Series: Research Reports / RICC

Die Untersuchungen zur Nutzung der Solarenergie werden für die klimatischen Bedingungen von Vietnam durchgeführt. Um das Problem der Elektroenergieversorgung in Vietnam zu verringern und um speziell den Lebensstandard in den ländlichen Gebieten zu erhöhen, werden Anstrengungen unternommen, um Anwendungen der Solarenergie zu entwickeln. Es wäre erstrebenswert, wenn ein komplettes Solartechniksystem zur Hausversorgung zur Verfügung stehen würde. Der Konzipierung und Auslegung der Solartechnik wird ein sog. Referenzhaus zugrunde gelegt, das hinsichtlich seiner Bauweise und Größe typisch für die ländlichen Gegenden in Mittel- und Südvietnam ist. Der Gesamtenergiebedarf orientiert sich an der Lebensweise und der Anzahl der Hausbewohner. Erforderlich ist die Bereitstellung von Warmwasser am Tage sowie von Kälte, die für Frischhaltung von Nahrungsmitteln auch nachts erzeugt werden kann. Dies wird als solares Warmwasser- und Kälteerzeugungssystem bezeichnet. Für die Überwindung von Höhenunterschieden bei der Wasserförderung wird ein solarer Stirlingmotor als Pumpenantrieb in Betracht gezogen. Zur Warmwasserbereitung sollen geeignete Solarkollektoren verwendet werden. Zur Kälteerzeugung scheint sich ein Adsorptionskälteaggregat vorteilhaft in das Gesamtsystem einzuordnen.

Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar. / The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems.

Die Untersuchungen zur Nutzung der Solarenergie werden für die klimatischen Bedingungen von Vietnam durchgeführt. Um das Problem der Elektroenergieversorgung in Vietnam zu verringern und um speziell den Lebensstandard in den ländlichen Gebieten zu erhöhen, werden Anstrengungen unternommen, um Anwendungen der Solarenergie zu entwickeln. Es wäre erstrebenswert, wenn ein komplettes Solartechniksystem zur Hausversorgung zur Verfügung stehen würde. Der Konzipierung und Auslegung der Solartechnik wird ein sog. Referenzhaus zugrunde gelegt, das hinsichtlich seiner Bauweise und Größe typisch für die ländlichen Gegenden in Mittel- und Südvietnam ist. Der Gesamtenergiebedarf orientiert sich an der Lebensweise und der Anzahl der Hausbewohner. Erforderlich ist die Bereitstellung von Warmwasser am Tage sowie von Kälte, die für Frischhaltung von Nahrungsmitteln auch nachts erzeugt werden kann. Dies wird als solares Warmwasser- und Kälteerzeugungssystem bezeichnet. Für die Überwindung von Höhenunterschieden bei der Wasserförderung wird ein solarer Stirlingmotor als Pumpenantrieb in Betracht gezogen. Zur Warmwasserbereitung sollen geeignete Solarkollektoren verwendet werden. Zur Kälteerzeugung scheint sich ein Adsorptionskälteaggregat vorteilhaft in das Gesamtsystem einzuordnen.

The capacity of renewable energy sources constantly increases world-wide and challenges the maintenance of the electric balance between power demand and supply. To allow for a better integration of solar energy supply into the power grids, a lot of research was dedicated to the development of precise forecasting approaches. However, there is still no straightforward and easy-to-use recommendation for a standardized forecasting strategy. In this paper, a classification of solar forecasting solutions proposed in the literature is provided for both weather- and energy forecast models. Subsequently, we describe our idea of a standardized forecasting process and the typical parameters possibly influencing the selection of a specific model. We discuss model combination as an optimization option and evaluate this approach comparing different statistical algorithms against flexible hybrid models in a case study.

Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar. / The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems.

Der Einsatz von Kurzzeit-Multi-Wasserspeichern mit mehreren Temperaturniveaus unter der Einbindung von Solarthermie und anderen Wärmequellen für unterschiedliche Temperaturanforderungen der Verbraucher ist heute noch wenig verbreitet. Bisher wurden kaum größere Kurzzeit-Multiwasserspeicher für eine industrielle Anwendung in Kombination mit einer solarthermischen Anlage, Wärmerückgewinnung und weiteren Wärmequellen untersucht. In dieser Arbeit wird eine Simulation der Einsatzmöglichkeiten von mehreren heißen bzw. warmen Wasserspeichern, in denen die Wassermengen variabel sind, für verschiedene Anwendungen durchgeführt. Dabei kommt das Kurzzeit-Multispeichersystem nicht nur als Wasserspeicher, sondern auch zur Wärmeverteilung von mehreren Wärmequellen und Wärmeverbrauchern in Betracht. Mit den Berechnungen wird das Kurzzeit-Multispeichersystem aus energetischer Sicht bewertet. Dabei werden die Betrachtungen durch mehrere Fallstudien für die Stadt Chemnitz, Deutschland und die Stadt Homs, Syrien durchgeführt. Die Anordnungen und die Wärmedämmungen von Speicherelementen sowie die Verbindungen zwischen den Behältern im Speichersystem werden auch untersucht. Den Simulationen liegt ein selbst geschriebenes Programm in MATLAB, das aus mehreren Unterprogrammen besteht, zugrunde. Dabei werden ein- und zweidimensionale Matrizen benutzt. Die Ergebnisse der energetischen Untersuchungen zeigen Potenziale für die Erhöhung des solaren Energieertrags und der anderen verfügbaren Wärmequellen sowie Einsparungen des konventionellen Energieverbrauchs. / The application of short-term multi-water storage of different temperature levels with the integration of solar thermal and other heat sources for different temperature consumers is still not widely used today. So far, hardly any short-term multi-water storage has been studied for industrial applications in combination with a solar thermal system and a heat recovery as well as other heat sources. In this thesis, a simulation for possible implementation of several hot and/or warm water reservoirs, in which the water quantities are variable, is carried out for different applications. The shortterm multi-storage system is not only considered as water storage but also as heat distribution of several heat sources and heat consumers. The calculations assess the short-term multi-storage system from an energy point of view. Thereby, the considerations for several case studies for comparison with the city of Chemnitz, Germany and the city Homs, Syria will be carried out exemplarily. The arrangements and thermal insulation of storage elements as well as the connections between the containers in the storage system have also been investigated. The simulations are based on a program in MATLAB, which consists of several subroutines to simplify the calculation. One and two-dimensional matrices are used. The results of the energetic investigations show a potential increase of the solar energy yield and other available heat sources as well as savings of conventional energy consumption.

Die Kartierung der städtische Oberflächenmaterialien ist aufgrund der komplexen räumlichen Muster eine Herausforderung. Daten von bildgebenden Spektrometern können hierbei durch die feine und kontinuierliche Abtastung des elektromagnetischen Spektrums detaillierte spektrale Merkmale von Oberflächenmaterialien erkennen, was mit multispektralen oder RGB-Bildern nicht mit der gleichen Genauigkeit erreicht werden kann. Bislang wurden in zahlreichen Studien zur Kartierung von städtischen Oberflächenmaterialien Daten von flugzeuggestützten abbildenden Spektrometern mit hoher räumlicher Auflösung verwendet, die ihr Potenzial unter Beweis stellen und gute Ergebnisse liefern. Im Vergleich zu diesen Sensoren haben weltraumgestützte abbildende Spektrometer eine regionale oder globale Abdeckung, eine hohe Wiederholbarkeit und vermeiden teure, zeit- und arbeitsaufwändige Flugkampagnen. Allerdings liegt die räumliche Auflösung der aktuellen weltraumgestützten abbildenden Spektroskopiedaten bei etwa 30 m, was zu einem Mischpixelproblem führt, welches mit herkömmlichen Kartierungsansätzen nur schwer zu bewältigen ist. Das Hauptziel dieser Studie ist die Kartierung städtischer Materialien mit bildgebenden Spektroskopiedaten in verschiedenen Maßstäben und die gleichzeitige Nutzung des Informationsgehalts dieser Daten, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Oberflächenmaterialien zu erfassen sowie das Mischpixelproblem zu berücksichtigen. Konkret zielt diese Arbeit darauf ab, (1) photovoltaische Solarmodule mit Hilfe von luftgestützten bildgebenden Spektroskopiedaten auf der Grundlage ihrer spektralen Merkmale zu kartieren; (2) die Robustheit der Stichprobe von städtischen Materialgradienten zu untersuchen; (3) die Übertragbarkeit von städtischen Materialgradienten auf andere Gebiete zu analysieren. / Mapping urban surface materials is challenging due to the complex spatial patterns. Data from imaging spectrometers can identify detailed spectral features of surface materials through the fine and continuous sampling of the electromagnetic spectrum, which cannot be achieved with the same accuracy using multispectral or RGB images. To date, numerous studies in urban surface material mapping have been using data from airborne imaging spectrometers with high spatial resolution, demonstrating the potential and providing good results. Compared to these sensors, spaceborne imaging spectrometers have regional or global coverage, high repeatability, and avoid expensive, time-consuming, and labor-intensive flight campaigns. However, the spatial resolution of current spaceborne imaging spectroscopy data (also known as hyperspectral data) is about 30 m, resulting in a mixed pixel problem that is challenging to handle with conventional mapping approaches. The main objective of this study is to perform urban surface material mapping with imaging spectroscopy data at different spatial scales, simultaneously explore the information content of these data to detect the chemical and physical properties of surface materials, and take the mixed-pixel problem into account. Specifically, this thesis aims to (1) map solar photovoltaic modules using airborne imaging spectroscopy data based on their spectral features; (2) investigate the sampling robustness of urban material gradients; (3) analyze the area transferability of urban material gradients.

Die Staatsexamensarbeit befasst sich sowohl mit den Potentialen, als auch mit den möglichen Problemen des Desertec Projekts im französischsprachigen Norden Afrikas. Der Autor beleuchtet im ersten Teil die Potentiale des Projekts für von einem kultur-, politik-, sozialwissenschaftlichen Standpunkt. Im zweiten Teil der Arbeit setzt sich der Autor intensiv mit der Frage nach der Kritik der neokolonialistischen Bestrebungen der Projektinitiatoren auseinander. Darüber hinaus beleuchtet er die Kommunikationsstrategie der Desertec Foundation näher und legt das interkulturelle Potential dieses Unterfangens dar. Daran schließt sich ein Überblick über die französischen, marokkansichen und deutschen Pressestimmen im Zeitraum von 2009 - 2012 zum Desertec Projekt an. Den Abschluss bildet eine Standortanalyse mit dem Fokus auf den von der AQIM ausgehenden Terrorismus und der Korruption vor Ort. / The author of the exam thesis „Das Desertec Projekt und der Arabisch-Frankophone Maghreb am Beispiel Marokko“ discusses various important cultural aspects of the implementation of the mega-project Desertec in the francophone area of North Africa. In this thesis, the author puts the advantages presented by the Desertec Foundation into perspective and discusses possible impediments from a cultural point of view. The first part of the paper covers the topics of solar powered drinking water abstraction as a possibility to meet local needs and Desertec as a promoter of social stability and economic development in the MENA region. The second part is concerned with a discussion of alleged neo-colonial intentions of the companies supporting the Desertec project as well as its management. Moreover, the author discusses the communication strategy of the project and the influence of intercultural aspects on the success of the Desertec vision. Furthermore, the thesis contains a review on press reactions on the topic in the period of 2009 – 2012 and a brief location study discussing the topic of terrorism and corruption in the Maghreb region. The author comes to the conclusion that a mega-project like Desertec cannot solely rely on economic facts and engineering ingenuity, but has to take all cultural points into account and make use of the synergetic effect in order to lead this project to success.

Die Staatsexamensarbeit befasst sich sowohl mit den Potentialen, als auch mit den möglichen Problemen des Desertec Projekts im französischsprachigen Norden Afrikas. Der Autor beleuchtet im ersten Teil die Potentiale des Projekts für von einem kultur-, politik-, sozialwissenschaftlichen Standpunkt. Im zweiten Teil der Arbeit setzt sich der Autor intensiv mit der Frage nach der Kritik der neokolonialistischen Bestrebungen der Projektinitiatoren auseinander. Darüber hinaus beleuchtet er die Kommunikationsstrategie der Desertec Foundation näher und legt das interkulturelle Potential dieses Unterfangens dar. Daran schließt sich ein Überblick über die französischen, marokkansichen und deutschen Pressestimmen im Zeitraum von 2009 - 2012 zum Desertec Projekt an. Den Abschluss bildet eine Standortanalyse mit dem Fokus auf den von der AQIM ausgehenden Terrorismus und der Korruption vor Ort. / The author of the exam thesis „Das Desertec Projekt und der Arabisch-Frankophone Maghreb am Beispiel Marokko“ discusses various important cultural aspects of the implementation of the mega-project Desertec in the francophone area of North Africa. In this thesis, the author puts the advantages presented by the Desertec Foundation into perspective and discusses possible impediments from a cultural point of view. The first part of the paper covers the topics of solar powered drinking water abstraction as a possibility to meet local needs and Desertec as a promoter of social stability and economic development in the MENA region. The second part is concerned with a discussion of alleged neo-colonial intentions of the companies supporting the Desertec project as well as its management. Moreover, the author discusses the communication strategy of the project and the influence of intercultural aspects on the success of the Desertec vision. Furthermore, the thesis contains a review on press reactions on the topic in the period of 2009 – 2012 and a brief location study discussing the topic of terrorism and corruption in the Maghreb region. The author comes to the conclusion that a mega-project like Desertec cannot solely rely on economic facts and engineering ingenuity, but has to take all cultural points into account and make use of the synergetic effect in order to lead this project to success.