Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.

Sähkökoneen staattorikäämityksen kehittäminen

Tämä insinöörityö tehtiin ABB:n Pitäjänmäen konetehtaalle Tahtikoneet-tulosyksikölle. Työssä tutkittiin mahdollisuuksia valmistaa murtovakovyyhtejä kestomagneettituuligeneraattoreihin, joissa vakoluku on alle yhden. Työ tehtiin tutustumalla aluksi Pitäjänmäen konetehtaan käytössä oleviin vyyhden valmistus- ja käämintämenetelmiin. Lisäksi tutkittiin erilaisia mahdollisia murtovakovyyhden valmistusmenetelmiä, joista lupaavimpia myös kokeiltiin. Saatujen kokemusten pohjalta valittiin vyyhden valmistusmenetelmä, jonka mukaan valmistettiin koe-erä. Koe-erälle suoritettiin mittauksia, joilla varmistettiin niiden sähköinen kestävyys Työn tuloksena valitulla valmistusmenetelmällä valmistettiin vyyhdet prototyyppi tuuligeneraattorin.

Kokoonpanon kehittäminen tuulivoimalakoneikkojen valmistuksessa

Tämä diplomityö on tehty Hollming Works Oy:n Loviisan yksikölle. Työn tekovaiheessa yrityksessä oltiin aloittamassa tuulivoimalakoneikkojen sarjatyönä tapahtuvaa kokoonpanoa. Työn tavoitteena oli kehittää koneikkojen kokoonpanoverstaan toimintaa. Ennen työn alkua yritykseen oli perustettu tuulivoimalakoneikkojen kokoonpanoon tuoteverstas. Verstaalla kootaan raskaita osakokoonpanoja, jotka lopulta yhdistetään koneikoksi, jota kutsutaan myös naselliksi. Tämän jälkeen varusteluvaiheessa koneikkoon asennetaan mm. erilaisia sähköisiä ja hydraulisia järjestelmiä. Varusteluvaiheen päätteeksi koneikon toiminta testataan. Viimeisenä vaiheenakoneikon päälle asennetaan lasikuitukuori. Työn alkuosassa on käyty läpi tuotannon- ja materiaalinohjauksen perusteita, kokoonpanon kehittämistä ja layout-suunnittelua, jonka pohjalta tuulivoimalaverstaalle tehtiin kokoonpanosoluihin perustuva layoutsuunnitelma. Tuotannonohjaus suunnitelmassa perustuu kapeikko-ohjaukseen. Tuotannon kapeikon muodostava varusteluvaihe imee aiemmista vaiheista osakokoonpanot. Varusteluvaiheen ja testauksen jälkeen koneikko siirtyytyöntöohjatusti lasikuitukuoren asennukseen. Järjestelmässä pyritään tehokkaaseen tilankäyttöön, lyhyeen läpäisyaikaan ja vähäiseen keskeneräisen tuotannon määrään.

Merituulivoiman kannattavuus Kokkolan seudun rannikolla

Tässä diplomityössä selvitetään teollisen mittakaavan merituulipuistojen taloudellisia ja osin myös teknisiä rakentamisedellytyksiä Kokkolan seudun rannikolla. Lisäksi työssä tarkastellaan erilaisten tukitoimien vaikutusta tuulivoiman kannattavuuteen sekä selvitetään lyhyesti merituulivoiman hallinnollisia ja oikeudellisia edellytyksiä. Esimerkkikohteina tarkastellaan viittä Kokkolan edustalle suunniteltua merituulipuistoa, joiden tehot ovat 20 – 100 MW ja yksikkökoot 1,8 – 5 MW. Tuulipuistojen tuuliolot on arvioitu läheisten mittauspisteiden tietojen perusteella ja niiden pohjalta on laskettu puistojen energiantuotto. Tuulivoimaloiden huipunkäyttöajoiksi on saatu noin 2400 – 2500 h/a. Puistojen investointikustannukset ovat noin 6 500 –10 200 mk/kW: itse turbiinin lisäksi suurimpia kustannuseriä ovat perustukset ja sähköverkkoliitäntä. Vuosittaisten käyttö- ja kunnossapitokustannusten suuruudeksi on arvioitu noin 3 % investointikustannuksista. Kannattavuustarkastelut on suoritettu 5 % laskentakorolla ja 25 vuoden pitoajalle. Tuotantokustannukset ovat ilman tukia noin 27 – 38 p/kWh. Kun sähkön hintana on 150 mk/MWh, ei taloudellista kannattavuutta voida saavuttaa edes nykyisin käytössä olevan investointi- ja tuotantotuen avulla. Tuulisähköstä saatava mahdollinen ”vihreän sähkön lisä” tai päästökaupan aloittaminen voisivat mahdollistaa tuulivoiman taloudellisen kannattavuuden myös silloin, kun sähkön hintataso on matala. Kannattavuutta voitaisiin parantaa myös tukijärjestelmällä, joka painottaa nykyistä enemmän tuotantoa.

Tuulivoimakäytön simulointityökalun käyttöliittymän kehittäminen

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimakäytön simulointia. Tuuligeneraattoreiden yleisimpiä konsepteja tarkastellaan sekä konseptien markkinaosuudet esitetään. Työssä käsitellään tuulivoimakäytön simulointiohjelmistoja, ja esitellään Matlab/Simulink-ohjelmistolla kehitetyn simulointityökalun käyttöliittymä. Käyttöliittymää analysoidaan syvällisemmin kuvaamalla sen kehitykseen liittyneitä vaiheita ja toiminnallisuuden kannalta tehtyjä ratkaisuja. Kehitetystä simulointityökalusta esitetään käyttötapausanalyysi.

Jäähdytysnestekierron optimointi tuuliturbiinin konvertterikaapistoon

Diplomityössä perehdytään tuuliturbiinin konvertterikaapiston nestekierron tarkasteluun ja mittausten suunnitteluun sitä varten. Tarkastelun tulokset ovat yhdistettävissä konvertterikaapiston ilmapuolen jäähdytykseen, jolloin koko jäähdytysjärjestelmä on katettu. Työn alkupuolella perehdytään lyhyesti nykyhetken tuulivoimaan. Tämän jälkeen tarkastellaan itse konvertterikaapistoa, sen toimintaa sekä nestejäähdytyksen toteutusta komponentteineen. Työn keskimmäisessä osassa konvertterille tehtiin virtaustekninen malli aiempaa mittausdataa hyväksi käyttäen. Tällä mallilla suoritettiin herkkyystarkasteluja ja simuloitiin konvertterikaapiston nestekierron käyttäytymistä yhden tai useamman haaran tukkeutuessa osittain tai kokonaan. Lisäksi suunniteltiin uusi nestekierto. Lopuksi selvitetään mittauksissa tarvittava laitteisto, perehdytään kunkin laitteen toimintaperiaatteeseen sekä selvennetään suositeltavat asennuspaikat ja suojaetäisyydet.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.

Mittaukset kostean höyryn turbiineille

Diplomityön tavoitteena oli selvittää Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin suoritus-kyvyn mittaamiseen käytettävissä olevia menetelmiä ja mittausjärjestelmiä. Tavoitteena oli selvittää mitkä tekijät aiheuttavat mittauksiin mittausvirheitä ja tutkia turbiineiden nykyisten mittalaitteiden epävarmuudet. Tässä diplomityössä selvitettiin millaisia standardinmukaisia testejä sekä muita varteenotettavia testejä turbiinin suorituskyvyn määrittämiseen on käytetty ja millaisia mittauksia ne vaativat. Lisäksi tutkittiin eri lähteistä millaisia mittalaitteita ja mittausjärjestelmiä voidaan käyttää turbiinin toiminnan mittauksiin. Soveltuvista mittausmenetelmistä esitettiin toimintaperiaatteet ja teoria. Kunnonvalvontaa varten esiteltiin värähtelyiden ja vääntö-momentin mittaamisen periaatteet. Epävarmuuksia arvioitiin mittalaitteiden teoreettisen epävarmuuden ja laitesijoittelun pohjalta. Työssä havaittiin, että suorituskyvyn arvioimiseksi on olemassa useita standardeja, mutta niiden mukaisiin mittauksiin tarvittaisiin nykyistä enemmän mittaustuloksia. Tarkkoja sekä luotettavia mittaustuloksia on haasteellista saada kaksifaasivirtauksesta. Mittalaitevalinnoilla ja mittalaitteiden määrää lisäämällä voidaan mittausten epävarmuutta pienentää. Loviisan ydinvoimalaitokselle ehdotettiin muutamia mittausjärjestelmiä turbiinin suoritus-kyvyn määrittämiseksi. Erityisesti turbiinin sisäiset olosuhteet tulisi määrittää nykyistä tarkemmin. Vääntömomentin mittaaminen olisi hyvä kunnonvalvonnan työkalu.

Laitosmittaukset turbiinilaitoksen suorituskyvyn seurantaan ydinvoimalaitoksen vuosihuoltojen yhteydessä

Työssä kehitettiin höyryvoimalaitosprosessin tilan seurantaan laitosmittausrutiini, jolla tarkastellaan erityisesti turbiinilaitoksen suorituskykyä ennen ja jälkeen vuosihuoltojen. Laitosmittaukset on kehitetty Teollisuuden Voima Oyj:n Olkiluodon ydinvoimalaitosyksikköjen OL1 ja OL2 tarpeisiin. Mittauksilla saadaan tietoa vuosihuollon kokonaisvaikutuksista prosessiin eli muuttuiko mikään vuosihuollon aikana ja mitkä syyt johtivat muutokseen. Lisäksi säännöllisillä mittauksilla tavoitellaan pitkän aikavälin referenssitietoa prosessin tilasta. Esimerkkimittaukset tehtiin kevään 2008 vuosihuolloissa, R108 ja R208. Työssä on esitetty mittausten suorittaminen, tulosten laskenta ja tarkastelu sekä raportointi. Luotu mittausrutiini pohjautuu höyryturbiinien ja lämmönsiirtimien vastaanottokokeita käsitteleviin standardeihin sekä laitosten viimeisimpiin prosessimuutosten yhteydessä toteutettuihin suorituskykymittauksiin. Laitosmittauksista tehtiin vastaanottokokeita kevyemmät ja yksinkertaisemmat mittaustapahtumat, joilla saadaan kuitenkin riittävän luotettavaa tietoa. Tunnuslukuja, joita ei käytettävissä olevien mittatietojen avulla saatu suoraan selville tai laskettua massa- ja energiataseilla, määritettiin stationaarisen tilan mallinnusohjelmalla TEMPO:lla. Esimerkkimittaukset sujuivat hyvin ja saadut tulokset antoivat kaivattua lisätietoa vuosihuollon vaikutuksesta prosessiin. Generaattorin bruttoteho aleni OL1:llä ja pysyi ennallaan OL2:lla. OL1:n tehon aleneminen selittyi syöttöveden virtausmäärän vähenemisellä, johon vaikutti virtausmittalaitteen lähettimen vaihto. OL2:lla ei havaittu turbiiniprosessissa muutoksia, mutta lauhduttimien suorituskyky parani. Lauhduttimien suorituskyvyn paraneminen ilmeni asteisuuksien pienentymisenä, johon vaikuttivat puhdistaminen ja ilmavuotojen väheneminen.

Tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelu

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelua. Työssä käydään läpi tuulivoimateollisuuden, -markkinoiden ja -turbiinien historiaa, nykyhetkeä ja tulevaisuuden ennusteita. Tuulivoimaturbiineista esitellään yleisimmät tyypit ja teknologiat, joita vertaillaan keskenään. Lisäksi selvitetään tarkemmin suoravetoisten tuuliturbiinigeneraattoreiden teknologiaa ja teknisiä rakenteita joita myös vertaillaan keskenään. Työn pääasiallisena tarkoituksena on luoda selkeä konseptisuunnitteluprojektin toimintamalli, jota noudattamalla projekti voidaan hoitaa johdonmukaisesti läpi. Lopuksi työssä vielä käydään läpi suoravetoisen kestomagneettigeneraattorin todellinen konseptisuunnitteluprojekti, jossa ei ole ollut käytössä selkeää toimintamallia.

Hybridikomposiittien hyödyntäminen tuulivoimalan rakenteissa

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia hybridikomposiittien soveltuvuutta tuulivoimalan osien tai osakokonaisuuksien rakennemateriaaliksi. Lähtökohtana oli selvittää erityisesti luonnonkuitukomposiitin materiaaliteknisten ominaisuuksien, etenkin lujuusominaisuuksi-en soveltuminen tuulivoiman rakenteisiin. Työn johdanto-osuudessa esitellään tuulivoiman rooli tämän päivän energiantuotannossa, yksittäisen tuulivoimalalaitoksen rakenne, rakenteiden suunnittelussa huomioitavat seikat, voimalan eri osien kuten tornin, lapojen ja nasellin yleisimmät valmistusmenetelmät, sekä muovien ja eri lujitteiden ohella puumuovikomposiitin materiaaliominaisuudet, valmistus-menetelmät ja yleisimmät käyttökohteet. Hybridikomposiittien lujuusominaisuuksia tutkittiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston puutekniikan laboratoriossa suoritetuissa mittauksissa. Saatuja tuloksia verrattiin referens-situlosten ohella myös tällä hetkellä tuulivoimalan rakenteissa yleisesti käytettävien lasi- ja hiilikuidun, sekä teräksen ominaisuuksiin. Mittaustulosten perusteella bambu- ja lasikuitu-lujitteiset puumuovikomposiitit soveltuvat parhaiten tuulivoimalarakenteisiin, mutta niiden valmistaminen ekstruusiomenetelmällä on melko haasteellista.

Tuulivoimateollisuuden tarkastelu patenttianalyysiä hyödyntäen

Työssä luodaan katsaus tuulivoiman käyttöön historiassa sekä tuulivoiman hyödyntämiseen sähköntuotantoon nykyaikaisessa yhteiskunnassa. Lisäksi esitellään modernin kolmilapaisen tuuliturbiinin tekniikkaa. Työssä tarkastellaan kolmen suuren tuulivoimaloita valmistavien yrityksien patentointiaktiivisutta aikavälillä 2000–2010 ja patenttien lukumäärässä, maantieteellisessä vaihtelussa, tyypissä ja luokissa esiintyviä trendejä. Näiden pohjalta luodaan kokonaiskuva tuulivoiman teollisuuden kehityksestä 2000-luvun alussa ja odotetuista tulevaisuuden näkymistä. Vuosituhannen vaihteen jälkeen patentointiaktiivisuus on kasvanut tuulivoimateknologiayrityksillä. Etenkin vuonna 2007 havaitaan piikki patenttien lukumäärässä. Patentointitoiminta on keskittynyt Eurooppaan, Pohjois-Amerikkaan sekä Kiinaan. Tuulivoimateknologian voidaan olettaa kehittyvän sekä koossa että kustannustehokkuudessa.

Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

Tuulivoima; kehitys, investoinnit ja työllisyys Suomessa

Tuulivoimalla on pitkä historia. Tuulivoima soveltuu nykyajan energiantuotantoon. Suunniteltaessa ja rakennettaessa uusia tuulivoimaloita on tunnettava tuulisuuteen vaikuttavat tekijät samoin kuin tuulivoimalan sijoituspaikalla on tehtävä perusteelliset tuu-liolosuhdemittaukset. Nykyisellä sähkön hinnalla tuulivoimalat eivät ole täysin kilpailukykyisiä, joten niitä on tuettava. Tukimuotoja on monia. Suomessa pääasiallinen tukimuoto on syöttötariffi. Vallitseva politiikka on ratkaisevassa asemassa luotaessa tukijärjestelmiä tuulivoimalle. Suomessa tehtävät tuulivoimainvestoinnit ovat kasvussa. Tuulivoimaan liittyy niin hyviä kuin huonoja puolia. Huonot puolet ovat ratkaistavissa. Päästökaupan kannalta on tuulivoima yksi keino alentaa kasvihuonekaasuja ilmakehässä. Tuulivoiman osuuden kasvattaminen sähköntuotannossa luo työpaikkoja Suomeen ja luo vientimahdollisuuksia ulkomaille. Tuulivoimalla on valoisa tulevaisuus.

Hitsaustuotannon kehittäminen tuulivoimalan tornin valmistuksessa

Tuulivoima on Euroopassa nopeimmin kasvava energian tuotantomuoto. Tuulivoimateollisuuden arvioidaan kasvavan Suomessa huomattavasti lähivuosien aikana ennakoidun syöttötariffipäätöksen myötä, jolloin kilpailu alalla tulee kasvamaan. Tavoitteena oli kehittää tuulivoimalan tornin valmistusta Levator Oy:ssä hitsaustuotantoa tehostamalla ja tuotannon ohjattavuutta parantamalla. Kehitystyöhön kuului toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelu ja ohjeiston laatiminen työnjohdolle. Toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelun tarkoituksena oli suunnitella muutokset nykyiseen tuotantoon uuden linjan käyttöönoton mahdollistamiseksi. Suunnittelu aloitettiin valitsemalla hitsausprosessit, jonka jälkeen suunniteltiin laitetarpeet työvaihe-analyysien pohjalta. Tuotantolayout muutettiin nykyisestä funktionaalisesta tuotannosta tuotantosoluista koostuvaksi tuotantolinjaksi, jolloin materiaalien virtautus parani huomattavasti. Tuotannon ohjaustavaksi valittiin kapeikko-ohjaus. Ohjeiston laatimisen tarkoituksena oli kerätä ja dokumentoida kaikki tuotannossa tarvittava tieto. Ohjeiston sisältää laadunohjaus, materiaalivirtojen ohjaus ja työnohjaus osiot, joiden tarkoituksena on helpottaa työnjohtamista. Ohjeisto määrittelee yhtenäiset tuotannon toimintatavat, jolloin tuotannon ohjattavuus helpottuu. Tavoitteet täyttyivät, kun toisen tuotantolinjan käyttöönoton vaatimat muutokset aloitettiin suunnitelmien mukaisesti syyskuussa 2009. Ohjeiston sisältö saatiin määriteltyä ja eri osioiden pilotit saatiin valmiiksi joulukuun aikana. Tuotannon ohjattavuus kehittyi huomattavasti ja samalla tuottavuus parani merkittävästi.