"Molecular dynamics simulations of materials with non-linear electrical properties"

Materials with non-linear electrical properties present an intense non-linearity at their characteristic current-voltage (I-V) curve and are known as variable resistors, varistors. Particularly, under normal operation voltages, varistor operates as a resistor but under higher voltages than the normal ones, it operates as a conductor. The transition from resistors’ to conductors’ phase is determined to each varistor by its breakdown voltage value (V_br). Varistors find application in protection of electronic and electrical system arrays that are fed by the power network at 220V against unwanted pulses of overvoltage or overcurrent to the grid. The main representative of the new generation of varistors is the Zinc Oxide (ZnO), which constitutes the base of ceramic polycrystalline materials suitably modified with supplementary oxides like Bi₂O₃, MnO, Co₃O₄. 

The suggested dissertation aims to study materials that are characterized by non-linear electrical properties by the aid of molecular dynamics simulation. Molecular dynamics constitutes a powerful tool to study structural and dynamical material properties.

 Primarily, the source code which executes simulations at constant temperature, volume and pressure will be built, and will run under appropriate periodic conditions. Subsequently, the source code will be enriched by the application of an external electrical field in a specific direction, so that changes concerning structural and dynamical material properties will be evaluated under the field influence.

Afterwards, this study will be focused on the crystal ZnO as a standard material known for its non-linear electrical properties. This structural study will be based on the investigation of Radial Distribution Functions (RDF). The dynamic study of ions diffusion will be based on the evaluation of Mean Square Displacement (MSD) functions, while a hybrid method which combines classical molecular dynamics with alternative charge transfer calculations will be used for electrons’ diffusion.

After the evaluation of all these methods application to ZnO crystal, the study will be focused on polycrystalline ZnO, a material characterized by a different crystallographic orientation among neighbouring grains of ZnO, by investigating interfaces properties. These interfaces play a significant role as the non-linear behaviour of varistors is attributed to the development of potential barriers among them. Every interface at the ceramics polycrystalline ZnO varistors is well known that is characterized by a breakdown voltage equal to 3V. The attributes mapping of interfaces will permit the study of the developed dynamic barriers as well as their dependence on the applicable external electrical field.

Finally, simulations and theoretical calculations will extend to composite materials consisting of polycrystalline ZnO, modified with additional oxides. An effort regarding the simulation of complex glass crystal materials will be made, where glassy layer interferes among single crystals ZnO. These specific materials have been successfully tested in protection systems arrays on low state voltage, given the fact they appear a characteristic breakdown voltage that is equal to 3V.

"Development of a secure and versatile Gateway platform Architecture for operation and management of Distributed Cyber-physical sensor Networks for Electricity trading"

Cyber-physical systems, based on cetralized architectures, become increasingly difficult to monitor and manage. Large scale platforms are usually built, purposed to handle significant amounts of data originated from IoT devices and services.

The anticipated future transformation of consumers to prosumers (produce and/or consume) along with the existing electrical power grid's inability to meet modern day requirements, is constantly creating new challenges, regarding fundamental objectives of the Internet of Energy (IoE) such as an optimized matching of Energy production and consumption.

In this thesis the design of a Home Area Network (HAN) gateway platform architecture, utilizing necessary IoT and wireless sensor network (WSN) technologies for metering, electric grid quality, and energy trading, in real-time conditions, will be investigated, with respect on security and scalability, based on Distributed Ledger Technologies (DLT) which can result in increased system efficiency and cost monitoring improvement.

"Μελέτη με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής υλικών με μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες"

Τα υλικά με μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες παρουσιάζουν έντονη μη γραμμικότητα στη χαρακτηριστική τους καμπύλη έντασης ρεύματος – τάσης (I-V) και είναι γνωστά ως υλικά μεταβλητής αντίστασης, varistors (VARiable resISTORS). Ειδικότερα, σε κανονικές τάσεις λειτουργίας το varistor λειτουργεί ως αντιστάτης ενώ σε τάσεις πολύ υψηλότερες από την κανονική ενεργεί ως αγωγός. Η αλλαγή από τη φάση του αντιστάτη στη φάση του αγωγού προσδιορίζεται σε κάθε varistor από τη χαρακτηριστική τιμή της τάσης διάσπασής του (breakdown voltage, V_br). Το varistor βρίσκει εφαρμογή  σε συστήματα προστασίας ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών διατάξεων τροφοδοτούμενων από το δίκτυο των 220V από ανεπιθύμητους παλμούς υπερτάσης ή υπερέντασης στο δίκτυο. Κύριος εκπρόσωπος της σύγχρονης γενιάς των varistor είναι το οξείδιο του ψευδαργύρου, ZnO, που αποτελεί τη βάση για κεραμικά πολυκρυσταλλικά υλικά, κατάλληλα τροποποιημένα με πρόσθετα οξείδια όπως Bi₂O₃, MnO, Co₃O₄. 

Η προτεινόμενη διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στη μελέτη με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής υλικών που χαρακτηρίζονται από μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Η μοριακή δυναμική αποτελεί ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη των δομικών και των δυναμικών ιδιοτήτων υλικών.

Σε πρώτο στάδιο, θα δημιουργηθεί ο πηγαίος κώδικας που θα εκτελεί την προσομοίωση σε σταθερή θερμοκρασία, όγκο και πίεση και θα χρησιμοποιεί κατάλληλες περιοδικές συνθήκες. Σε δεύτερο στάδιο, ο κώδικας θα εμπλουτισθεί με τη δυνατότητα εφαρμογής εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου σε συγκεκριμένη κατεύθυνση έτσι ώστε να είναι δυνατή  η αποτίμηση των αλλαγών τόσο στις δομικές όσο και στις δυναμικές ιδιότητες των υλικών υπό την επίδραση του πεδίου.

Στη συνέχεια, η μελέτη θα επικεντρωθεί στον κρύσταλλο ZnO δεδομένου ότι αποτελεί πρότυπο υλικό γνωστό για τις μη γραμμικές ηλεκτρικές του ιδιότητες. Η δομική μελέτη θα πραγματοποιηθεί κυρίως μέσω της διερεύνησης των συναρτήσεων ακτινικών κατανομών (Radial Distribution Functions, RDF). Η δυναμική μελέτη για τη διάχυση ιόντων θα γίνει με την αποτίμηση των συναρτήσεων MSD (Mean Square Displacement) ενώ για τη διάχυση ηλεκτρονίων θα χρησιμοποιηθεί υβριδική μέθοδος που θα συνδυάζει την κλασική μοριακή δυναμική με εναλλακτικούς υπολογισμούς μεταφοράς φορτίου.

Έχοντας αποτιμήσει την εφαρμογή των μεθόδων στον κρύσταλλο ZnO, η μελέτη θα επικεντρωθεί στο πολυκρυσταλλικό ZnO, δηλαδή το υλικό όπου υπάρχει διαφορετικός κρυσταλλογραφικός προσανατολισμός μεταξύ γειτονικών κόκκων ZnO, διερευνώντας τις ιδιότητες των διεπιφανειών. Οι διεπιφάνειες διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο αφού η μη γραμμική συμπεριφορά των varistors αποδίδεται στην ανάπτυξη φραγμάτων δυναμικού ανάμεσα τους. Κάθε διεπιφάνεια στα κεραμικά πολυκρυσταλλικά ZnO varistors είναι γνωστό ότι χαρακτηρίζεται από μια τάση διάσπασης ίση με 3V. Η χαρτογράφηση των ιδιοτήτων των διεπιφανειών θα επιτρέψει τη μελέτη των αναπτυσσομένων φραγμάτων δυναμικού καθώς και την εξάρτησή τους από το εξωτερικά εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο.

Τέλος, οι προσομοιώσεις και οι θεωρητικοί υπολογισμοί θα επεκταθούν σε σύνθετα υλικά αποτελούμενα από πολυκρυσταλλικό ZnO, τροποποιημένο με πρόσθετα οξείδια. Θα γίνει επίσης προσπάθεια προσομοίωσης σύνθετων υαλοκρυσταλλικών υλικών, όπου ανάμεσα σε μονοκρυστάλλους ZnO παρεμβάλλεται υαλώδες στρώμα. Τα συγκεκριμένα υλικά έχουν ήδη δοκιμασθεί επιτυχώς σε συστήματα  προστασίας διατάξεων χαμηλής τάσης λειτουργίας, δεδομένου ότι εμφανίζουν χαρακτηριστική τάση διάσπασης ίση με 3V.

"Ανάπτυξη μιας ασφαλούς και ευέλικτης Αρχιτεκτονικής πλατφόρμας Πύλης-Δικτύου για την λειτουργία και διαχείριση Κατανεμημένων Κυβερνο-Φυσικών Δικτύων αισθητήρων για τις συναλλαγές Ηλεκτρικής Ενέργειας"

Τα κυβερνοφυσικά συστήματα, συνήθως βασίζονται σε μη κατανεμημένες αρχιτεκτονικές με αποτέλεσμα, την συνεχώς αυξανόμενη δυσκολία παρακολούθησης και διαχείρισης τους. Οι παρούσες και μελλοντικές πλατφόρμες μεγάλης κλίμακας, κατασκευάζονται και προορίζονται για την διαχείριση ενός σημαντικού όγκου δεδομένων, ο οποίος προέρχεται κυρίως από συσκευές και υπηρεσίες του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT).

Ο αναμενόμενος μελλοντικός μετασχηματισμός των καταναλωτών σε παραγωγούς-καταναλωτές (παραγωγή ή / και κατανάλωση) σε συνδυασμό με την αδυναμία του υπάρχοντος ηλεκτρικού δικτύου να ανταποκρίνεται στις σύγχρονες απαιτήσεις, δημιουργούν συνεχώς νέες προκλήσεις όσον αφορά τους θεμελιώδεις στόχους του Διαδικτύου της Ενέργειας (IoE), όπως για παράδειγμα την βελτιστοποίηση της εξισορρόπησης μεταξύ ποσοτήτων παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας.

Στην παρούσα διατριβή θα διερευνηθεί ο σχεδιασμός μίας αρχιτεκτονικής πλατφόρμας Πύλης-Δικτύου και η πιθανή αξιοποίηση της, εντός δικτύου εύρους κατοικίας (HAN), με τη χρήση των απαραίτητων τεχνολογιών IoT και δικτύων ασύρματων αισθητήρων (WSN). Θα μελετηθούν η μέτρηση, η ποιότητα και η ανταλλαγή της ενέργειας του δικτύου ηλεκτροδότησης, σε πραγματικό χρόνο, δίνοντας την απαιτούμενη έμφαση, στην ασφάλεια και την κλιμάκωση των συστημάτων. Οι συνεχώς αναδυόμενες Τεχνολογίες Κατανεμημένου Εγγράφου (DLT) είναι σε θέση να προσφέρουν πέραν αυτών των χαρακτηριστικών, τα θετικά αποτελέσματα της αύξησης της αποδοτικότητας του συστήματος και τη βελτίωση της παρακολούθησης του κόστους παραγωγής και κατανάλωσης.