motor. High winding temperatures may result in burned windings. Adding temperature sensors both add cost and vulnerability. Sensorless temperature measurement while in operation avoids this.

Target: -

Concept generation and selection of the sensorless temperature measurement strategy Simulation Implementation Testing


NOISE REDUCTION IN STEPPER MOTOR APPLICATIONS Contactpersoon: Johan Driesen Omschrijving Picanol / PsiControl has about two million stepper motors installed with the customers. In some cases it is necessary or desirable to lower the noise emission of stepper applications.

Target: -

How can noise be reduced by software changes: e.g. o Hysteresis current control o Fixed on/off chop control o Fast current decay o Free-wheeling o … - How can noise be reduced mechanically: e.g. o 2 or more phase stepper motors o Noise reducing coating o Application adjustments o … With a db-meter, the effect of the changes can be checked.


LOSS EVALUATION Contactpersoon: Ronnie Belmans Omschrijving Bij ABB in Duitsland is er de vraag naar een studie over verliezen en hun financieel/technisch evaluatie in transformatoren. De meeste netbeheerders ontbreekt op dit ogenblik de kennis om deze evaluatie toe te laten en begrijpen niet altijd de impact van de keuzes die gemaakt kunnen worden. Dit leidt vaak tot waarden die niet realistisch zijn. Elementen van deze evaluatie van verliezen zijn normalerwijze afschrijftermijnen, interestvoeten, en toekomstige energiekost. De kostprijs van C02 certificaten mag hier niet uit het oog verloren worden. De onderzoekstaken bestaan er in na te gaan hoe voor verschillende transformatortypes en voor de verschillende types verliezen de financiele implicaties correct kunnen bepaald worden, zodat een correcte evaluatie van de kosten van een transfo over zijn levensduur kan gemaakt worden. Dit eindwerk loopt ism ABB Bad Honeff.

Aantal studenten: 1 Thesis in het Engels noodzakelijk: Ja

Eindwerkidee Master Energie Nr: 65 Afstudeerjaar 2008-2009 Titel SCHAALMODEL VOLUMES?

VOOR MICROGOLFSINTEREN VAN KERAMISCH MATERIAAL IN GROTE

Contactpersoon: Koen Van Reusel Omschrijving Microgolfsinteren van keramisch materiaal heeft reeds min of meer de status van “proven technology”. Toch is er internationaal nog heel wat onderzoek gaande op dit vlak, vooral met betrekking tot de optimale microgolffrequentie. Ook het microgolfsinteren van grote volumes is nog onvoldoende onderzocht. In het elektrowarmte labo wordt momenteel een doctoraatsonderzoek opgestart naar de optimale microgolffrequentie en de optimale verdeling van de microgolfbronnen in een groot volume keramisch materiaal. Hiervoor zal (in een ander onderzoek buiten dit eindwerk) een numeriek model worden opgesteld. De numerieke resultaten moeten in dat onderzoek experimenteel gevalideerd kunnen worden. Het eindwerk dat in deze ruimere onderzoekscontext wordt voorgesteld, zal specifiek een antwoord zoeken op de vraag of voor de experimentele validatie met een model op schaal kan gewerkt worden. Volgens Protagoras van Abdera is “de mens de maat van alle dingen”. Kunnen wij, elektromagnetici, niet stellen: “de golflengte is de maat van alle dingen”? M.a.w. als het model wordt uitgerekend bij een veel hogere frequentie (meer golflengten per metrische eenheid), kan dan een kleinschalig model niet volstaan om de bij een lagere frequentie berekende waarden te valideren? Is de omrekening van alle betrokken parameters (thermische geleidbaarheid, massadichtheid, verliesfactor, …) een haalbare kaart? Het eindwerk zal vooral bestaan in het opstellen van een “status quaestionis” over “microgolfsinteren” op basis van een grondige literatuurstudie. In een tweede deel zal dan met redenering, berekening, en modellering een antwoord gemotiveerd worden op de bovenstaande vraag.

Aantal studenten: 1

Referenties [1] H. Riedel, J. Svoboda: “Simulation of microwave sintering with advanced sintering models”, Proc of 8th International Conference on Microwave & High Frequency Heating. [2] C.C. Goodson: “Simulation of microwave heating of mullite rods”, master thesis.

[3] J.D. Katz: “Microwave sintering of ceramics”, Annu Rev Mater Sci, 22:153-70, 1992. [4] M. Willert-Porada, W. Bartusch, G. Dhupia, G. Mueller, A. Nagel, G. Woetting: “Material and Technology Development for Microwave Sintering of High Performance Ceramics”, Ceramics-Processing, Reliability, Tribology and Wear, Euromat Vol. 12, Ed. G. Mueller, Wiley-VCH, p. 87-93, 2000. [5] D. Agrawal: “Microwave Processing of Ceramics, Composites, and Metallic Materials”, High Tech Ceramics News, 16[12], 9-10 (2005). [6] D. Agrawal, J. Cheng, R. Peelamedu, and R. Roy: “Microwave Processing of Ceramics and Metallic Materials: Developments at Penn State,” Current Adv. In Mats and Processing, 17 670-673 (2004). [7] S. Vaucher: Towards industrial microwave sintering, 4th International Conference on Science, Technology and Applications of Sintering, Grenoble, France, August 29 September 1 2005, pp. 65-67.


MODELLEREN VAN EEN INDUSTRIEEL LEVITATIESMELTPROCES Contactpersoon: Dietrich Hectors Omschrijving Levitatiesmelten bestaat reeds van in de jaren dertig van de vorige eeuw, en wordt meer en meer industrieel toegepast bij de aanmaak van zeer zuivere metaallegeringen, of als onderdeel van speciale productieprocessen voor het vervaardigen van producten met een hoge toegevoegde waarde. De hier bestudeerde industriële toepassing is het Taylor-Ulitovsky proces: een bol staal wordt tegelijkertijd opgewarmd tot +/- 2000 graden Celcius en geleviteerd, tot hij in gesmolten toestand tot een dunne staaldraad met hoge treksterkte getrokken kan worden (zie figuur in referenties). Het doel van het eindwerk is het verbeteren van het proces. Hiervoor is eerst een korte literatuurstudie noodzakelijk. Daarna volgt de hoofdbrok van het eindwerk: het beschrijven en verbeteren van het Taylor-Ulitovsky proces m.b.v. een eindige elementen programma. Eventueel kunnen verbeteringen uitgetest worden in de praktijk. De voorkennis opgedaan in de vakken “Eindige Elementen in Elektromagnetisme” en “Elektrothermie” is voldoende om dit eindwerk aan te vatten.

Aantal studenten:

1 of 2

Referenties [1] Foto van het proces: www.esat.kuleuven.be/~dhectors/foto.jpg [2] Uitleg over het proces: www.esat.kuleuven.be/~dhectors/Taylor-Ulitovsky.doc


MICROGRIDS

EN

PIEKLASTSTROMEN:

KARAKTERISATIE

EN

OPLOSSINGEN

Contactpersoon: Tom Loix Omschrijving Veel belastingen trekken een hoge stroom bij het inschakelen of starten van een bepaalde werkingsmode. Voor de huidige netconfiguratie stelt dit weinig problemen: het net bevat meer dan voldoende inertie om dergelijke kortstondige lastpieken op te vangen. De vraag stelt zich nu of dit ook geldt voor een microgrid. Hier zal het percentage aan omvormergekoppelde energiebronnen volgens de voorspellingen aanzienlijk hoger zijn dan in het huidige net. Een karakterisatie van enkele types lasten op vlak van piekstroomgedrag moet de nodige kwantitatieve informatie opleveren om de rest van het eindwerk te kunnen vervolbrengen. Een mogelijkheid is te onderzoeken hoeveel roterende inertie in het microgrid dient te worden opgenomen om een representatieve verzameling lasten te kunnen voeden. Een ander onderzoekspunt is te kijken naar de vereisten voor en het ontwikkelen van active front-ends voor het koppelen van een last met het microgrid. Een dergelijk active front-end kan de piekstromen die de last van het net vraagt drastisch reduceren door zelf (vanuit een bepaalde energieopslagbron) het gevraagde piekvermogen (of een belangrijk deel ervan) te leveren.

Referenties R. H. Lasseter en P. Piagi, Microgrid: A Conceptual Solution, Proceedings of the 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Aachen, Germany, 2004, 6 p. J. A. Peças Lopes, C.L. Moreira, A. G. Madureira, F. O. Resende, X. Wu, N. Jayawarna, Y. Zhang, N. Jenkins, F. Kanellos en N. Hatziargyriou, Control Stategies for MicroGrids Emergency Operation, Proceedings of the 2005 International Conference on Future Power Systems, 16-18 november, 2005, 6 p.

V. Zaltsman, Inrush Current Control for Equipment Powered by UPSs, Proceedings of the 11th International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), Vol. 2, 24-28 mei 1998, pp. 778-781.

Aantal studenten:

1

2


X 1 of 2 Ja X Neen


EEN

ELEKTROMAGNETISCHE VERMOGENELEKTRONICA

CIRCUITSIMULATOR

VOOR

Contactpersoon: Johan Driesen, Pieter Jacqmaer Omschrijving Vermogenelektronische circuits worden steeds sneller. Dankzij de wide-bandgaphalfgeleiders zullen in de toekomst schakelfrequenties van tientallen MHz gehaald kunnen worden. Niet alleen de schakelfrequentie neemt toe maar er komen ook steeds hogere frequenties voor in de stijgende en dalende flanken van een blokgolf (zoals PWM). De geleiders van het circuit gedragen zich als transmissielijnen bij deze hoge frequenties. Als belastingsimpedanties niet zijn aangepast aan de karakteristieke impedantie van het golfkanaal, treden er reflecties op en dit kan leiden tot spanningsverdubbelingen. De componenten van het circuit worden dus elektrisch sterk belast. Bij de hoge frequenties gedragen de circuitgeleiders zich ook tevens als antennes waardoor er energie wordt verloren en er problemen kunnen optreden met elektromagnetische compatibiliteit (EMC). De bedoeling van het eindwerk is het uitwerken van een computerprogramma, rechtstreeks gebaseerd op het uitvoeren van numerieke veldberekeningen, om de signalen in en de elektromagnetische velden rond vermogenelektronische circuits mee te berekeningen. Er kan gedacht worden aan de momentenmethode, de FDTD-methode, het gebruik van eindige elementen enz. Het is nodig om af te stappen van simulatoren zoals Spice die voornamelijk werken met discrete componenten, omdat er door de hoge frequenties onverwachte parasitairen optreden en de uitgestraalde velden bovendien niet kunnen berekend worden. Een programma zoals Magnet is bovendien niet geschikt voor circuitsimulatie omdat het schakelende gedrag van halfgeleidercomponenten er niet mee gemodelleerd kan worden. Het programma wordt uitgewerkt in Matlab of, indien de student daar meer vertrouwd mee is, een taal zoals Java, Visual Basic, C#, C,… en de correctheid ervan wordt geverifieerd. Tenslotte kan, als er nog tijd beschikbaar is, met het programma worden nagegaan wat een goede layout is voor een halve brug of een DC/DC-converter die bij hoge frequenties werken, zodat er een minimale EM-uitstraling optreedt en de componenten elektrisch minimaal belast worden.

Rond dit onderwerp is er al heel wat onderzoek verricht binnen ELECTA, zodat de student daarop kan steunen bij het uitvoeren van het thesiswerk.

Referenties [1] B. Bolsens, P. Jacqmaer, J. Driesen, R. Belmans: "High Frequency Analysis of a Switching Mode Power Supply," 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON2007) , Taipei, Taiwan, 5-8 november , 2007; 6 pagina’s. [2] V. Arnautovski-Toseva, Y. Rousset, K. El Khamlichi Drissi en L. Grcev, "Radiated EMI from Power Converters," Serbian Journal of Electrical Engineering, Vol. 2, No. 2, november 2005, pp. 117-124 [3] WIN FDTD: http://pesona.mmu.edu.my/~wlkung/

Aantal studenten:

1 of 2


Neen


AUTOMATIC GENERATION OF A FREQUENCY DEPENDENT NETWORK EQUIVALENT FOR ELECTROMAGNETIC TRANSIENT STUDIES

Contactpersoon: S. Cole & Tractebel Omschrijving The analysis of electromagnetic transients in power systems requires the very detailed modelling of the system. For large interconnected electricity networks, this leads to a heavy computational burden and considerable modelling effort. Therefore, the system is only modelled in great detail at the place of interest, while the rest of the network, or external system, is represented by an equivalent. One important methodological difficulty linked with the use of electromagnetic transient simulation tools is the external system representation in the frequency spectrum of concern (0 – 20 kHz). It is important that the equivalent is a good representation of the real network in a broad frequency spectrum at the point of interest. The goal of the work is the automatic generation of a passive equivalent network, to be used in an electromagnetic stability program, starting from a network representation in an electromechanical stability program. The electromechanical stability program used, will be Tractebel’s EUROSTAG. This study will be conducted in collaboration with Tractebel. The work can be divided into four parts: - Literature study of possible approaches to determine a network equivalent. The included references are examples of such approaches; - Selection of most suitable approach; - The determination of the impedance trajectory in the R/X plane when the frequency varies; - Implementation of the selected approach in Matlab, and development of an interface with EUROSTAG. Good Matlab programming skills are required.

Referenties B. Porkar, R. Feuillet: "Frequency-dependent Network Equivalent for Electromagnetic Transient Studies by Vector Fitting" B. Porkar, M. Vakilian, R. Feuillet: "Multi-Port Frequency-Dependent Network Equivalent for Electromagnetic Transient Studies" A.I. Ibrahima, M.M.A. Salama, "Frequency Dependent Network Equivalents for Electromagnetic Transient Studies"


2


1 of 2 hangt af van Tractebel


MODELLING OF VOLTAGE SOURCE CONVERTER BASED HVDC LINK IN EUROSTAG Contactpersoon: S. Cole & Tractebel Omschrijving The standard library of Tractebel's EUROSTAG simulation tool contains a conventional LCC (Line Commutated Converter) HVDC model, based on thyristor- switched current source converters. The goal of this work is the development of a model for a VSC (Voltage Source Converter) based HVDC link. The modelling will be done by creating a block diagram in EUROSTAG's model editor (comparable to Simulink). The study will be performed in collaboration with Tractebel. The work includes three steps: - Modelling of the VSC HVDC converters and their controllers; - Verification of the model by comparing with ABB's HVDC Light model in PSS/E. - Application of the model: simulation of a large offshore wind farm, connected to an existing transmission system using VSC HVDC.

Referenties S. Cole, “Modelling of VSC HVDC Using Coupled Current Injectors” J.F. Vernotte, et. al., “High Fidelity Simulation of Power System Dynamics”


2


1 of 2 hangt af van Tractebel

Eindwerkidee Master Energie Nr: 71 Afstudeerjaar: 2008-2009 Titel INTEGRATIE

VAN EEN HYBRIDE WAGENPARK IN HET DISTRIBUTIENET: COMMUNICATIE EN IMPACT-ANALYSE

Contactpersoon: Sven De Breucker, Kristien Clement, Zhifeng Qiu, Johan Driesen, Geert Deconinck Omschrijving Wereldwijd worden er meer en meer elektrische voertuigen verkocht. Plug-in hybride elektrische voertuigen (PHEV) zijn de volgende fase in de ontwikkeling van hybride en elektrische voertuigen. Deze voertuigen kunnen opgeladen worden door de energie van het elektriciteitsnet, maar kunnen ook hun opgeslagen energie in de batterijen beschikbaar stellen. Dit laatste is beter gekend als vehicle to grid power (V2G). Deze beschikbare energie in de batterijen van deze voertuigen kan aangesproken worden voor balancing, frequentiesturing en primaire regeling. In een vorige thesis is er berekend hoeveel vermogen er ieder tijdstip waarschijnlijk beschikbaar zal zijn. Hierdoor weten we nog niet op welke manier men deze opgeslagen energie kan benutten en welke invloed dit zal hebben op het transmissienet. Er zal dus berekend moeten worden hoeveel wagens beschikbaar zijn op welke plaatsen in het transmissienet en welke netdiensten deze kunnen verzorgen. Een ander belangrijk aspect van deze thesis is de communicatie van de voertuigen met het elektriciteitsnet via internet. Het elektriciteitsnet is opgebouwd uit verschillende niveaus, een laagspanning-, middenspanning- en een transmissieniveau. Op elk niveau moet een reeks van servers staan die rekening houden met o.a. de fysische beperkingen van elk niveau, een variabele elektriciteitsprijs, etc. De top-level servers zouden het aanspreekpunt vormen voor de transmissienetbeheerder zodat deze het hybride wagenpark kan gebruiken als een controleerbare belasting of als secundaire reserve. De servers op het laagste niveau zijn gekoppeld aan een cluster van verschillende voertuigen. Elk voertuig heeft zijn specifieke eisen betreffende het tijdstip waarop het zal vertrekken, de minimale afstand die puur elektrisch gereden moet worden, de maximale elektriciteitsprijs tijdens het opladen e.d. Vraag en aanbod worden vervolgens geoptimaliseerd binnen een cluster en elke cluster gedraagt zich als 1 entiteit naar de buitenwereld toe.

Het eindwerk zal bestaan uit twee delen: 1) Een eerste deel voor een student uit de master energie die de berekeningen op transmissieniveau moet verrichten en die de beperkingen op distributieniveau in kaart dient te brengen. 2) Een tweede deel voor een student uit de master computerwetenschappen of informatica die de communicatie van de voertuigen met het net en de onboard controller van de wagen simuleert. De studenten worden apart beoordeeld, maar een goede samenwerking kan resulteren in een coherenter geheel dat een hogere waardering krijgt.

Referenties [1]

[2]

Kempton W., Tomic J., “Vehicle-to-grid power fundamentels: Calculating capacity and net revenue”, Journal of Power Sources, 2005, Vol. 144, pp. 268279. J.K. Kok, C.J. Warmer, I.G. Kamphuis. PowerMatcher: Multiagent Control in the Electricity Infrastructure. AAMAS-05, Utrecht, 25 - 29 July 2005

Aantal studenten:

1

2


1 of 2 Ja Neen

Eindwerkidee Master Energie

Recommend Documents