Multi-vector power island operation utilizing demand side response based on a cloud-based optimization strategy (CbOS)

Intentional islanding is one of the potential strategies to mitigate risks related to total blackouts by partitioning the network into multiple power islands. This paper focuses on developing a cloud-based strategy for managing the post-islanding power islands operation considering the coupling of the electrified heating vector. At the core, a novel multi-vector cloud-based optimization strategy (CbOS) is utilized to harness the hidden flexibility of heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) systems, resulting in reduced load shedding required to balance the power island and decreased operational costs. To maintain the sustainability of the power island, CbOS is further integrated with an additional objective of optimizing a voltage stability index and costs. The architecture upon which CbOS is built, provides the means to deploy the required software tools and its operation is tested in a generalizable power island under representative cases studies with respect to the level of controllability that CbOS is expected to have among the fleet of energy assets. The results reveal that when all energy assets are operated under CbOS, a substantial cost reduction up to 55.6% can be achieved by utilizing the flexibility stemming from the HVAC systems. Concurrently, voltage stability profiles are improved for the lines under stress

Digital architecture for monitoring and operational analytics of multi-vector microgrids utilizing cloud computing, advanced virtualization techniques, and data analytics methods

Microgrids are considered a viable solution for achieving net-zero targets and increasing renewable energy integration. However, there is a lack of conceptual work focusing on practical data analytics deployment schemes and case-specific insights. This paper presents a scalable and flexible physical and digital architecture for extracting data-driven insights from microgrids, with a real-world microgrid utilized as a test-bed. The proposed architecture includes edge monitoring and intelligence, data-processing mechanisms, and edge–cloud communication. Cloud-hosted data analytics have been developed in AWS, considering market arrangements between the microgrid and the utility. The analysis involves time-series data processing, followed by the exploration of statistical relationships utilizing cloud-hosted tools. Insights from one year of operation highlight the potential for significant operational cost reduction through the real-time optimization and control of microgrid assets. By addressing the real-world applicability, end-to-end architectures, and extraction of case-specific insights, this work contributes to advancing microgrid design, operation, and adoption

Hybrid nanodielectrics of polymer matrix/functional composites: development, characterization and functionality

In this study, series of polymer matrix composite materials were developed and experimentally studied, varying the reinforcing phase content. The employed matrix was a high tech epoxy resin, while reinforcing phase was micro- and/or nano-barium titanate particles, as well as exfoliated graphite nanoplatelets. The choice of the materials was targeting to take advantage in a common composite system of the thermo-mechanical stability of the matrix, the high dielectric permittivity and the ferroelectric behaviour of barium titanate and the enhanced mechanical properties in tandem with the high conductivity of the exfoliated graphite nanoplatelets. The following composite materials systems were fabricated and studied, for various filler contents:(a)barium titante micro-particles/epoxy resin composite system,(b)barium titante nano-particles/epoxy resin composite system,(c)exfoliated graphite nanoplatelets/epoxy resin composite system,(d)barium titante micro-particles/barium titante nano-particles /epoxy resin hybrid composite system,(e)exfoliated graphite nanoplatelets /barium titante nano-partcles /epoxy resin hybrid composite system.The fabrication of the composites was followed by a multiple characterization of the produced specimens. For reference reasons pure resin was also prepared and studied. Systems’ morphology was investigated by means of scanning electronic microscopy and x-ray diffraction scattering. It was ascertained the existence of fine nanodispersions, as well as of small clusters, within the composites. XRD spectra verified the presence of filler in each category of composite systems. Thermal characterization was conducted via differential scanning calorimetry aiming to determine the glass to rubber transition temperature of all studied systems. Mechanical behaviour was investigated under static and dynamic conditions. Static behaviour was determined via three point bending tests at ambient temperature. It was found that modulus of elasticity increases with filler content in all composite systems categories. On the other hand, mechanical strength decreases with filler content. Dynamic response was studied by means of dynamic mechanical thermal analysis in a wide temperature range. Reinforced systems exhibit higher values of storage modulus, while the loss tangent peaks allow the determination of the glass transition temperature Tg. Tg slightly varies with reinforcing phase content, to higher or lower values depending on the type and the amount of filler concentration. These variations express the interactions between the phases of the composites and possibly the uncompleted wetting of the inclusions in some cases. The electrical response of the composite systems was examined by means of broadband dielectric spectroscopy in a wide frequency and temperature range. The analysis of the experimental data was carried out via the dielectric permittivity, electric modulus, and ac conductivity formalisms. The usage of all three formalisms provides the opportunity to extract more information concerning the physical mechanisms occurring within the composites. It was found that two dielectric processes are related to the polymer matrix. These are attributed to the glass to rubber transition of epoxy resin (α-relaxation) and to the re-arrangement of polar side groups of the main polymer chain (β-relaxation). The presence of inclusions within the matrix introduces electrical heterogeneity resulting in the occurrence of interfacial polarization. Unbounded charges accumulate at the interface of the phases, forming large dipoles, which exhibit inertia in orienting themselves parallel to the applied field. Interfacial polarization is the slowest process in the systems and thus it is observed at low frequencies and high temperatures. The real part of dielectric permittivity, as well as, the conductivity increase with reinforcing phase content, especially in the case of the systems with graphite nanoplatelets. The energy storage efficiency was investigated via the density of energy, at constant electric field. It was found that the energy storage capability increases with filler content. Optimum behaviour is displayed by the system with maximum content in graphite nanoplatelets.The dynamics of the relaxations was studied via Arrhenius graphs, from which the values of activation energy were calculated. Interfacial polarization and α-relaxation appear in adjacent temperature ranges, leading in a superposition of both processes. From the calculated values of activation energy it is concluded that in the pure resin specimen the dominating contribution is related to the α-relaxation, while in the composite systems the contribution of interfacial polarization seems to prevail.Barium titanate particles undergo a structural transition from the polar tetragonal structure (ferroelectric phase) to the non-polar cubic structure (paraelectric phase) at a critical temperature closed to 130oC. This transition was proved via XRD spectra and is more intense in the case of barium titanate microparticles.Systems’ functional behaviour is related to the thermally stimulated structural transition from the ferroelectric to the paraelectric phase of barium titanate inclusions, to the change of sign of the temperature coefficient of conductivity, and their ability for energy storage.The coexistence at adjacent temperatures ranges of α-relaxation and interfacial polarization, as well as the critical transition temperature of ferroelectric inclusions, hampers the discrimination of the effects. By introducing the dielectric reinforcing function the discrimination of the processes became possible. Furthermore, the dielectric reinforcing function provides the possibility to examine the functional behaviour and the energy storage efficiency of the systems, neglecting the materials’ geometrical characteristics influence. Finally, experimental results and analysis are compared and discussed.Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά σειρές σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με παράμετρο τον τύπο και την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη υψηλών προδιαγραφών. Ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιηθήκαν μικροσωματίδια, νανοσωματίδια τιτανικού βαρίου και αποφλοιωμένα γραφιτικά νανοεπίπεδα (exfoliated graphite nanoplatelets). Η επιλογή των υλικών είχε ως στόχο να εκμεταλλευτούν σε κοινό σύνθετο σύστημα οι «θετικές» ιδιότητες των συστατικών του, όπως η θερμο-μηχανική σταθερότητα της μήτρας, η υψηλή διαπερατότητα και η σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά του τιτανικού βαρίου και οι καλές μηχανικές ιδιότητες μαζί με την υψηλή ειδική αγωγιμότητα των αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων.Παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν τα παρακάτω συστήματα σύνθετων υλικών, για διάφορες περιεκτικότητες σε ενισχυτική φάση: (α) σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης,(β) σύστημα νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης,(γ) σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/εποξειδικής ρητίνης, (δ) υβριδικό σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης,(ε) υβριδικό σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/ νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης. Την παρασκευή των δοκιμίων ακολούθησε πολύπλευρος χαρακτηρισμός τους. Για λόγους αναφοράς παρασκευάστηκε και μελετήθηκε και δοκίμιο μη ενισχυμένης ρητίνης. Η μορφολογία τους διερευνήθηκε με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (scanning electron microscopy) και την τεχνική σκέδασης ακτίνων-Χ (x-ray diffraction scattering). Διαπιστώθηκε η επιτυχής διασπορά των νανο-εγκλεισμάτων αλλά και η ύπαρξη μικρών συσσωματωμάτων. Τα φάσματα σκέδασης ακτίνων-Χ πιστοποίησαν την παρουσία των πληρωτικών μέσων που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε κατηγορία σύνθετου συστήματος. Ακολούθησε θερμικός χαρακτηρισμός των σύνθετων υλικών, με στόχο τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσής τους. Η μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των συνθέτων έγινε υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Η στατική συμπεριφορά εξετάστηκε με την τεχνική κάμψης τριών σημείων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε αύξηση του μέτρου ελαστικότητας με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων συστημάτων. Παράλληλα, διαπιστώθηκε μείωση της μηχανικής αντοχής με τη συγκέντρωση πληρωτικού μέσου σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων υλικών που μελετήθηκαν. Η δυναμική μηχανική απόκριση μελετήθηκε με την τεχνική της δυναμικής θερμικής ανάλυσης (dynamic mechanical thermal analysis) σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν αυξημένες τιμές του μέτρου αποθήκευσης, ενώ οι κορυφές της εφαπτομένης απωλειών επιτρέπουν τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Tg). Η Tg φαίνεται να διαφοροποιείται ελαφρά με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, άλλοτε προς μεγαλύτερες και άλλοτε προς μικρότερες τιμές. Οι διαφοροποιήσεις αυτές εκφράζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φάσεων και ίσως την πλήρη ή μη διαβροχή των εγκλεισμάτων από τη μήτρα. Η ηλεκτρική απόκριση των σύνθετων συστημάτων εξετάστηκε με τη μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος, σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε μέσω των φορμαλισμών της ηλεκτρικής διαπερατότητας, του ηλεκτρικού μέτρου και της ειδικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου. Η χρήση και των τριών φορμαλισμών προσφέρει τη δυνατότητα εξαγωγής περισσότερων πληροφοριών για τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των συνθέτων. Διαπιστώθηκε η παρουσία δύο διηλεκτρικών χαλαρώσεων που σχετίζονται με την πολυμερική μήτρα. Αυτές αποδίδονται, στη μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της εποξειδικής ρητίνης (α-χαλάρωση) και στην επαναδιευθέτηση πλευρικών πολικών ομάδων (β-χαλάρωση). Η παρουσία των εγκλεισμάτων στο εσωτερικό της μήτρας εισάγει ηλεκτρική ετερογένεια με αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου διεπιφανειακής πόλωσης (interfacial polarization). Μη δέσμια φορτία συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια των φάσεων, όπου σχηματίζουν μεγάλα δίπολα που παρουσιάζουν αδράνεια ως προς τον προσανατολισμό τους, παράλληλα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διεπιφανειακή πόλωση είναι η πλέον αργή διεργασία και παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες και υψηλές θερμοκρασίες. Το πραγματικό μέρος της ηλεκτρικής διαπερατότητας, όπως και η ειδική αγωγιμότητα παρουσίασαν αύξηση με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, ιδιαίτερα στην περίπτωση των συστημάτων με γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας στα συστήματα διερευνήθηκε με χρήση της πυκνότητας ενέργειας υπό σταθερό ηλεκτρικό πεδίο. Διαπιστώθηκε αύξηση της αποθηκευόμενης ενέργειας με αύξηση της περιεκτικότητας σε ενισχυτική φάση. Τη βέλτιστη συμπεριφορά επέδειξε το σύστημα με τη μέγιστη περιεκτικότητα σε γραφιτικά νανοεπίπεδα.Η δυναμική των χαλαρώσεων μελετήθηκε μέσω διαγραμμάτων Arrhenius, από τα οποία προέκυψαν και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης. Η θερμοκρασιακή γειτνίαση των διεργασιών της α-χαλάρωσης και της διεπιφανειακής πόλωσης οδήγησε σε αλληλοεπικάλυψη των διεργασιών. Από τις ενέργειες ενεργοποίησης που υπολογίστηκαν φαίνεται πως στο δοκίμια της μη ενισχυμένης ρητίνης επικρατεί η συνεισφορά της α-χαλάρωσης, ενώ στα σύνθετα συστήματα επικρατεί η συνεισφορά της διεπιφανειακής πόλωσης. Τα σωματίδια του τιτανικού βαρίου υφίστανται δομικό μετασχηματισμό από την πολική τετραγωνική δομή (σιδηροηλεκτρική φάση) στην μη-πολική κυβική δομή (παραηλεκτρική φάση) σε μία κρίσιμη θερμοκρασία, πλησίον των 130οC. Η μετάβαση αποδείχθηκε μέσω των φασμάτων ακτίνων-Χ και είναι περισσότερο έντονη στην περίπτωση των μικροσωματιδίων.Η λειτουργική συμπεριφορά των συστημάτων σχετίζεται με τη θερμικά διεγειρόμενη δομική μετάβαση από τη σιδηροηλεκτρική στην παραηλεκτρική φάση των εγκλεισμάτων τιτανικού βαρίου, τη μεταβολή του προσήμου του θερμοκρασιακού συντελεστή ειδικής αγωγιμότητας και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας.Η συνύπαρξη σε κοντινές θερμοκρασίες των διεργασιών α-χαλάρωσης και διεπιφανειακής πόλωσης μαζί με την κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης των σιδηροηλεκτρικών εγκλεισμάτων, δυσχεραίνει πολύ την διάκρισή τους. Με την εισαγωγή της διηλεκτρικής συνάρτησης ενίσχυσης (dielectric reinforcing function) έγινε δυνατός ο διαχωρισμός των φαινομένων. Επιπλέον, η συνάρτηση διηλεκτρικής ενίσχυσης προσφέρει τη δυνατότητα εξέτασης της λειτουργικής συμπεριφοράς και της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας, ανεξάρτητα των γεωμετρικών διαστάσεων του υλικού. Τέλος, το σύνολο των αποτελεσμάτων έγινε αντικείμενο συγκρίσεων και συζήτησης

End-Of-Use Fly Ash as an Effective Reinforcing Filler in Green Polymer Composites

The aim of this study is to use fly ash powder in an environmentally friendly matrix, in a novel way, addressing environmental and disposal problems. Fly ash/epoxy composites were prepared and studied varying the filler content. An investigation of structural and morphological characteristics was conducted using of X-ray diffraction patterns and scanning electron microscopy images, which revealed the successful fabrication of composites. Thermomechanical properties were studied via dynamic mechanical analysis and static mechanical tests. The composites exhibited an improved mechanical response. Broadband dielectric spectroscopy was used to investigate the dielectric response of the composite systems over the frequency range from 10−1 to 107 Hz and the temperature range from 30 to 160 °C. The analysis revealed the presence of three relaxation processes in the spectra of the tested systems. Interfacial polarization, the glass-to-rubber transition of the polymer matrix, and the rearrangement of polar side groups along the polymer chain are the processes that occur under a descending relaxation time. It was found that dielectric permittivity increases with filler content. Finally, the influence of filler content and the applied voltage under dc conditions was analyzed to determine the ability of the composites to store and retrieve electric energy. Fly ash improved the efficiency of the storing/retrieving energy of the composites

Laboratory investigation on the mechanical excavation of orthogneiss from Ikaria, Greece

185 σ.Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Σχεδιασμός και Κατασκευή Υπόγειων Έργων”Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα την εργαστηριακή διερεύνηση της εξόρυξης ορθογνεύσιου Ικαρίας με μηχανικά μέσα και εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Εξόρυξης Πετρωμάτων της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών του Ε.Μ.Π. Σκοπός της εργασίας είναι ο εργαστηριακός προσδιορισμός: 1) των δυνάμεων που αναπτύσσονται τόσο με κοπτικό τύπου δίσκου όσο και συρόμενου τύπου κατά τη διάρκεια των δοκιμών κοπής του πετρώματος. 2) του δείκτη ειδικής ενέργειας κοπής του πετρώματος, ο οποίος ορίζεται ως η ενέργεια που απαιτείται για την εκσκαφή μονάδας συμπαγούς όγκου πετρώματος. 3) των μηχανικών ιδιοτήτων του πετρώματος, όπως αυτές προσδιορίζονται από τις κάτωθι εργαστηριακές δοκιμές: - Δοκιμή μονοαξονικής θλίψης. - Δοκιμή αντιδιαμετρικής θλίψης. - Δοκιμή σκληρομέτρησης με το σκληροσκόπιο Shore. - Δοκιμή αποξεστικότητας κατά Cerchar. - Δοκιμή υπερήχων. Οι δυνάμεις που ασκούνται στα κοπτικά εργαλεία είναι δυνατόν να εκτιμηθούν επίσης από: α) θεωρητικά μοντέλα όπως οι θεωρίες κοπής, οι οποίες μελετούν τους μηχανισμούς αστοχίας των πετρωμάτων όταν προσβάλλονται από κοπτικά εργαλεία, β) εμπειρικές και ημιεμπειρικές σχέσεις οι οποίες προέρχονται από μελέτες περιπτώσεων. Οι δυνάμεις αυτές αποτελούν καθοριστικό παράγοντα τόσο για την πρόβλεψη της επίδοσης δεδομένης μηχανής όρυξης, όσο και για τη διαστασιολόγηση μηχανής όρυξης για επιθυμητό μέγεθος προχώρησης-παραγωγής. Σκοπός των δοκιμών κοπής είναι η προσομοίωση της αλληλεπίδρασης κοπτικού-πετρώματος στις πραγματικές συνθήκες όρυξης, έτσι ώστε στη φάση μελέτης σχεδιασμού της κεφαλής να επιλέγονται μέσω παραμετρικών αναλύσεων οι βέλτιστες παράμετροι εκσκαφής, όπως το βάθος κοπής και η απόσταση μεταξύ διαδοχικών κοπτικών. Καθοριστικό κριτήριο βελτιστοποίησης στην παραμετρική ανάλυση αποτελεί η ελαχιστοποίηση της ειδικής ενέργειας κοπής καθώς επίσης της φθοράς των κοπτικών εργαλείων. Η ειδική ενέργεια εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από το επίπεδο των δυνάμεων που αναπτύσσονται στα κοπτικά εργαλεία, ενώ η φθορά των κοπτικών εξαρτάται κυρίως από την ορυκτολογική συγκρότηση του πετρώματος.The subject of this thesis is the laboratory investigation on the mechanical excavation of orthogneiss from Ikaria, Greece. The thesis has been prepared at the Laboratory of Excavation Engineering of NTUA’s School of Mining & Metallurgical Engineering. Aim of the thesis is the laboratory estimation of: 1) the forces developing on the cutting tools during the cutting process. 2) the specific energy index of the rock mentioned above. Specific energy is the energy or work required to cut a unit volume of rock. 3) the basic mechanical properties of the rock, as they are determined from the following laboratory tests: - Uniaxial compression test. - Brazilian tensile strength test. - Hardness test, using the Shore scleroscope. - The Cerchar abrasiveness test. - Ultrasonic test. Forces acting on rock cutting tools can also be predicted from i) theoretical models such as cutting theories which study fracture and cutting mechanisms, ii) empirical and semi-empirical equations derived from case studies. The cutting forces are of major importance in designing rock excavation machines for a given advance-production rate or in predicting the performance of a given machine. Laboratory cutting tests are performed in order to simulate tool-rock interaction. The optimum excavating parameters of the cutterhead (depth of penetration, cutter spacing etc.) are estimated through parametric analysis. Basic criteria in the optimization process are the criterion of the lowest specific energy and that of the least wear of the cutting tool.Γεώργιος Π. Πατσίδη

UV-Cured Poly(Ethylene Glycol) Diacrylate/Carbon Nanostructure Thin Films. Preparation, Characterization, and Electrical Properties

Carbon nanoallotropes such as carbon nanotubes, graphene, and their derivatives have been combined with a plethora of polymers in the last years to develop new composite materials with interesting properties and applications. However, the area of photopolymer composites with carbon nanostructures has not been analogously explored. In the present article, we study the photopolymerization of poly(ethylene glycol)diacrylate (PEGDA) enriched with different carbon nanoallotropes like graphene, pristine and chemically modified carbon nanotubes (CNTs and fCNTs), and a hybrid of graphene and CNTs. The products were characterized by several microscopic and spectroscopic techniques and the electrical conductivity was studied as a function of the concentrations of carbon nanoallotropes. In general, stable thin films were produced with a concentration of carbon nanostructures up to 8.5%, although the addition of carbon nanostructures in PEGDA decreases the degree of photopolymerization, and PEDGA/carbon nanostructure composites showed electrical conductivity at a relatively low percentage