Teho- ja energiamittauspalvelun kartoitus ja kehittäminen

Luotettavien energiamittauspalvelujen tarjoaminen vaatii mittauksien ja niihin liittyvien työvaiheiden tarkan dokumentoinnin ja ohjeistuksen. Sähkötaseiden hallinnassa ja sel-vityksessä käytettävien mittaustietojen määrä on suuri. Dokumentointijärjestelmä on välttämätön mittaustietojen hallitsemiseksi. Sujuva työvaiheiden suorittaminen vaatii niiden kartoittamisen ja sen pohjalta tehdyn ohjeistamisen. Diplomityö voidaan jakaa neljään osaan. Aluksi selvitetään sähköenergiamittausten käyttöä tasehallinnassa ja -selvityksessä. Siihen liittyen tehdään selvitys myös mittaus-velvollisuuksista sekä mittausten tarvitsijoista. Toisessa osassa tutkitaan, miten mittaustieto siirretään jännite- ja virtamuuntajilta ener-gianhallintajärjestelmään, ja mitä työvaiheita on suoritettava ennen kuin mittaustieto voidaan ohjata asiakkaalle tai jatkokäsittelyyn. Kolmas osa muodostuu mittaustietokannan kehittämisestä Microsoft Access-tietokantaohjelmalla. Tietokantaan keskitetään kaikki mahdollinen mittauksiin liittyvä tieto. Tietokanta helpottaa monia mittauksiin liittyviä selvitystehtäviä, sillä siitä voidaan hakea tietoa monin eri hakukriteerein. Neljännessä osassa tarkastellaan mittauspalvelun toiminnassa esiin tulleita epäkohtia ja esitetään niille korjausehdotukset.

Metsäteollisuusintegraatin energiaraportoinnin kehittäminen

Työn tavoitteena on Stora Enso Oyj:n Imatran tehtaiden energiaraportoinnin luotettavuuden parantaminen. Raportoinnissa esiintyvää tase-eroa lämmön tuotannon ja kulutuksen välillä on erilaisten selvitysten perusteella pyritty pienentämään. Höyryn ja lauhteen mittausten virheellisyyttä on tutkittu erilaisten osasto- ja höyrylinja- kohtaisten lämpötaseiden avulla. Taseiden lisäksi mittauksen oikeellisuutta selvitettäessä on käytetty tunnuslukuina lämmön ominaiskulutuksia, joita on verrattu Suomen metsäteollisuuden keskimääräisiin arvoihin. Työssä on tarkistettu myös raportointijärjestelmän laskenta ja päivitetty tarvittavat muutokset. Osa raportoinnin tase-erosta johtuu höyryn virtausmittauksen epävarmuudesta. Tässä työssä on esitetty erilaisia vaihtoehtoja sille, mistä mittauksen epävarmuus johtuu. Samalla on selvitetty virtausmittauksen periaatetta ja siihen tarvittavaa laitteistoa.

Vaasan kaukolämmön kehittämissuunnitelma

Tämän työn tarkoituksena on tarkastella tulevaisuuden kehitysnäkymien vaikutusta Vaasan kaukolämpötoimintaan. Komartekin Flowra 32 verkostolaskentaohjelman avulla tutkitaan kaukolämpöverkon siirtokykyä nykyisissä ja tulevaisuuden kuormitustilanteissa. Työn yhteydessä laaditaan kaukolämmityksen kasvuennuste seuraavalle kymmenelle vuodelle ja selvitetään mitoituslämpötilaa -29°C vastaava teho tilastollisen analyysin avulla. Lisäksi tutkitaan mahdollisia ratkaisuja huippu- ja varatehon tuottamiseksi. Tarkastelun kohteena on myös lämmön lyhytaikaisvarastoinnin kannattavuus energianhankintajärjestelmässä. Kaukolämpöverkon siirtokyky on tarkastelun perusteella kohtalaisen hyvä, mutta liittymistehojen kasvaessa paine-erot verkon häntäpäässä jäävät liian alhaisiksi. Paras ratkaisu paine-ero ongelmaan on rakentaa välipumppaamo Hovioikeudenpuistoon. Tarkastelun perusteella kaukolämmön varatehon lisätarve on kymmenen vuoden kuluttua noin 40 MW ja varatehoksi on kannattavinta rakentaa raskasta polttoöljyä käyttävä lämpökeskus. Lämmön lyhytaikaisvarastointi on nykyisillä energianhinnoilla kohtalaisen kannattavaa varsinkin, jos Kauppa- ja teollisuusministeriö myöntää hankkeelle täyden 30%:n investointiavustuksen.

Energiatiedon hallintajärjestelmän suorituskyvyn määrittäminen ja todentaminen

Sähkömarkkinoiden vapautumisen jälkeen energia-alalle on muodostunut entistä suurempi kysyntä kehittyneille energiatiedon hallintaaan erikoistuneille tietojärjestelmille. Uudet lakisäädökset sekä tulevaisuuden kokonaisvaltaiset tiedonkeruujärjestelmät, kuten älykkäät mittarit ja älykkäät sähköverkot, tuovat mukanaan entistä suuremman prosessoitavan tietovirran. Nykyaikaisen energiatietojärjestelmän on kyettävä vastaamaan haasteeseen ja palveltava asiakkaan vaatimuksia tehokkaasti prosessien suorituskyvyn kärsimättä. Tietojärjestelmän prosessien on oltava myös skaalautuvia, jotta tulevaisuuden lisääntyneet prosessointitarpeet ovat hallittavissa. Tässä työssä kuvataan nykyaikaisen energiatietojärjestelmän keskeiset energiatiedon hallintaan ja varastointiin liittyvät komponentit. Työssä esitellään myös älykkäiden mittareiden perusperiaate ja niiden tuomat edut energia-alalla. Lisäksi työssä kuvataan visioita tulevaisuuden älykkäiden sähköverkkojen toteutusmahdollisuuksista. Diplomityössä esitellään keskeisiä suorituskykyyn liittyviä kokonaisuuksia. Lisäksi työssä kuvataan keskeiset suorituskyvyn mittarit sekä suorituskykyvaatimukset. Järjestelmän suorituskyvyn arvioinnin toteuttamiseen on erilaisia menetelmiä, joista tässä työssä kuvataan yksi sen keskeisine periaatteineen. Suorituskyvyn analysointiin käytetään erilaisia tekniikoita, joista tässä diplomityössä esitellään tarkemmin järjestelmän mittaus. Työssä toteutetaan myös case-tutkimus, jossa analysoidaan mittaustiedon sisääntuontiin käytettävän prosessin kahta eri kehitysversiota ja näiden suorituskykyominaisuuksia. Kehitysversioiden vertailussa havaitaan, että uusi versio on selkeästi edellistä versiota nopeampi. Case-tutkimuksessa määritetään myös suorituskyvyn kannalta optimaalinen rinnakkaisprosessien määrä ja tutkitaan prosessin skaalautuvuutta. Tutkimuksessa todetaan, että uusi kehitysversio skaalautuu lineaarisesti.

Vaneritehtaan energianäkökohtien tarkastelu ja seuranta

Diplomityön tavoitteena oli tunnistaa ja analysoida vaneritehtaan energianäkökohdat. Lisäksi tavoitteena oli luoda työkalu, joka mahdollistaisi energianäkökohtien seurannan ja vertailun sekä tehtaan energiankäytön jatkuvan kehittämisen. Teoriaosuudessa käsiteltiin energiatehokkuutta sekä energian käyttöä, hankintaa ja tuotantoa. Lisäksi tarkasteltiin vanerin valmistusprosessia. Tarkoituksena oli luoda pohja vaneritehtaan energiankäytön hahmottamiselle ja sen energianäkökohtien analysoinnille. Energian käytön kartoittaminen tehtiin osaksi hyödyntämällä olemassa olevaa tietokantaa ja osaksi prosessoimalla kerättyjä mittaustuloksia. Kartoituksen perusteella tunnistettiin vaneritehtaan osastokohtaiset energianäkökohdat. Näkökohtien analysoinnilla selvitettiin niiden vaikutusta energiankulutukseen ja tuotannon tehokkuuteen. Tämän pohjalta luotiin seurantatyökalu, johon energianäkökohdat ja niihin vaikuttavat tekijät koottiin osastoittain. Energiatehokkuuteen vaikuttavien tekijöiden merkittävyyttä tarkasteltiin pisteyttämällä toiminnan osa-alueita. Analysoinnin yhteydessä työssä esitettiin myös yksittäisiä toiminnan tehokkuuteen liittyviä kehitysesimerkkejä.

Loss Modelling of Three-Level Inverters controlled with Space Vector Modulation Technique

The objective of this master’s thesis is to investigate the loss behavior of three-level ANPC inverter and compare it with conventional NPC inverter. The both inverters are controlled with mature space vector modulation strategy. In order to provide the comparison both accurate and detailed enough NPC and ANPC simulation models should be obtained. The similar control model of SVM is utilized for both NPC and ANPC inverter models. The principles of control algorithms, the structure and description of models are clarified. The power loss calculation model is based on practical calculation approaches with certain assumptions. The comparison between NPC and ANPC topologies is presented based on results obtained for each semiconductor device, their switching and conduction losses and efficiency of the inverters. Alternative switching states of ANPC topology allow distributing losses among the switches more evenly, than in NPC inverter. Obviously, the losses of a switching device depend on its position in the topology. Losses distribution among the components in ANPC topology allows reducing the stress on certain switches, thus losses are equally distributed among the semiconductors, however the efficiency of the inverters is the same. As a new contribution to earlier studies, the obtained models of SVM control, NPC and ANPC inverters have been built. Thus, this thesis can be used in further more complicated modelling of full-power converters for modern multi-megawatt wind energy conversion systems.

Ympäristö- ja energianhallintajärjestelmän suunnittelu valaisinpylväitä valmistavalle yritykselle

Diplomityön tavoitteena oli tutkia, miten ympäristö- ja energianhallintajärjestelmät tulisi yrityksessä rakentaa. Tarkoituksena oli myös analysoida toimipaikkojen ominaisuuksien perusteella, olisiko Tehomet-konsernin tehtaille kannattavampaa rakentaa yhteinen vai oma hallintajärjestelmä. Lisäksi analysoitiin ympäristö- ja energianhallintajärjestelmien integroimista olemassa olevaan laatujärjestelmään. Kansainvälisten ISO-standardien pohjalta rakennetaan hallintajärjestelmä, joka toimii johtamisen työkaluna. Järjestelmä sisältää käytännössä sovitut toimintatavat ja kirjatut menetelmät, joilla voidaan hallita yrityksen todettuja ja mahdollisia ympäristövaikutuksia. Työssä keskityttiin yrityksen toiveiden mukaisesti erityisesti ympäristöjärjestelmään. Tapaustutkimuksen menetelmänä käytettiin kyselyä, haastatteluja ja tehdaskatselmuskierrosta. Standardien sisältöjen ja toimijan nykytilanteen kartoittamisen sekä jatkotoimenpiteiden pohtimisen tuloksena syntyivät teoriakatsaus järjestelmistä, alustavan ympäristökatselmuksen tulokset sekä toimintamalli ympäristöjärjestelmän käyttöönottamiseksi. Toimintamallin esimerkkien avulla yrityksen on mahdollista rakentaa ympäristöjärjestelmä. Työn sovellusosassa kerrottiin, miltä osin energiajärjestelmä eroaa ympäristöjärjestelmästä, eli mitkä asiat tulisi vielä huomioida, jotta energia-asioita voitaisiin jatkossa hallita standardin mukaisesti. Työn toimenpidesuositusten avulla on siten annettu ohjeet myös energianjärjestelmän rakentamiseksi. Järjestelmän rakentamisen jälkeen alkaa ylläpitotyö jatkuvan parantamisen periaatteen mukaisesti.

Modeling and Parameter Estimation of Double-Star Permanent Magnet Synchronous Machines

The power rating of wind turbines is constantly increasing; however, keeping the voltage rating at the low-voltage level results in high kilo-ampere currents. An alternative for increasing the power levels without raising the voltage level is provided by multiphase machines. Multiphase machines are used for instance in ship propulsion systems, aerospace applications, electric vehicles, and in other high-power applications including wind energy conversion systems. A machine model in an appropriate reference frame is required in order to design an efficient control for the electric drive. Modeling of multiphase machines poses a challenge because of the mutual couplings between the phases. Mutual couplings degrade the drive performance unless they are properly considered. In certain multiphase machines there is also a problem of high current harmonics, which are easily generated because of the small current path impedance of the harmonic components. However, multiphase machines provide special characteristics compared with the three-phase counterparts: Multiphase machines have a better fault tolerance, and are thus more robust. In addition, the controlled power can be divided among more inverter legs by increasing the number of phases. Moreover, the torque pulsation can be decreased and the harmonic frequency of the torque ripple increased by an appropriate multiphase configuration. By increasing the number of phases it is also possible to obtain more torque per RMS ampere for the same volume, and thus, increase the power density. In this doctoral thesis, a decoupled d–q model of double-star permanent-magnet (PM) synchronous machines is derived based on the inductance matrix diagonalization. The double-star machine is a special type of multiphase machines. Its armature consists of two three-phase winding sets, which are commonly displaced by 30 electrical degrees. In this study, the displacement angle between the sets is considered a parameter. The diagonalization of the inductance matrix results in a simplified model structure, in which the mutual couplings between the reference frames are eliminated. Moreover, the current harmonics are mapped into a reference frame, in which they can be easily controlled. The work also presents methods to determine the machine inductances by a finite-element analysis and by voltage-source inverters on-site. The derived model is validated by experimental results obtained with an example double-star interior PM (IPM) synchronous machine having the sets displaced by 30 electrical degrees. The derived transformation, and consequently, the decoupled d–q machine model, are shown to model the behavior of an actual machine with an acceptable accuracy. Thus, the proposed model is suitable to be used for the model-based control design of electric drives consisting of double-star IPM synchronous machines.

Sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllisen kilpailukyvyn määrittäminen alueellista energiajärjestelmää suunniteltaessa

Työssä tarkasteltiin sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllistä kilpailukykyä osana yhdyskunnan energiajärjestelmää. Sähkö- lämpöenergian tuotantomenetelmiä vertailtiin keskenään aiheutuvien kasvihuonekaasupäästöjen perusteella. Tarkastelu toteutettiin elinkaariarviointimenetelmällä. Työssä mallinnettiin pääasiassa uusiutuviin energialähteisiin perustuvia menetelmiä yhdyskunnan vuotuisen sähkö- ja lämpöenergiantarpeen täyttämiseksi. Elinkaariarviointimallin avulla vertailtiin keskenään aurinko- ja tuulisähköpainotteista ja CHP-painotteista energiajärjestelmää. Lisäksi työssä arvioitiin aurinko- ja tuulisähköntuotantoa sekä CHP-tuotantoa nettoenergianäkökulmasta. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti paras energianhankintavaihtoehto on usean eri sähkö- ja lämpöenergiantuotantomenetelmän yhdistelmä. Alhainen päästötaso tietyssä kategoriassa on yhdentekevää, jos energiaa ei ole saatavissa silloin, kun sitä tarvitaan. Lisäksi on tärkeää huomata, että uusiutuvien energialähteiden hyödynnettävyys riippuu vahvasti alueellisista erityispiirteistä, kuten aurinko- ja tuuliolosuhteista. Tästä johtuen kestävän energiajärjestelmän suunnittelussa alueellisten ominaisuuksien huomiointi on tärkeää. Mikä tietyllä alueella osoittautuu parhaimmaksi ratkaisuksi, ei välttämättä ole sitä toisenlaisessa ympäristössä.

Heterogeneous mass transfer in fluidized beds by computational fluid dynamics

The main objective of this research is to estimate and characterize heterogeneous mass transfer coefficients in bench- and pilot-scale fluidized bed processes by the means of computational fluid dynamics (CFD). A further objective is to benchmark the heterogeneous mass transfer coefficients predicted by fine-grid Eulerian CFD simulations against empirical data presented in the scientific literature. First, a fine-grid two-dimensional Eulerian CFD model with a solid and gas phase has been designed. The model is applied for transient two-dimensional simulations of char combustion in small-scale bubbling and turbulent fluidized beds. The same approach is used to simulate a novel fluidized bed energy conversion process developed for the carbon capture, chemical looping combustion operated with a gaseous fuel. In order to analyze the results of the CFD simulations, two one-dimensional fluidized bed models have been formulated. The single-phase and bubble-emulsion models were applied to derive the average gas-bed and interphase mass transfer coefficients, respectively. In the analysis, the effects of various fluidized bed operation parameters, such as fluidization, velocity, particle and bubble diameter, reactor size, and chemical kinetics, on the heterogeneous mass transfer coefficients in the lower fluidized bed are evaluated extensively. The analysis shows that the fine-grid Eulerian CFD model can predict the heterogeneous mass transfer coefficients quantitatively with acceptable accuracy. Qualitatively, the CFD-based research of fluidized bed process revealed several new scientific results, such as parametrical relationships. The huge variance of seven orders of magnitude within the bed Sherwood numbers presented in the literature could be explained by the change of controlling mechanisms in the overall heterogeneous mass transfer process with the varied process conditions. The research opens new process-specific insights into the reactive fluidized bed processes, such as a strong mass transfer control over heterogeneous reaction rate, a dominance of interphase mass transfer in the fine-particle fluidized beds and a strong chemical kinetic dependence of the average gas-bed mass transfer. The obtained mass transfer coefficients can be applied in fluidized bed models used for various engineering design, reactor scale-up and process research tasks, and they consequently provide an enhanced prediction accuracy of the performance of fluidized bed processes.

Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

Sähkön varastointi

Kiinnostus sähkön varastointia kohtaan on kasvussa. Nykypäivänä ja etenkin tulevaisuudessa sähkövarastoilla voidaan parantaa energiantuotannon resurssitehokkuutta ja tukea aurinko- ja tuulisähkön käytön lisäämistä. Sähkövarastoja on pieniä ja suuria. On olemassa mekaanisia, sähkökemiallisia, kemiallisia ja sähköisiä varastoteknologioita. Varastoitua energiaa voidaan käyttää eri tehtävissä. Tehtävät vaihtelevat varastoidun energian määrässä ja siinä, millä teholla energia voidaan purkaa varastosta. Suurilla sähkövarastoilla taataan sähköntoimitus ja pienillä parannetaan sähkön laatua jakeluverkossa. Sähkövarastoja ei ole vielä laajasti otettu käyttöön, koska ne ovat kalliita. Sähkövaraston investointikustannukset ovat tällä hetkellä vähintään yhtä suuret kuin samankokoisen perinteisen voimalaitoksen. Sähkövarastojen tutkimus ja kehitys pienentää investointikustannuksia ja nopeuttaa varastojen laajempaa käyttöönottoa.

Heat Demand Forecasting Models’ Development: Use of Data Mining Tools in SQL Server Analysis Services

This thesis introduces heat demand forecasting models which are generated by using data mining algorithms. The forecast spans one full day and this forecast can be used in regulating heat consumption of buildings. For training the data mining models, two years of heat consumption data from a case building and weather measurement data from Finnish Meteorological Institute are used. The thesis utilizes Microsoft SQL Server Analysis Services data mining tools in generating the data mining models and CRISP-DM process framework to implement the research. Results show that the built models can predict heat demand at best with mean average percentage errors of 3.8% for 24-h profile and 5.9% for full day. A deployment model for integrating the generated data mining models into an existing building energy management system is also discussed.

The Impact of Foreign Direct Investment Inflows on the Economic Growth of Bangladesh. The Roles of Infrastructural Facilities

Foreign direct investment (FDI) inflow has been a key concern for Bangladesh to obtain additional support for the economic development. The Government of Bangladesh continuously competing with other South Asian countries and putting more effort to increase the number of FDI inflows in the country. From the country’s perspective, the constant increasing rate of economic growth shows a positive outcome of FDI inflow. However, the country still not performing up to the mark to pull enough FDI inflows to its potential. Thus, this study discusses about the major determinants and factors affecting FDI inflows in Bangladesh. Among those determinants and factors, infrastructural facility is considered as the most important to affect FDI inflows. FDI inflow is fundamentally depending upon infrastructural facilities to achieve its desire success. Foreign investors take this issue very seriously because based on this they can measure their ease of doing business in the host country. Despite of providing a large market size, due to having weak and lack of infrastructural facilities, Bangladesh is facing trouble in drawing attention of the foreign investors. In order to make the infrastructural facilities happen, it is highly required to organize each of the systems under of it. The body of this study discussed about the weak infrastructures in Bangladesh such as transport and communication, power and energy, education system, and governance services. Improvement in one of these systems cannot provide valuable positive changes on FDI inflows. It requires improvement in all the weak systems to grasp multinational companies and attract foreign investors. On the basis of this research problem, research questions are established. Both qualitative and quantitative methods are used to answer the research questions. Furthermore, several theories have been applied to justify possible scenarios from the research problem. In addition, the history in between Bangladesh, trade liberalization, and FDI inflows is presented briefly.

The Impact of Foreign Direct Investment Inflows on the Economic Growth of Bangladesh. The Roles of Infrastructural Facilities

Foreign direct investment (FDI) inflow has been a key concern for Bangladesh to obtain additional support for the economic development. The Government of Bangladesh continuously competing with other South Asian countries and putting more effort to increase the number of FDI inflows in the country. From the country’s perspective, the constant increasing rate of economic growth shows a positive outcome of FDI inflow. However, the country still not performing up to the mark to pull enough FDI inflows to its potential. Thus, this study discusses about the major determinants and factors affecting FDI inflows in Bangladesh. Among those determinants and factors, infrastructural facility is considered as the most important to affect FDI inflows. FDI inflow is fundamentally depending upon infrastructural facilities to achieve its desire success. Foreign investors take this issue very seriously because based on this they can measure their ease of doing business in the host country. Despite of providing a large market size, due to having weak and lack of infrastructural facilities, Bangladesh is facing trouble in drawing attention of the foreign investors. In order to make the infrastructural facilities happen, it is highly required to organize each of the systems under of it. The body of this study discussed about the weak infrastructures in Bangladesh such as transport and communication, power and energy, education system, and governance services. Improvement in one of these systems cannot provide valuable positive changes on FDI inflows. It requires improvement in all the weak systems to grasp multinational companies and attract foreign investors. On the basis of this research problem, research questions are established. Both qualitative and quantitative methods are used to answer the research questions. Furthermore, several theories have been applied to justify possible scenarios from the research problem. In addition, the history in between Bangladesh, trade liberalization, and FDI inflows is presented briefly