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Lightning protection design of a renewable energy hybrid-system without power mains connection
(2001)
In the year 2000 a direct lightning strike to the hybridsystem without power mains connection VATALI on the Greek island Crete results in the destruction and damage of some mechanical and electrical components. The hybrid-system VATALI was not lightning protected at that time. The hardware damage costs are approx. 60,000 €. The exposed site of the hybrid-system on top of a mountain was and still is the reason for a high risk of lightning strikes. Also in the future further lightning strikes have to be taken into consideration. In the paper a fundamental lightning protection design concept for renewable energy hybrid-systems without power mains connection and protection measures against direct strikes and overvoltages are shown in detail. The design concept was realized exemplarily for the hybrid-system VATALI. The hardware costs for the protection measures were about 15,000 €. About 50% of the costs are due to protection measures against direct strikes, 50% are due to overvoltage protection. Future extensions, new installations, or modifications have to be included into the lightning protection design concept of the hybrid-system.
Bauliche Anlagen mit Stahlkonstruktionen (bzw. auch Stahlbetonskelett- Konstruktionen) und metallenen Wänden sind bereits in sehr großer Zahl errichtet. Dazu gehören kleinere bis größere Lagerhallen ebenso wie Einkaufszentren. Sie zeichnen sich durch große Flexibilität, einfache Planung, kurze Bauzeit und rel. geringe Kosten aus. Auch in der nahen Zukunft ist deshalb mit Planung und Errichtung weiterer solcher baulicher Anlagen zu rechnen. Abhängig von der Nutzung der Hallen sind auch mehr oder weniger umfangreiche elektrische und elektronische Systeme vorhanden, die wichtige Funktionen sicherstellen müssen. Der Blitzschutz für diese baulichen Anlagen sollte sich also nicht nur im „klassischen“ Gebäude-Blitzschutz nach DIN V 0185-3 VDE V 0185 Teil 3 [1] erschöpfen; ein Ergänzung hin zu einem sinnvollen Grundschutz der elektrischen und elektronischen Systeme nach DIN V 0185-4 VDE V 0185 Teil 4 [2] ist anzuraten. Im folgenden Beitrag wird ein Konzept vorgestellt, mit dem ein hochwertiger Blitzschutz sowohl der baulichen Anlage und der darin befindlichen Personen, als auch der elektrischen und elektronischen Systeme verwirklicht werden kann. Insbesondere bei großflächigen Hallen stellen sich dabei besondere Anforderungen. Das Konzept und die zugehörigen blitzschutz-technischen Maßnahmen können drei Hauptbereichen zugeordnet werden: - Äußerer Blitzschutz; - Innerer Blitzschutz; - weitergehende besondere Maßnahmen. Das Konzept sowie die Maßnahmen werden allgemein beschrieben und teilweise anhand einer ausgeführten Anlage mit Fotos beispielhaft dokumentiert.
Im Rahmen eines modernen Blitzschutzsystems für Stahlbeton-Bauten bietet es sich an, die Betonbewehrung zu benutzen: - Sie kann die Funktionen der Ableitungseinrichtungen und des Blitzschutz- Potentialausgleichs bei einem klassischen Gebäude-Blitzschutz übernehmen [1]; - Sie kann, ggf. bei entsprechender Ergänzung, als ein geschlossener Käfig ausgebildet werden und damit eine deutliche Reduzierung der Belastung elektrischer / elektronischer Systeme durch blitzinduzierte elektromagnetische Felder erbringen (LEMP-Schutz [2]). Die Nutzung der Bewehrung ist dabei grundsätzlich gleichermaßen bei Neubauten wie auch bei Ertüchtigungen möglich und sinnvoll. So stellt die Nutzung der Bewehrung beispielsweise im Bereich von Großkraftwerken eine wesentliche Ertüchtigungsmaßnahme für den Blitzschutz elektrischer und elektronischer Einrichtungen dar: - Einerseits wird der Blitzschutz-Potentialausgleich durch den Anschluss metallener Einrichtungen wie Elektronik-Schränke, Kabeltrag-Konstruktionen, Rohrleitungen, etc. an die Bewehrung deutlich verbessert. - Andererseits kann bei größeren Gebäuden die elektromagnetische Schirmwirkung durch die elektrische Überbrückung von vorhandenen Dehnfugen bei Stahlbetonbauten optimiert werden. Diese Dehnfugen sind teilweise nur unzureichend überbrückt, so dass bei Blitzeinschlag in das betreffende oder ein benachbartes Gebäude an Kabelstrecken, die über die Dehnfuge hinwegführen, rel. hohe Spannungen induziert werden können [2, 3]. Die sich um das gesamte Gebäude herumziehende oder zwischen zwei Gebäuden befindliche Dehnfuge muss deshalb im Abstand von maximal einigen Metern überbrückt werden. Im Falle von Blitzschutz-Ertüchtigungen in vorhandenen Gebäuden wird bisher an jeder geplanten Anschlussstelle die Bewehrung großflächig (∅ wenige 10 cm) freigelegt, dort ein elektrischer Anschluss zu dem Bewehrungsstab hergestellt, z.B. mittels eines Erdungsfestpunkts, und dann die Betonoberfläche wieder geschlossen. Je nach prognostizierter Strombelastung wird teilweise versucht, den über den Anschluss fließenden Strom bereits auf mehrere Bewehrungsstäbe zu verteilen. Dazu sind entweder die kreuzenden Stäbe zu verschweißen oder es sind direkt Anschlüsse an zwei Bewehrungsstäbe herzustellen. All dieses bedeutet einen hohen Aufwand bei der Freilegung der Bewehrung und auch wieder bei der Schließung der entstandenen Betonlöcher. Es soll deshalb hier untersucht werden, ob es beispielsweise zum Zwecke des Blitzschutz-Potentialausgleichs und auch zur Überbrückung von Dehnfugen ausreichend ist, den Anschluss an die Bewehrung nach einfachen Verfahren nur jeweils an einen Bewehrungsstab herzustellen. Damit würde der finanzielle und administrative Aufwand an Betonarbeiten deutlich reduziert. Die hier dargestellten Verfahren sind dabei insbesondere für den Einsatz bei Blitzschutz-Ertüchtigungen in bestehenden Gebäuden vorgesehen. Abschließend sollen deshalb die Möglichkeiten zur Prüfung korrekter Anschlüsse, die Grenzen der Verfahren sowie auch die Grenzen der Anwendbarkeit bei Neuanlagen diskutiert werden.
Blitzschutzkonzept für eine netz-autarke Hybridanlage am Beispiel der Anlage VATALI auf Kreta
(2001)
Netz-autarke Anlagen bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren Photovoltaik- (PV-) Anlagen, ggf. auch Solarthermie- (ST-) Anlagen und einem oder mehreren kleineren Windgeneratoren (sie werden deshalb auch als Hybridanlagen bezeichnet) und werden vor allem in Gegenden mit sehr schlechter öffentlicher Energieversorgung eingesetzt, d.h. insbesondere in rel. dünn bewohnten Gebieten und in Entwicklungsländern. Der Blitzschutz von netz-autarken Hybridanlagen ist ein bislang noch vergleichsweise unzureichend bearbeitetes Fachgebiet. Für große Windenergie-Anlagen (WEA) wurde in den letzten Jahren eine Zahl von FuE-Projekten durchgeführt, zum Großteil finanziert durch die öffentliche Hand, zum kleineren Teil auch durch die Industrie, d.h. die WEAHersteller. Dabei wurden bestehende Defizite im Design der WEA festgestellt und Maßnahmen vorgeschlagen, die vor den mechanischen Zerstörungen insbesondere des Rotors und vor den Störungen und Zerstörungen an den elektrischen / elektronischen Systemen der WEA weitgehend Schutz bieten [1, 2, 3]. Der Stand-der- Normung ist im Entwurf DIN VDE 0127 Teil 24 „Blitzschutz für Windenergieanlagen“ (dt. Übersetzung des internationalen Drafts IEC 61400-24 „Wind turbine generator systems; Part 24: Lightning Protection“) dokumentiert [4]. Die Maßnahmen sind allerdings insbesondere für größere WEA vorgesehen; im Falle kleinerer WEA lassen sie sich nur bedingt umsetzen. Trotzdem sind auch kleinere WEA rel. stark blitzeinschlaggefährdet, wenn sie auf einer Bergkuppe o.ä. platziert werden. Für solche kleinere WEA, wie sie bei Hybridanlagen üblicherweise Verwendung finden, müssen die Blitzschutzmaßnahmen aus der DIN VDE 0127 Teil 24 angepasst werden. Für PV- und ST-Anlagen ist eine entsprechende Blitzschutz-Norm noch nicht in Sicht. Hier ist vor allem der Schutz gegen direkte Blitzeinschläge in die Anlage bzw. die Gebäude noch nicht ausreichend beachtet. Blitzfangeinrichtungen sind oft nicht vorgesehen. In aller Regel hat man dabei bisher eine Ausführungsform des Blitzschutzes realisiert, die primär einen Ferneinschlag berücksichtigt und die dabei entstehenden induzierten, rel. energieschwachen Überspannungen durch schwächere Schutzelemente wie Rückstromdioden, Bypassdioden und zum Teil thermisch überwachte Varistoren begrenzt [5, 6, 7]. Diese Schutzelemente können allerdings bei Naheinschlägen bzw. Direkteinschlägen überlastet und damit zerstört werden. Darüber hinaus können Nahoder Direkteinschläge auch zur Schwächung der elektrischen Festigkeit der PVModulisolierung führen. Die Folge davon sind lokale extreme Wärmeentwicklungen, die sogar ein Schmelzen von Glas (sekundärer Langzeiteffekt) hervorrufen könnten. Bei einem Blitzeinschlag in die netz-autarke Hybridanlage VATALI auf Kreta im Jahre 2000 wurden sowohl einige mechanische wie auch elektrische Komponenten der Anlage zerstört bzw. zum Teil schwer beschädigt. Die Anlage VATALI besaß zum Zeitpunkt des Blitzeinschlags keinen wirksamen Blitzschutz. Der Gesamtschaden der Hardware belief sich auf ca. 60.000,- EURO. Die exponierte Stellung der Anlage auf einer Bergspitze stellte und stellt nach wie vor ein enormes Blitzeinschlag-Risiko dar, so dass auch zukünftig mit Blitzeinwirkungen gerechnet werden muss. Die Anlage wurde inspiziert, blitzschutz-technische Erfordernisse definiert und daraus Ertüchtigungsmaßnahmen abgeleitet, die mit überschaubarem Aufwand realisierbar sind.
IASSE-2004 - 13th International Conference on Intelligent and Adaptive Systems and Software Engineering eds. W. Dosch, N. Debnath, pp. 245-250, ISCA, Cary, NC, 1-3 July 2004, Nice, France We introduce a UML-based model for conceptual design support in civil engineering. Therefore, we identify required extensions to standard UML. Class diagrams are used for elaborating building typespecific knowledge: Object diagrams, implicitly contained in the architect’s sketch, are validated against the defined knowledge. To enable the use of industrial, domain-specific tools, we provide an integrated conceptual design extension. The developed tool support is based on graph rewriting. With our approach architects are enabled to deal with semantic objects during early design phase, assisted by incremental consistency checks.
The workflow of a high throughput screening setup for the rapid identification of new and improved sensor materials is presented. The polyol method was applied to prepare nanoparticular metal oxides as base materials, which were functionalised by surface doping. Using multi-electrode substrates and high throughput impedance spectroscopy (HT-IS) a wide range of materials could be screened in a short time. Applying HT-IS in search of new selective gas sensing materials a NO2-tolerant NO sensing material with reduced sensitivities towards other test gases was identified based on iridium doped zinc oxide. Analogous behaviour was observed for iridium doped indium oxide.
Applications of Graph Transformations with Industrial Relevance Lecture Notes in Computer Science, 2004, Volume 3062/2004, 434-439, DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-540-25959-6_33 This paper gives a brief overview of the tools we have developed to support conceptual design in civil engineering. Based on the UPGRADE framework, two applications, one for the knowledge engineer and another for architects allow to store domain specific knowledge and to use this knowledge during conceptual design. Consistency analyses check the design against the defined knowledge and inform the architect if rules are violated.
In: Advances in intelligent computing in engineering : proceedings of the 9.International EG-ICE Workshop ; Darmstadt, (01 - 03 August) 2002 / Martina Schnellenbach-Held ... (eds.) . - Düsseldorf: VDI-Verl., 2002 .- Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 4, Bauingenieurwesen ; 180 ; S. 1-35 The paper describes a novel way to support conceptual design in civil engineering. The designer uses semantical tools guaranteeing certain internal structures of the design result but also the fulfillment of various constraints. Two different approaches and corresponding tools are discussed: (a) Visually specified tools with automatic code generation to determine a design structure as well as fixing various constraints a design has to obey. These tools are also valuable for design knowledge specialist. (b) Extensions of existing CAD tools to provide semantical knowledge to be used by an architect. It is sketched how these different tools can be combined in the future. The main part of the paper discusses the concepts and realization of two prototypes following the two above approaches. The paper especially discusses that specific graphs and the specification of their structure are useful for both tool realization projects.
WS GTaD-2003 - The 1st Workshop on Graph Transformations and Design ed Grabska, E., Seite 6-7, Jagiellonian University Krakow. 2 pages
Applications of Graph Transformations with Industrial Relevance Lecture Notes in Computer Science, 2004, Volume 3062/2004, 90-105, DOI: 10.1007/978-3-540-25959-6_7 In this paper we discuss how tools for conceptual design in civil engineering can be developed using graph transformation specifications. These tools consist of three parts: (a) for elaborating specific conceptual knowledge (knowledge engineer), (b) for working out conceptual design results (architect), and (c) automatic consistency analyses which guarantee that design results are consistent with the underlying specific conceptual knowledge. For the realization of such tools we use a machinery based on graph transformations. In a traditional PROGRES tool specification the conceptual knowledge for a class of buildings is hard-wired within the specification. This is not appropriate for the experimentation platform approach we present in this paper, as objects and relations for conceptual knowledge are due to many changes, implied by evaluation of their use and corresponding improvements. Therefore, we introduce a parametric specification method with the following characteristics: (1) The underlying specific knowledge for a class of buildings is not fixed. Instead, it is built up as a data base by using the knowledge tools. (2) The specification for the architect tools also does not incorporate specific conceptual knowledge. (3) An incremental checker guarantees whether a design result is consistent with the current state of the underlying conceptual knowledge (data base).
ITCE-2003 - 4th Joint Symposium on Information Technology in Civil Engineering ed Flood, I., Seite 1-12, ASCE (CD-ROM), Nashville, USA In this paper we discussed graph based tools to support architects during the conceptual design phase. Conceptual Design is defined before constructive design; the used concepts are more abstract. We develop two graph based approaches, a topdown using the graph rewriting system PROGRES and a more industrially oriented approach, where we extend the CAD system ArchiCAD. In both approaches, knowledge can be defined by a knowledge engineer, in the top-down approach in the domain model graph, in the bottom-up approach in the in an XML file. The defined knowledge is used to incrementally check the sketch and to inform the architect about violations of the defined knowledge. Our goal is to discover design error as soon as possible and to support the architect to design buildings with consideration of conceptual knowledge.
In: Forum Bauinformatik 2005 : junge Wissenschaftler forschen / [Lehrstuhl Bauinformatik, Brandenburgische Technische Universität Cottbus. Frank Schley ... (Hrsg.)]. - Cottbus : Techn. Universität 2005. S. 1-10 ISBN 3-934934-11-0
Mittels eines operationalen Ansatzes zur Semantikdefinition wird am Bei-spiel des konzeptuellen Gebäudeentwurfs ein Regelsystem formalisiert. Dazu werdenzwei Teile, zum einen das Regelwissen, zum anderen ein konzeptueller Entwurfsplan zunächst informell eingeführt und dann formal beschrieben. Darauf aufbauend wird die Grundlage für eine Konsistenzprüfung des konzeptuellen Entwurfs gegen das Regel-wissen formal angeben
In: Proceedings of the 39th Annual Hawaii International Conference on System Sciences, 2006. HICSS '06 http://dx.doi.org/10.1109/HICSS.2006.200 The conceptual design phase at the beginning of the building construction process is not adequately supported by any CAD-tool. Conceptual design support needs regarding two aspects: first, the architect must be able to develop conceptual sketches that provide abstraction from constructive details. Second, conceptually relevant knowledge should be available to check these conceptual sketches. The paper deals with knowledge to formalize for conceptual design. To enable domain experts formalizing knowledge, a graph-based specification is presented that allows the development of a domain ontology and design rules specific for one class of buildings at runtime. The provided tool support illustrates the introduced concepts and demonstrates the consistency analysis between knowledge and conceptual design.
In: Proc. of the 11th Intl. Conf. on Computing in Civil and Building Engineering (ICCCBE-XI) ed. Hugues Rivard, Montreal, Canada, Seite 1-12, ACSE (CD-ROM), 2006 Currently, the conceptual design phase is not adequately supported by any CAD tool. Neither the support while elaborating conceptual sketches, nor the automatic proof of correctness with respect to effective restrictions is currently provided by any commercial tool. To enable domain experts to store the common as well as their personal domain knowledge, we develop a visual language for knowledge formalization. In this paper, a major extension to the already existing concepts is introduced. The possibility to define rule dependencies extends the expressiveness of the knowledge definition language and contributes to the usability of our approach.
In: Computer Aided Architectural Design Futures 2005 2005, Part 4, 207-216, DOI: http://dx.doi.org/10.1007/1-4020-3698-1_19 The conceptual design at the beginning of the building construction process is essential for the success of a building project. Even if some CAD tools allow elaborating conceptual sketches, they rather focus on the shape of the building elements and not on their functionality. We introduce semantic roomobjects and roomlinks, by way of example to the CAD tool ArchiCAD. These extensions provide a basis for specifying the organisation and functionality of a building and free architects being forced to directly produce detailed constructive sketches. Furthermore, we introduce consistency analyses of the conceptual sketch, based on an ontology containing conceptual relevant knowledge, specific to one class of buildings.
In: Net-distributed Co-operation : Xth International Conference on Computing in Civil and Building Engineering, Weimar, June 02 - 04, 2004 ; proceedings / [ed. by Karl Beuke ...] . - Weimar: Bauhaus-Univ. Weimar 2004. - 1. Aufl. . Seite 1-14 ISBN 3-86068-213-X International Conference on Computing in Civil and Building Engineering <10, 2004, Weimar> Summary In our project, we develop new tools for the conceptual design phase. During conceptual design, the coarse functionality and organization of a building is more important than a detailed worked out construction. We identify two roles, first the knowledge engineer who is responsible for knowledge definition and maintenance; second the architect who elaborates the conceptual de-sign. The tool for the knowledge engineer is based on graph technology, it is specified using PROGRES and the UPGRADE framework. The tools for the architect are integrated to the in-dustrial CAD tool ArchiCAD. Consistency between knowledge and conceptual design is en-sured by the constraint checker, another extension to ArchiCAD.