Ge¯ntegreerde Energiesystemen (GES)

download Ge¯ntegreerde Energiesystemen (GES)

of 6

  • date post

    11-Jan-2017
  • Category

    Documents

  • view

    220
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Ge¯ntegreerde Energiesystemen (GES)

  • ONT WERP - EN AN ALYSE SOF T WARE VO OR C OMPLE X E GENTEGREERDE ENERGIE SYSTEMEN

    GENTEGREERDE ENERGIE-SYSTEMEN (GES)

    Het ontwerpen van de complete installatie aan boord van een schip is zeer complex. Om tot een geschikt ontwerp te komen moet in de conceptuele fase met veel aspecten rekening worden gehouden. Denk hierbij alleen al aan het technische proces, de onderhoudskosten, het benodigd vermogen en het brandstofverbruik. Veelal is er in deze conceptuele fase een samenwerking tussen reder, werf, toeleverancier en onderaannemers. De energiesystemen die meegenomen worden in het ontwerp van een schip vormen gezamenlijk een zeer complex systeem van allerlei berekeningen van verschillende specialisten. Om deze complexe systemen als geheel te analyseren en te integreren is geschikte software nodig.

    GES is een algemene simulatietool die gebruikt wordt om helder in te zien waar energie bespaard kan worden

    Het op een goede wijze analyseren van zeer complexe systemen wordt steeds belangrijker bij het ontwerpen van nieuwe systemen. Er wordt bijvoorbeeld een steeds hogere efficiency gevraagd van conventionele systemen, terwijl de systemen steeds complexer worden. Als het milieuaspect wordt bekeken, dan is te zien dat er steeds strengere eisen gelden. Daarnaast is de totale systeem-performance van een nieuwe installatie moeilijk te beoordelen als het zich nog in de conceptuele fase bevindt. Dit komt door de complexiteit van het systeem in zijn geheel. In de praktijk blijkt dat het bedenken van oplossingen en innovaties in de conceptuele fase erg tegenvalt. Een efficinte manier om snelle en betrouwbare analyses op totale energiesystemen uit te voeren zijn gentegreerde systeemanalyses.

    1

  • GENTEGREERDE ENERGIE SYSTEMEN (GE S)

    Bij schepen spelen naast het technisch proces o.a. aanschafkosten (afschrijvingen), onderhoudskosten, beschikbaarheid, brandstofgebruik en emissies ook een belangrijke rol bij het ontwerp van een installatie. Om het probleem van tijdrovende en soms complexe conceptuele systeem analyses aan te pakken heeft TNO een integrale systeemanalysetechnologie (in de vorm van het programma GES (Gentegreerde EnergieSystemen)) ontwikkeld.

    De huidige trend is, dat steeds meer installaties met elkaar worden gentegreerd. Het doel hiervan is, het bewerkstelligen van een hogere efficiency van conventionele systemen, het ontwikkelen van compleet nieuwe installaties en vragen op het gebied van energiebesparing te beantwoorden.

    GES is een simulatieprogramma dat in eerste instantie is ontwikkeld voor integrale energiesysteemanalyse. Het programma combineert een blokgeorinteerde taal met een tekstuele taal. Waarbij het blokdiagram dient voor de representatie van het systeem en de tekstuele taal voor het wiskundig beschrijven van de componenten. Het resultaat van de berekeningen kan grafisch worden gepresenteerd, waardoor het mogelijk is het systeem te analyseren. Tevens kunnen de variabelen die in de componenten gedefinieerd zijn worden bekeken met een apart informatiescherm.

    Als notatie voor het blokdiagram wordt de bondgraafnotatie gebruikt. Met deze methode is het mogelijk componenten energetisch te beschrijven. Omdat GES een vrije simulatietaal is kan men zich aan deze beschrijvingswijze houden, maar het is niet noodzakelijk. Door deze flexibele aanpak is het mogelijk concepten in GES te bouwen die voor een bepaald doel ingezet kunnen worden.

    DE STRUCTUUR VAN GESDoor de objectstructuur van GES is het mogelijk zich in eerste instantie te concentreren op de afzonderlijke componenten van de installatie. Dat zijn over het algemeen de vermogens-opwekkers, werktuigen en eindgebruikers. Alle onderdelen uit een realistische installatie kunnen, afhankelijk van de beschikbare informatie, omgezet worden in een fysisch (wiskundig) model.

    Nadat de componenten zijn gekoppeld tot een compleet systeem, is dit systeem voor een geheel operationeel profiel (gewenste missie of cyclus) te analyseren.

    Het GES systeem bestaat uit zes delen: Een grafische omwikkelomgeving, componenten bibliotheek, GES programmeertaal, user-defined component, userdefined bibliotheek, plotroutines.

    MODELLEERTECHNIEKDe methode waarop GES berust maakt een interactie mogelijk tussen de samen-werkende elementen in een gentegreerd systeem. De methode koppelt de elementen in het systeem aan het begrip vermogen. Om tot een kwantitatieve analyse van het systeemgedrag te komen, moeten de elementen, de onderlinge relaties tussen de elementen in het systeem, en de te gebruiken fysische variabelen worden vastgelegd. GES maakt gebruik van de Bondgraaftechniek. Met halve pijlen laat men zien waar de energie naartoe stroomt.

    Het vermogen P van alle energie systemen wordt namelijk gedefinieerd door twee variabelen, genoemd een effort (e) en een flow (f). Hierdoor ontstaat de volgende formule:

    P = f e

    Elk modelelement bezit zijn eigen formules voor de relatie tussen inkomende en uitgaande effort-flow-combinaties. GES zet de formules uit deze elementen bij elkaar en lost ze op. Het eindresultaat kan worden gecontroleerd door naar het resultaat van het vermogen te kijken. Een positief vermogensresultaat is in de richting van de halve pijl en negatief vermogen tegen-gesteld.

    Variabelen die niet in de vermogensstroom zitten kan GES ook berekenen; dit wordt dan als een signaal gezien zoals de meeste simulatieprogrammas werken.

    Een systeemelement in GES kan ook een omhulsel zijn van meerdere elementen. In Figuur 1 is hiervan een voorbeeld weergegeven.

    Figuur 1.

    GES stelt een aantal niet-lineaire expliciete vergelijkingen op waarin het systeem is uitgedrukt. Deze N dimensionale systeem-vergelijkingen worden dan door GES iteratief opgelost. Hoewel GES primair gemaakt is voor stationaire systemen, waarbij het oplossen van expliciete functies een rol speelt, is het ook zeer geschikt om dynamische systemen op te lossen. Dit komt omdat de bondgraafmethode uitsluitend gebruikt wordt voor dynamische systemen.

    2

    MPin PoutF U

    w

    app1

    app2app3 app4

    V i

    M = f1(w,v) V = f3(F,i)F = f2(w,v) U = f4(F,i)

  • GENTEGREERDE ENERGIE SYSTEMEN (GE S)

    SCHEIDING STRUCTUUR EN BESCHRIJVINGOmdat de in- en uitgangen van GES goed gedefinieerd zijn, behoeft men in eerste instantie niet te weten wat de beschrijving is van het model. Zo kan men een gehele modelstructuur maken zonder dat de vergelijkingen ingevuld worden. Van de gewilde systeemanalyse hangt het dan af welke wiskundige beschrijvingen men gaat toepassen. GES bevat een eigen programmeertaal die sterkt lijkt op de gebruikelijke programmeertalen en een script heeft dat overeenkomt met de verslagleggingen van de vergelijkingen. De interne GES compiler compileert iedere component afzonderlijk. Dit heeft als voordeel dat individuele toegevoegde componenten alleen maar vertaalt hoeven te worden. Het is dan niet nodig het volledige systeem te compileren.

    Tevens is het mogelijk de code in een aparte file buiten om GES te zetten en de code op te slaan als objectcode. Met GES is het mogelijk code en objectcode door elkaar te

    gebruiken. Hierdoor is het mogelijk code voor de gebruiker af te schermen. Maar dat nodigt ook uit om componenten onderling uit te wisselen zonder dat achterliggende gevoelige kennis wordt vrijgegeven.

    De GES-structuur laat het toe om afhankelijk van de situatie een modelstructuur in een component te laden. Een voorbeeld wordt hier gegeven van een pijpmodel met lek- en zonder lekberekening. Indien een bepaalde lekgrootte ingevoerd wordt, wordt automatisch een pijplekstructuurmodel onderliggend geladen.

    Het gehele pijpmodel behoeft dan ook geen uitgebreide lekmodules te bevatten waar geen lekkages verwacht worden. Zo kan men dit systeem ook toepassen door zeer uitgebreide modelstructuren te laden die nauwkeurige analyse vereisen, zonder dat men de rest van het systeem moet aanpassen.

    GES heeft een zeer uitgebreide interface-mogelijkheid om buiten GES om opdrachten aan GES te geven die deze structuren automatisch kan regelen. Verschillende component bouwers voor GES zijn al in bijv. Excel/MATLAB en C-programmatuur gerealiseerd. Dit verkleint de kans op fouten in het opbouwen van een systeem en men kan op maat voor de klant een specifieke tool leveren.

    GRAFISCHE PRESENTATIE Door het energiesysteem op een normale manier te presenteren is de informatie minder abstract dan de gebruikelijke bondgraaftechniek en kan de gebruiker gemakkelijker systemen aan elkaar koppelen. De oorsprong voor een 3D presentatiesysteem was om systemen op schaal te presenteren en of apparatuur ook te plaatsen was in het schip. Deze mogelijkheid wordt nu gebruikt om vanuit databases, waar locatie en afmetingen in opgeslagen zijn, te gebruiken voor het snel opzetten van een modelstructuur. In enkele projecten is dit al toegepast. Zie als voorbeeld een pijpensysteem in een schip. Waarna na generatie van het model direct de analyse kan plaatsvinden. Door middel van kleuren wordt aangegeven waar problemen voor bijv. lekkage zijn (Figuur 3). Voor meer functionele simulaties kan met een platgeslagen 2D structuur gewerkt worden, waarin 2D pictos getoond kunnen worden. In de Figuur 4 is een voorbeeld gegeven van een voortstuwings systeem van een schip.

    3

    Figuur 2.

  • GENTEGREERDE ENERGIE SYSTEMEN (GE S)

    MARITIEME BIBLIOTHEEKIn de loop der tijd is voor brandstof- en emissiereductie voor schepen een enorme maritieme bibliotheek opgebouwd met user defined componenten. De userdefined bibliotheek is een verzameling componenten die de gebruiker zelf kan samenstellen. De componenten worden in een boomstructuur gepresenteerd. Met drag-and-drop is het mogelijk deze componenten in het model te zetten. De eventuele verbindingen die de componenten in de bibliotheek hebben zijn voor werking niet van be