In this thesis, new all-printed capacitors are developed for the applications of energy storage, filter, and resonant circuits by using new dielectric material and an advanced technology. The innovative devices provide satisficing electrical performances with high breakdown voltages and capacitance densities. The main body of this thesis is divided in three parts. The first part is to introduce the fundamental background of printing technologies, electrical capacitors and printable materials. Among all the printing technologies, direct writing family is the most advantageous in the small-scale and fast production of printed electronics due to the properties of masterless processing, digital control, and print-on-demand. Both inkjet printing and ultrasonic fluid dispensing applied in this work are grouped into the direct writing family. A cross-linkable dielectric material poly(methyl methacrylate)84/(4-benzoylphenyl methacrylate)16 [P(MMA84/BPMA16)] exhibits the optimized chemical and mechanical stabilities in comparison with uncross-linked poly(methyl methacrylate) (PMMA). Poly(vinylidene fluoride-co-trifluoro ethylene) [P(VDF-TrFE)] exhibits a high dielectric constant of 16. The great advantages of both polymeric dielectrics make them ideal for printed electronics. The second part is devoted to the preparation of printed thin-film capacitors by providing four different layouts and architectures for multiple electronic applications. The printing setup, process setting and steps are summarized in detail. The following part which is the major content of this thesis is divided into two aspects: in the first aspect, the intriguing new form of continuous solution dispensing technology, ultrasonic fluid dispensing, is demonstrated as an alternative printing technology for the commonly applied ones. In comparison with the widely-used inkjet printing, continuous solution dispensing is the most advantageous in thin-film capacitor processing with metal nanoparticle and polymer dielectric inks. It enables precise pattern transfers with low surface roughness, small feature size (as small as 5 μm), and accurate positioning (5 μm resolution). Most importantly, problems due to discrete droplets and nozzle clogging in inkjet printing are avoided in continuous solution dispensing. All the inks applied for printed capacitors in this work are printed successfully with this innovating technology. Direct printing on demand and rapid switching among different inks are some other attributes of this printing technology that enable high throughput. The second aspect of this part is to characterize and evaluate the fabricated capacitors. The measured values include capacitor dimension, dielectric strength, capacitance density, energy density, charge/discharge behavior and so on. In summary, this work provides not only the use of the advantageous materials P(MMA84/BPMA16) and P(VDF-TrFE) in high-performance capacitors, but also paves the way of developing thin-film capacitors with a new continuous solution dispensing technology which makes the low-cost and high-quality manufacture of printed devices possible.

Der Ausbau dezentraler Energieanlagen wie fotovoltaischen Anlagen beeinflusst die Netzzustände signifikant. Dabei ist unsicher, wo und in welchem Maße deren Ausbau zukünftig erfolgt. Es ist nun an den Netzbetreibern gleichzeitig die aktuellen Herausforderungen zu meistern und die Netzplanung und -regelung für die Zukunft zu aktualisieren. Eine statistische Methode wird entwickelt, die Verteilnetzplanung unter Einsatz von quasi-stationär modellierten ”Smart Grid”-Lösungen wie Blindleistungsreglern und regelbaren Ortsnetztransformatoren ermöglicht. Durch Stichprobenverfahren werden Unsicherheiten wie Ort, Größe und Leistungsprofile der Energieanlagen in das Netzmodell eingebunden. Diese als probabilistischer Lastfluss bekannte Methode wird durch Gütemaße im Bereich geringer Kombination evaluiert. Beispiele probabilistischer Netzplanung werden an Netztopologien präsentiert. / Development of distributed energy units such as photovoltaic systems affects grid states significantly. It is uncertain, where and to what extent the development of these units is carried out in the future. It is now up to the distribution system operator to cope with todays grid challenges and to update grid planning and control for the future. A statistical method is developed, which incorporates quasi-stationary modeled ”smart grid” solutions such as reactive power controllers and on-load tap-changers. Uncertainties such as location, size and power profiles of energy systems are integrated into the grid model by sampling. This method is known as probabilistic load flow and is evaluated by quality measures at low combinations. Examples on probabilistic grid planning of different grid topologies are presented.

Aufgrund der sehr hohen magnetokristallinen Anisotropiekonstante eignet sich besonders die Phase SmCo5 für zukünftige Festplattenmedien mit hoher Speicherdichte. Durch die starke Oxidationsneigung und die gegebene chemischen Ähnlichkeit anderer Seltenen Erden ist es eine Herausforderung hartmagnetische SmCo-basierte Nanopartikel mittels Inertgaskondensation herzustellen. Zudem bestimmt die Oberflächenenergie maßgeblich die Eigenschaften von Nanopartikeln, sodass ein Element mit einer geringen solchen energetisch bevorzugt die Oberfläche bildet. Diese Arbeit zeigt auf, wie die sauerstoffbasierte Oxidation und die unterschiedlichen Oberflächenenergien der legierungsbildenden Elemente die Struktur, die Morphologie und die chemische Verteilung der Elemente innerhalb der Nanopartikel beeinflussen und so die Legierungsbildung einer hartmagnetischen Sm(Pr)Co-Phase steuern. Mithilfe von aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie in Verbindung mit Elektronenenergieverlustspektroskopie werden Morphologie, Elementverteilung und Struktur von unterschiedlich hergestellten Sm(Pr)Co-Nanopartikeln untersucht und analysiert. Die auftretende Segregation der Seltenen Erden an die Oberfläche der Nanopartikel wird zum einen auf eine sauerstoffinduzierte, zum anderen auf eine intrinsische Segregation, also eine durch unterschiedliche Oberflächenenergien der legierungsbildenden Elementen hervorgerufene Segregation zurückgeführt. Anhand eines entwickelten geometrischen Modells wird zwischen den beiden Ursachen der Segregation unterschieden. Das Verständnis um die kausalen Zusammenhänge der Segregation lässt den Schritt zur Herstellung hartmagnetischer intermetallischer SmCo-basierter Nanopartikel zu. Hierzu werden speziell Nanopartikelagglomerate geformt und optisch in einem Lichtofen erhitzt, sodass die Primärpartikel in den Agglomeraten versintern und schließlich das resultierende sphärische Partikel kristallisiert. HRTEM-Aufnahmen und Elektronenbeugung bestätigen die erfolgreiche Herstellung von SmCo5- und Sm2Co17-basierten Nanopartikeln. Die Koerzitivfeldstärke dieser Partikelensembles beträgt 1,8T und einem Maximum in der Schaltfeldverteilung bei 3,6T. Die magnetischen Eigenschaften spiegeln die analysierten strukturellen, morphologischen und chemischen Eigenschaften der Nanopartikel wider.

Wegen ihrer großen Bedeutung für die Verfügbarkeit der Stellwerke thematisiert die vorliegende Arbeit den Teilbereich der Energieversorgungsanlagen von Stellwerken. Ausgehend von aktuellen Fragestellungen werden neun Forschungsfragen definiert. Zunächst werden die Grundlagen sowie der Forschungsstand im Bereich der Energieversorgung untersucht. Anschließend erfolgt eine Analyse der historischen Entwicklung der Energieversorgung in der Stellwerkstechnik auf Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche. Darauf folgend werden aktuelle und zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet untersucht. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt eine Fokussierung auf die Energieversorgung von Relaisstellwerken. Die derzeit eingesetzten Anlagen werden hinsichtlich Technik, Altersstruktur und Zustand nebst Störungen analysiert. Dazu werden umfangreiche statistische Auswertungen vorgenommen. Im Anschluss wird ein universelles Erneuerungskonzept zur Ausrüstung der vorhandenen Stellwerke mit modernen Energieversorgungen vorgestellt. Durch die Untersuchung von Entscheidungskriterien wird ermittelt, wann unterschiedliche Erneuerungsvarianten eingesetzt werden sollten. In einer Lebenszykluskostenrechnung (LCC) mit anschließender Wirtschaftlichkeitsrechnung (WKR) werden diese Umbauvarianten monetär bewertet und miteinander verglichen. / Due to its importance for the availability of interlockings, this PhD thesis focuses on the part of the interlockings power supply systems. Based on current issues, nine research questions are defined. First, the basics as well as the present state of the art in research and technology in the field of power supply are examined. This is followed by an analysis of the historical development of interlocking power supply systems based on a substantial literature research. Subsequently, the current and future key developments in this field are investigated. The main part of the work focuses on power supply systems of relay interlockings. The systems currently used are analysed regarding technology, aging and present condition as well as incidents. For that purpose comprehensive statistical evaluations are conducted. After that, a universal concept for replacement of old power supplies by state-of-the-art technology in existing interlocking systems is presented. By studying decision-making-criteria, the appropriate application of different renewal variants is determined. In a life-cycle-costing (LCC) and follow-up cost effective analysis (WKR) the different variants are evaluated and compared with each other.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag für ein besseres Verständnis über die zyklische Alterung von Siliciumnanopartikel (Si-NP) als Anodenmaterial in Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien. Im Fokus der Studie stand der Einfluss der Partikelgröße, des Elektrodendesigns und der Elektrolytzusammensetzung auf die elektrochemische Reversibilität des Siliciums zur Lithiumspeicherung. Über umfangreiche strukturelle Charakterisierungstechniken mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie in Verbindung mit elektrochemischen Untersuchungsmethoden, konnten wesentliche Mechanismen zur Degradation aufgeklärt und die Funktion diverser Oberflächenverbindungen auf der Siliciumanode identifiziert werden. Als Hauptursache der Degradation von Si-NP mit einer Partikelgröße unter 20 nm konnte das Wachstum der Solid-Electrolyte-Interface (SEI) identifiziert werden. Pulverisierung und die Bildung neuer kristalliner Phasen kann ausgeschlossen werden. Es wurde ein kostengünstiges und flexibles Verfahren zur Herstellung eines nanostrukturierten Silicium-Kohlenstoff-Komposites entwickelt, welches unter optimierten Bedingungen eine spezifische Kapazität von 1280 mAh/g(Elektrode) und einen Kapazitätserhalt von 81 % über 500 Tiefentladungszyklen liefert. Es konnten erfolgreich hoch reversible Flächenkapazitäten von 5 mAh/cm^2 bei nur 4,4 mg/cm^2 Elektrodengewicht nachgewiesen werden. Für die Arbeit wurde zunächst ein Verfahren zur Herstellung von monodispersen Si-NP mit einer Größe von 5 nm – 20 nm angewendet. Die galvanostatische Zyklierung gegen Lithiummetall hat ergeben, dass mit abnehmender Partikelgröße die Reversibilität des Siliciums zunimmt. Über in situ Synchrotron XRD und post mortem XPS konnte eine stabilere Solid-Electrolyte-Interface (SEI) mit abnehmender Partikelgröße als Hauptursache identifiziert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden Si-NP im porösen Kohlenstoffgerüst durch ein leicht modifiziertes Herstellungsverfahren abgeschieden und untersucht. Durch das veränderte Elektrodendesign konnte die Reversibilität bei gleichem Kohlenstoffgehalt deutlich verbessert werden, da der Kontaktverlust des Siliciums zum leitfähigen Gerüst durch SEI Wachstum verzögert wird. Die Elektrolytadditive Fluoroethylencarbonat und Vinylencarbonat führen zu einer weiteren Verbesserung der Reversibilität, wobei Vinylencarbonat die höchste Reversibilität zur Folge hat, jedoch einen hohen Filmwiderstand verursacht. Weiterhin wurden etherbasierte Elektrolyte, welche typischerweise in Lithium-Schwefel-Batterien zum Einsatz kommen, untersucht. Hierbei wurde eine positive Wirkung von Lithiumnitrat auf die Reversibilität von Silicium festgestellt. Es konnten erfolgreich Si-Li-S (SLS) Vollzellen getestet werden, welche eine höhere Lebensdauer als vergleichbare Zellen mit Lithiummetall als Anode aufweisen. Aus den elektrochemischen und post mortem Untersuchungen konnte ein positiver Einfluss von Polysulfiden auf die SEI von Silicium nachgewiesen werden. Durch die umfangreichen post mortem Analysen konnte die Funktion diverser, in der SEI des Siliciums auftretender Verbindungen in Abhängigkeit der Elektrolytzusammensetzung aufgeklärt werden. Es wurde ein anschaulicher Mechanismus des SEI Wachstums in Abhängigkeit des Elektrolyts erstellt. / The results of this work provide a better understanding about the cyclic aging of silicon nanoparticles (Si-NP) as anode material in Lithium-ion- and Lithium-sulfur batteries. Subject of investigation was the influence of particle size, electrode design and electrolyte composition on the electrochemical reversibility of Si-NP for lithium storage. The main characterization techniques used in this study were XRD, SEM, TEM and XPS combined with electrochemical analysis and in situ synchrotron XRD. Bare silicon nanoparticles ranging from 5 – 20 nm and silicon nanoparticles embedded within a porous carbon scaffold were prepared through a cost-effective and novel synthesis technique including the hydrolysis of trichlorosilane as feedstock. The dominant degradation mechanism of these silicon nanoparticles was identified to be the continuous growth the solid-electrolyte-interphase (SEI). Other phenomena such as pulverisation or new evolving crystalline phases are excluded. It was found that a reduction of the particle size from 20 nm to 5 nm increases the reversibility due to a thicker and therewith more stable SEI. The deposition of the silicon nanoparticles into a porous carbon scaffold caused a significant improvement of the reversibility at constant carbon content. The effect of the electrolyte additives Fluoroethylene carbonate and Vinylene carbonate was analysed in detail. Furthermore, typical electrolyte compositions used for lithium-sulfur-batteries were tested and studied. Si-Li-S (SLS) full cells were demonstrated which outperform conventional lithium-sulfur batteries in terms of life time. The systematic analysis and the rational optimization process of the particle size, electrode design and electrolyte composition allowed to provide a nanostructured silicon electrode with a specific capacity of up to 1280 mAh/g(Electrode) and 81 % capacity retention after 500 deep discharge cycles. Reversible areal capacities of 5 mAh/cm^2 at 4.4 mg/cm^2 electrode weight were demonstrated.

Moderne optoelektronische Dünnfilmapplikationen erfordern den Einsatz effizienter großflächiger Elektrodensysteme, die einerseits über sehr gute Leitfähigkeitseigenschaften verfügen und andererseits eine hohe Transparenz in einem breiten Wellenlängenspektrum aufweisen. Momentan wird für derartige Anwendungen zum Großteil der Werkstoff Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt, dessen Hauptbestandteil Indium nur in geringen Mengen auf der Erde vorkommt. Für die Erhaltung der Marktfähigkeit und zur Weiterentwicklung der Dünnschichtelektronik ist es nötig, dieses Ressourcenproblem zu lösen. Eine Möglichkeit zur Substitution von ITO ist die Verwendung dünner metallischer Filme als transparente Elektroden. Die vorliegende Dissertationsschrift untersucht in diesem Zusammenhang die Anwendung der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP). Um hinreichend große optische Transparenz bei entsprechender elektrischer Leitfähigkeit zu erhalten, werden Dünnschichtensysteme aus Kupfer, Aluminium, Chrom und Silber mit verschiedenen periodischen Lochmustern zwischen 1,5-2,7 µm perforiert. Im Anschluss werden die bearbeiteten Probenkörper hinsichtlich ihrer optischen, elektrischen und topografischen Eigenschaften vermessen. Die umfangreichen gewonnenen Daten werden in einer Auswertung zusammengefasst und mit Resultaten aus numerischen Modellrechnungen verglichen. Neben den Ergebnissen zur Effizienzsteigerung der Dünnfilme untersucht die vorliegende Arbeit die laserinduzierte Ablationsdynamik metallischer Filme auf Glassubstrat zwischen 5-40 nm Schichtdicke.

Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

Kenntnisse über das prinzipielle Verhalten der Lasten und deren Benutzung durch die Endabnehmer sind im Wesentlichen vorhanden. Viele der aktuell notwendigen Untersuchungen benötigen jedoch Zeitreihen elektrischer Lasten, sogenannte Lastgänge. Mit der Synthese von Zeitreihen elektrischer Lasten können unter Berücksichtigung verschiedenster Anforderungen Lastgänge aufgebaut werden, wobei in dieser Arbeit der Fokus auf Haushaltsabnehmer liegt. Wichtige Eingangsdaten für die Lastgangsynthese sind die technischen Kenngrößen der elektrischen Geräte und die sozialen Kennzahlen zur Benutzung der Geräte durch die Endabnehmer. Anhand dieser Eingangsdaten wird die Lastgangsynthese durchgeführt und werden Anwendungsbeispiele dargestellt. Die Entwicklung von klassischen Versorgungsnetzen hin zu aktiven Verteilungsnetzen ist bedingt durch neue Verbraucher, wie Wärmepumpen, Elektroautos, sowie vielen dezentralen Erzeugungsanlagen. Speziell die fluktuierende Einspeisung durch Photovoltaik-Anlagen ist Anlass zur Forderung nach einem Verbrauchs- und Lastmanagement. Mit dem Verbrauchsmanagement wird die Last an die Einspeisung angepasst und das Lastmanagement berücksichtigt zusätzlich die Versorgungssituation des Netzes. Für die Lastgangsynthese werden die Haushaltsgeräte in fünf Geräteklassen unterteilt, für die spezifische Kennzahlen aus technischer und sozialer Sicht angegeben werden. Diese Kennzahlen sind Leistung pro Gerät oder Energieverbrauch pro Nutzung sowie Ausstattungsgrade, Benutzungshäufigkeiten und Zeiten für das Ein- und Ausschalten der Geräte. Damit wird ein neuer Ansatz gewählt, welcher nicht mehr auf die detaillierte Beschreibung des Bewohnerverhaltens beruht, da die Datenbereitstellung dafür äußerst schwierig war und ist. Vorzugsweise in Niederspannungsnetzen sind mit synthetischen Zeitreihen umfangreiche und umfassende Untersuchungen realisierbar. Es gibt verschiedenste Möglichkeiten, die Zeitreihen zusammenzustellen. Mit Lastgängen je Außenleiter können beispielsweise unsymmetrische Zustände der Netze analysiert werden. Zudem können auch Lastgänge für Geräte bzw. Gerätegruppen erstellt werden, welche für Potenzialanalysen des Verbrauchsmanagement essenziell sind. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass viele Berechnungen nicht mehr auf deterministische Extremwerte beruhen, sondern die stochastischen Eigenschaften der Endabnehmer mit den resultierenden Lastgängen berücksichtigt werden. / Distributed generation and novel loads such as electric vehicles and heat pumps require the development towards active distribution networks. Load curves are needed for the appropriate design process. This thesis presents a feasible and expandable synthesis of load curves, which is performed exemplary on residential customers with a period under review of 1 year and time steps of as little as 30 s. The data is collected for up-to-date appliances and current statics examining the way of life. The main focus lies on the input data for the synthesis and distinguishes between technical and social factors. Some thirty home appliances have been analyzed and are classified into five appliance classes by incorporating switching operations and power consumptions. The active power is the key figure for the technical perspective and the data is derived from manufacturer information. For the social perspective six different customer types are defined. They differ in sizes of household and housekeeping. The social key figures are appliance penetration rate and depending on the appliance class the turn-on time, turn-off time, operating duration or cycle duration. The elaborated two-stage synthesis is efficiently implemented in Matlab®. First, artificial load curves are created for each appliance of the households under consideration of the appliance class. In the second step, the individual load curves of the appliances are combined to load curves per line conductor. The algorithms have been validated in the implementation process by retracing the input data in the load curves. Also, the feasibility of the results is shown by comparing the key figures maximum load and power consumption to data in literature. The generated load curves allow for unsymmetrical calculations of distribution systems and can be used for probabilistic investigations of the charging of electric vehicles, the sizing of thermal storage combined with heat pumps or the integration of battery storage systems. A main advantage is the possibility to estimate the likelihood of operating conditions. The enhancement to further appliances and the changeability of the input data allows for versatile further possible investigations.

In this paper, we analyze the achievable secrecy rates in the two-hop wiretap channel with four nodes, where the transmitter and the receiver have multiple antennas while the relay and the eavesdropper have only a single antenna each. The relay is operating in amplify-and-forward mode and all the channels between the nodes are known perfectly by the transmitter. We discuss different transmission and protection schemes like artificial noise (AN). Furthermore, we introduce interference neutralization (IN) as a new protection scheme. We compare the different schemes regarding the high-SNR slope and the high-SNR power offset and illustrate the performance by simulation results. It is shown analytically as well as by numerical simulations that the high SNR performance of the proposed IN scheme is better than the one of AN.

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung verschiedener Konzepte und Algorithmen zum skalierbaren Live-Streaming von Video sowie deren Umsetzung in der Media Internet Streaming Toolbox. Die Toolbox stellt eine erweiterbare, plattformunabhängige Infrastruktur zur Erstellung aller Teile eines Live-Streamingsystems von der Videogewinnung über die Medienverarbeitung und Codierung bis zum Versand bereit. Im Vordergrund steht die flexible Beschreibung der Medienverarbeitung und Stromerstellung sowie die Erzeugung von klientenindividuellen Stromformaten mit unterschiedlicher Dienstegüte für eine möglichst große Zahl von Klienten und deren Verteilung über das Internet. Es wird ein integriertes graphenbasiertes Konzept entworfen, in dem das Component Encoding Stream Construction, die Verwendung von Compresslets und eine automatisierte Flussgraphenkonstruktion miteinander verknüpft werden. Die für die Stromkonstruktion relevanten Teile des Flussgraphen werden für Gruppen mit identischem Zustand entkoppelt vom Rest ausgeführt. Dies führt zu einer maximalen Rechenlast, die unabhängig von der Zahl der Klienten ist, was sowohl theoretisch gezeigt als auch durch konkrete Messungen bestätigt wird. Als Beispiele für die Verwendung der Toolbox werden unter Anderem zwei waveletbasierte Stromformate entwickelt, integriert und bezüglich Codiereffizienz und Skalierbarkeit miteinander verglichen