Optimizing PV use through active demand side management

With recent technological developments within the field of power conditioning and the progressive decrease of incentives for PV electricity in grid-connected markets, new operation modes for PV systems should be explored beyond the traditional maximization of PV electri city feed-in. An example can be found in the domestic sector, where the use of modern PV hybrid systems combin ed with efficient electrical appliances and demand side management strategies can significantly enhance the PV value for the user. This paper presents an active demand side management system able to displace the consumer’s load curve in response to local (PV hybrid system, user) and external conditions (external grid). In this way, th e consumer becomes an “active consumer” that can also cooperate with others and the grid, increasing even more the PV value for the electrical system

Self-consumption enhancement with storage system and demand-side management: GeDELOS-PV system.

Because of the recent technological developments within the field of power conditioning and the progressive decrease of incentives for PV electricity in grid-connected markets, new operation modes for PV systems should be explored beyond the traditional maximization of PV electricity feed-in. We have developed the GeDELOS-PV system as an example of added value for PV electricity which arises from the combination of modern hybrid PV technology with a lead-acid battery storage system and Demand Side Management strategies in the residential sector. We carry out simulations for long-time experiments (yearly studies) and real measurements for short and mid-time experiments (daily and weekly studies). Results show that the relationship between electricity flows and storage capacity is not linear and therefore, it becomes an important design criterio

Improving photovoltaics grid integration through short time forecasting and self-consumption

The uncertainty associated to the forecast of photovoltaic generation is a major drawback for the widespread introduction of this technology into electricity grids. This uncertainty is a challenge in the design and operation of electrical systems that include photovoltaic generation. Demand-Side Management (DSM) techniques are widely used to modify energy consumption. If local photovoltaic generation is available, DSM techniques can use generation forecast to schedule the local consumption. On the other hand, local storage systems can be used to separate electricity availability from instantaneous generation; therefore, the effects of forecast error in the electrical system are reduced. The effects of uncertainty associated to the forecast of photovoltaic generation in a residential electrical system equipped with DSM techniques and a local storage system are analyzed in this paper. The study has been performed in a solar house that is able to displace a residential user?s load pattern, manage local storage and estimate forecasts of electricity generation. A series of real experiments and simulations have carried out on the house. The results of this experiments show that the use of Demand Side Management (DSM) and local storage reduces to 2% the uncertainty on the energy exchanged with the grid. In the case that the photovoltaic system would operate as a pure electricity generator feeding all generated electricity into grid, the uncertainty would raise to around 40%

Self-consumption of PV electricity with active demand side management: The GEDELOS-PV system

Because of the recent technological developments within the field of power conditioning and the progressive decrease of incentives for PV electricity in grid-connected markets, new operation modes for PV systems should be explored beyond the traditional maximization of PV electricity feed-in. We have developed the GeDELOS-PV system as an example of added value for PV electricity which arises from the combination of modern hybrid PV technology with a lead-acid battery storage system and Demand Side Management strategies in the residential sector. We carry out simulations for long-time experiments (yearly studies) and real measurements for short and mid-time experiments (daily and weekly studies). Results show that the relationship between electricity flows and storage capacity is not linear and therefore, it becomes an important design criterion.

Autoconsumo de energía solar fotovoltáica con gestión activa de la demanda:El sistema GEDELOS-FV

El sistema GeDELOS-FV es un ejemplo de valor añadido de la energía solar fotovoltaica que combina tecnología fotovoltaica híbrida de última generación con estrategias de Gestión de la Demanda Eléctrica. En este trabajo se ha configurado el sistema con el objetivo de maximizar la cantidad e energía fotovoltaica generada localmente y consumida por las cargas locales (autoconsumo), tanto de manera directa como indirecta mediante el uso de almacenamiento eléctrico. Se han realizado simulaciones teóricas que relacionan el porcentaje de energía con diferentes capacidades de almacenamiento. Además, se han realizados experimentos reales en un prototipo de vivienda solar autosuficiente con el objetivo de validar los resultados teóricos. Estos estudios se han realizado con y sin Gestión de la Demanda Eléctrica, demostrando las mejoras que produce el uso de esta técnica en el porcentaje de autoconsumo. Como conclusión, se puede afirmar que el uso de sistemas de almacenamiento a pequeña escala y estrategias de Gestión de la Demanda Eléctrica proporcionan un alto nivel de control sobre la energía generada localmente, permitiendo maximizar el aprovechamiento de esta. Esta combinación jugará un papel importante en el desarrollo de las redes inteligentes

Lithium Transport in Li4.4M0.4M ' S-0.6(4) (M = Al3+, Ga3+, and M ' = Ge4+, Sn4+): Combined Crystallographic, Conductivity, Solid State NMR, and Computational Studies

In order to understand the structural and compositional factors controlling lithium transport in sulfides, we explored the Li5AlS4 – Li4GeS4 phase field for new materials. Both parent compounds are defined structurally by a hexagonal close packed sulfide lattice, where distinct arrangements of tetrahedral metal sites give Li5AlS4 a layered structure and Li4GeS4 a three dimensional structure related to γ-Li3PO4. The combination of the two distinct structural motifs is expected to lead to new structural chemistry. We identified the new crystalline phase Li4.4Al0.4Ge0.6S4, and investigated the structure and Li+ ion dynamics of the family of structurally related materials Li4.4M0.4M’0.6S4 (M= Al3+, Ga3+ and M’= Ge4+, Sn4+). We used neutron diffraction to solve the full structures of the Al-homologues, which adopt a layered close-packed structure with a new arrangement of tetrahedral (M/M’) sites and a novel combination of ordered and disordered lithium vacancies. AC impedance spectroscopy revealed lithium conductivities in the range 3(2) x 10-6 to 4.3(3) x 10-5 S cm-1 at room temperature with activation energies between 0.43(1) and 0.38(1) eV. Electrochemical performance was tested in a plating and stripping experiment against Li metal electrodes and showed good stability of the Li4.4Al0.4Ge0.6S4 phase over 200 hours. A combination of variable temperature 7Li solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy and ab initio molecular dynamics calculations on selected phases showed that two dimensional diffusion with a low energy barrier of 0.17 eV is responsible for long-range lithium transport, with diffusion pathways mediated by the disordered vacancies while the ordered vacancies do not contribute to the conductivity. This new structural family of sulfide Li+ ion conductors offers insight into the role of disordered vacancies on Li+ ion conductivity mechanisms in hexagonally close packed sulfides that can inform future materials design

Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Verdampfung in Mikrokanälen

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der numerischen und experimentellen Untersuchung von Mikrokanalverdampfern für die Dampferzeugung in Laboranwendungen. Die in diesen Apparaten auftretenden Zweiphasenströmungen zeichnen sich üblicherweise durch kleine Reynoldszahlen und sehr niedrige Bondzahlen aus, wodurch diese Strömungen vornehmlich von viskoser Reibung und Oberflächenkräften dominiert werden. Weiterhin durchläuft der Dampfanteil bei der Erzeugung von überhitztem Dampf das gesamte Zweiphasengebiet, wodurch nacheinander unterschiedlichen Strömungsformen auftreten können. Ein im Gegensatz hierzu bereits ausgiebig untersuchtes Einsatzgebiet von Mikrokanalverdampfern liegt dagegen im Bereich der Kühlung von elektronischen Hochleistungsbauteilen. Um eine maximale Wärmeübertragung zu erzielen, werden derartige Verdampfer üblicherweise bei deutlich höheren Reynoldszahlen betrieben, wobei meist nur ein geringer Anteil des Fluids verdampft. Deshalb ergeben sich im Bereich der Dampferzeugung phänomenologische Unterschiede zu den bisher untersuchten Anwendungsfeldern. Anhand theoretischer Überlegungen kann gezeigt werden, dass bei den in dieser Arbeit untersuchten Mikrokanalverdampfern vor allem die laminare Ringströmung eine wichtige Rolle einnimmt, was vor allem durch die niedrigen Reynoldszahlen und die mitunter sehr hohen volumetrischen Dampfanteile in der Strömung bedingt wird. Für die Beschreibung dieses Strömungsregimes, dem bislang kaum Bedeutung beigemessen wurde, wird daher eine neue geschlossene analytische Lösung entwickelt. Über dieses analytische Modell lassen sich die Phasenverteilung, die Filmdicke und der Druckverlust in idealen laminaren Ringströmungen exakt beschreiben. Bislang finden sich kaum Arbeiten, in denen das grundsätzliche Betriebsverhalten von Mikrokanaldampferzeugern hinsichtlich Druckverlust und Wärmeübertragungsleistung im Bereich der Vollverdampfung untersucht wurde. Anhand experimenteller Untersuchungen wird daher in dieser Arbeit zunächst das Betriebsverhalten von elektrisch beheizten Verdampfern untersucht, die aus einer Vielzahl paralleler Mikrokanäle mit Nenndurchmessern zwischen 30 und 120 μm bestehen. Sowohl im Bereich der Teil- als auch im Bereich der Vollverdampfung treten hierbei verbreitet langperiodische Oszillationen des Druckverlusts, des Durchflusses und der Temperaturen auf. Es kann gezeigt werden, dass diese Schwankungen jeweils durch den Aufbau der Flüssigkeitszufuhr bedingt werden und sich erheblich reduzieren lassen, indem gezielt Kompressibilitäten in der Flüssigzuleitung vermieden werden. Weiterhin lässt sich beobachten, dass die Oszillationen mit zunehmendem Kanaldurchmesser zunehmen. Um ein tiefergehendes Verständnis über das Zusammenspiel der in derartigen Mikrokanalverdampfern auftretenden Phänomene zu erhalten, ist es nötig, diese über eine Modellierung des Gesamtsystems zu beschreiben. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit mithilfe der Finite-Volumen-Methode ein umfangreiches dynamisches Simulationsprogramm entwickelt, das die eindimensional formulierten Massen-, Impuls- und Energiebilanzen des Fluids mit einem dreidimensionalen Wärmeleitungsmodell im Festkörper kombiniert. Auf diese Weise kann das komplexe Zusammenspiel von Durchfluss und Druckverlust sowie von Wärmeübergang und Wärmeleitung im Festkörper untersucht werden. Auf Grund sich lokal stark ändernder Stoffeigenschaften führt dieser Ansatz nicht immer zu konvergenten Lösungen. Daher wurde zusätzlich ein vereinfachtes, stationäres Verdampfermodell entwickelt, das sich auch für umfangreiche Parameterstudien einsetzen lässt. Ein Kernergebnis dieser Parameterstudien ist, dass sich die Verdampfungskapazität bei gleicher Wärmeübertragungsfläche erheblich steigern lässt, indem anstelle des bisher verwendeten Designs, eine höherer Anzahl entsprechend kürzerer Kanäle eingesetzt wird

Dynamic model for investigation of instabilities in microchannel evaporators

Microchannel evaporators are widely used for both cooling applications and for vapor generation in process engineering. They allow high heat transfer rates within minimal space. However, the massive changes of the fluids properties during evaporation can trigger different types of instabilities. These mostly undesired effects are caused by complex interactions of heat conduction, heat transfer and fluid flow within the evaporator. A comprehensive dynamic model is developed to obtain a deeper understanding of the effects occurring her. Experimental validations show that the model is capable of correctly predicting the pressure drop behavior of practical microchannel evaporators

Lithium transport in Li4.4M0.4M’0.6S4 (M= Al3+, Ga3+ and M’= Ge4+, Sn4+): Combined crystallographic, conductivity, solid state NMR and computational studies

In order to understand the structural and compositional factors controlling lithium transport in sulfides, we explored the Li5AlS4 – Li4GeS4 phase field for new materials. Both parent compounds are defined structurally by a hexagonal close packed sulfide lattice, where distinct arrangements of tetrahedral metal sites give Li5AlS4 a layered structure and Li4GeS4 a three dimensional structure related to γ-Li3PO4. The combination of the two distinct structural motifs is expected to lead to new structural chemistry. We identified the new crystalline phase Li4.4Al0.4Ge0.6S4, and investigated the structure and Li+ ion dynamics of the family of structurally related materials Li4.4M0.4M’0.6S4 (M= Al3+, Ga3+ and M’= Ge4+, Sn4+). We used neutron diffraction to solve the full structures of the Al-homologues, which adopt a layered close-packed structure with a new arrangement of tetrahedral (M/M’) sites and a novel combination of ordered and disordered lithium vacancies. AC impedance spectroscopy revealed lithium conductivities in the range 3(2) x 10-6 to 4.3(3) x 10-5 S cm-1 at room temperature with activation energies between 0.43(1) and 0.38(1) eV. Electrochemical performance was tested in a plating and stripping experiment against Li metal electrodes and showed good stability of the Li4.4Al0.4Ge0.6S4 phase over 200 hours. A combination of variable temperature 7Li solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy and ab initio molecular dynamics calculations on selected phases showed that two dimensional diffusion with a low energy barrier of 0.17 eV is responsible for long-range lithium transport, with diffusion pathways mediated by the disordered vacancies while the ordered vacancies do not contribute to the conductivity. This new structural family of sulfide Li+ ion conductors offers insight into the role of disordered vacancies on Li+ ion conductivity mechanisms in hexagonally close packed sulfides that can inform future materials design