Adaptive Markov chain Monte Carlo and Bayesian filtering for state space models

This thesis is concerned with the state and parameter estimation in state space models. The estimation of states and parameters is an important task when mathematical modeling is applied to many different application areas such as the global positioning systems, target tracking, navigation, brain imaging, spread of infectious diseases, biological processes, telecommunications, audio signal processing, stochastic optimal control, machine learning, and physical systems. In Bayesian settings, the estimation of states or parameters amounts to computation of the posterior probability density function. Except for a very restricted number of models, it is impossible to compute this density function in a closed form. Hence, we need approximation methods. A state estimation problem involves estimating the states (latent variables) that are not directly observed in the output of the system. In this thesis, we use the Kalman filter, extended Kalman filter, Gauss–Hermite filters, and particle filters to estimate the states based on available measurements. Among these filters, particle filters are numerical methods for approximating the filtering distributions of non-linear non-Gaussian state space models via Monte Carlo. The performance of a particle filter heavily depends on the chosen importance distribution. For instance, inappropriate choice of the importance distribution can lead to the failure of convergence of the particle filter algorithm. In this thesis, we analyze the theoretical Lᵖ particle filter convergence with general importance distributions, where p ≥2 is an integer. A parameter estimation problem is considered with inferring the model parameters from measurements. For high-dimensional complex models, estimation of parameters can be done by Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. In its operation, the MCMC method requires the unnormalized posterior distribution of the parameters and a proposal distribution. In this thesis, we show how the posterior density function of the parameters of a state space model can be computed by filtering based methods, where the states are integrated out. This type of computation is then applied to estimate parameters of stochastic differential equations. Furthermore, we compute the partial derivatives of the log-posterior density function and use the hybrid Monte Carlo and scaled conjugate gradient methods to infer the parameters of stochastic differential equations. The computational efficiency of MCMC methods is highly depend on the chosen proposal distribution. A commonly used proposal distribution is Gaussian. In this kind of proposal, the covariance matrix must be well tuned. To tune it, adaptive MCMC methods can be used. In this thesis, we propose a new way of updating the covariance matrix using the variational Bayesian adaptive Kalman filter algorithm.

Kuorimarummun kantokehän ja lohkon valmistuksen ja vaihdon kriittiset menestystekijät

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma Sami Suvanto Kuorimarummun kantokehän ja lohkon valmistuksen ja vaihdon kriittiset menestystekijät. Diplomityö 2014 64 sivua, 16 kuvaa, 5 taulukkoa, 1 liite Tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Jari Junninen Hakusanat: kuorimo, kuorimarumpu, kantokehä, vaippalohko, hitsaus Keywords: wood room, debarking drum, support ring, drum shell, welding Sellutehtaiden puunkäsittelylaitoksilla kuorimarumpu on yksi tärkeimmistä prosessilaitteista. Kuorimarummun kantokehän tai lohkon vaihto on tyypillisesti koko puunkäsittelyn elinkaaren merkittävin korjausinvestointi. Markkinoilla on muutamia laitevalmistajia, jotka kilpailevat omien, sekä kilpailijoiden kuorimarumpujen korjausurakoista. Tässä diplomityössä selvitetään kuorimarummun kantokehän ja lohkonvaihtourakoiden kriittiset menestystekijät. Selvitys tehdään arvioimalla tekninen konstruktio, vaihtomenetelmät, sekä toimintamalli vaihtoprojektin suorittamisessa. Case tutkimukseen valittiin yksi kilpailijalle hävitty vaippalohkon vaihtotarjous, yksi kilpailijalle hävitty kantokehän vaihtotarjous, sekä yksi kantokehätoimitus. Työn tuloksena vahvuudet ja heikkoudet kuorimarummun kunnossapidossa tulivat esiin. Työn aikana löydettiin myös lukuisia kehitysideoita. Näitä ideoita viedään eteenpäin normaalina kehitystyönä.

Miten kehittää ketjutoimintaa rautakaupassa; case Rautanet

TIIVISTELMÄ Tekijä: Urpalainen, Mika Tutkielman nimi: Miten kehittää ketjuliiketoimintaa rautakaupassa Case: Rautanet Tiedekunta: Kauppatieteellinen tiedekunta Pääaine / Maisteriohjelma: Kansainvälinen markkinointi Vuosi: 2014 Pro gradu – tutkielma: Lappeenrannan teknillinen yliopisto, 129 sivua, 28 kuvaa, 15 taulukkoa ja kaksi liitettä Tarkastajat: prof. Olli Kuivalainen, prof. Sanna-Katriina Asikainen Hakusanat: ketjutoiminta, Rautanet-ketju, sitoutuminen, markkinointi Keywords: Chain business, Rautanet-chain, commitment, marketing Rautanet-ketju on heterogeeninen, vapaaehtoisuuteen perustuva rautakauppaketju, joka on perustettu vuonna 1998. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää Rautanet-kauppiaille ja koko ketjuorganisaatiolle ketjutoiminnan etuja, haasteita sekä kauppiaskunnan näkemyksiä ketjutoiminnasta tänä päivänä. Tutkimusmenetelmä oli kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen, se perustui kauppiaille lähetettyyn kyselylomakkeeseen, joka sisälsi Likert-asteikollisia kysymyksiä 36 ja 3 kysymystä joihin vastattiin kirjallisesti. Kysymykset sisälsivät aiheita mm. Sitoutumisesta, markkinoinnista, sidosryhmistä jne. Tutkimusjoukkona oli Rautanet-kauppiaat. Kokonaisuutena arvioiden kauppiaat ovat tyytyväisiä ketjun toimintaan. Suurimmat edut ovat markkinointituki kuvastojen avulla ja ketjun voima, jonka kauppiaat tekevät yhdessä. Etuna voidaan pitää myös kauppiaiden sitoutumishalukkuutta ketjuun. Suurimpana haasteena on ehkä itsenäisyyden menettämisen pelko. Rautanet-ketjun toiminta on hyvällä tasolla. Kilpailun kiristyessä myös Rautanet-ketjun kauppiaiden sitoutumishalukkuutta on pidettävä yllä. Ketjuorganisaation on kunnioitettava kauppiaan itsenäisyyttä ja kuunneltava jatkossakin kauppiaita. Ketjun ja kauppiaiden selkeä yhteinen päämäärä, rakentaa vahva ketju, joka pystyy vastaamaan kilpailijoiden haasteisiin, on hyvin paljon riippuvainen yhdessä tekemisen halusta.

VVER-440 Thermal Hydraulics as a Computer Code Validation Challenge

This thesis concentrates on the validation of a generic thermal hydraulic computer code TRACE under the challenges of the VVER-440 reactor type. The code capability to model the VVER-440 geometry and thermal hydraulic phenomena specific to this reactor design has been examined and demonstrated acceptable. The main challenge in VVER-440 thermal hydraulics appeared in the modelling of the horizontal steam generator. The major challenge here is not in the code physics or numerics but in the formulation of a representative nodalization structure. Another VVER-440 specialty, the hot leg loop seals, challenges the system codes functionally in general, but proved readily representable. Computer code models have to be validated against experiments to achieve confidence in code models. When new computer code is to be used for nuclear power plant safety analysis, it must first be validated against a large variety of different experiments. The validation process has to cover both the code itself and the code input. Uncertainties of different nature are identified in the different phases of the validation procedure and can even be quantified. This thesis presents a novel approach to the input model validation and uncertainty evaluation in the different stages of the computer code validation procedure. This thesis also demonstrates that in the safety analysis, there are inevitably significant uncertainties that are not statistically quantifiable; they need to be and can be addressed by other, less simplistic means, ultimately relying on the competence of the analysts and the capability of the community to support the experimental verification of analytical assumptions. This method completes essentially the commonly used uncertainty assessment methods, which are usually conducted using only statistical methods.

Organizing for Systemic Innovations – Research on Knowledge, Interaction and Organizational Interdependencies

Systemic innovation has emerged as an important topic due to the interconnected technological and sociotechnical change of our current complex world. This study approaches the phenomenon from an organizing perspective, by analyzing the various actors, collaborative activities and resources available in innovation systems. It presents knowledge production for innovation and discusses the organizational challenges of shared innovation activities from a dynamic perspective. Knowledge, interaction, and organizational interdependencies are seen as the core elements of organizing for systemic innovations. This dissertation is divided into two parts. The first part introduces the focus of the study and the relevant literature and summarizes conclusions. The second part includes seven publications, each reporting on an important aspect of the phenomenon studied. Each of the in-depth single-case studies takes a distinct and complementary systems approach to innovation activities – linking the refining of knowledge to the enabling of organizations to participate in shared innovation processes. These aspects are summarized as theoretical and practical implications for recognizing innovation opportunities and turning ideas into innovations by means of using information and organizing activities in an efficient manner. Through its investigation of the existing literature and empirical case studies, this study makes three main contributions. First, it describes the challenges inherent in utilizing information and transforming it into innovation knowledge. Secondly, it presents the role of interaction and organizational interdependencies in innovation activities from various novel perspectives. Third, it highlights the interconnection between innovations and organizations, and the related path dependency and anticipatory aspects in innovation activities. In general, the thesis adds to our knowledge of how different aspects of systems form innovations through interaction and organizational interdependencies. It highlights the continuous need to redefine information and adjust organizations and networks based on ongoing activities – stressing the emergent, systemic nature of innovation.

Radio-frequency-based measurement methods for bearing current analysis in induction motors

The most common reason for a low-voltage induction motor breakdown is a bearing failure. Along with the increasing popularity of modern frequency converters, bearing failures have become the most important motor fault type. Conditions in which bearing currents are likely to occur are generated as a side effect of fast du/dt switching transients. Once present, different types of bearing currents can accelerate the mechanical wear of bearings by causing deformation of metal parts in the bearing and degradation of the lubricating oil properties.The bearing current phenomena are well known, and several bearing current measurement and mitigation methods have been proposed. Nevertheless, in order to develop more feasible methods to measure and mitigate bearing currents, better knowledge of the phenomena is required. When mechanical wear is caused by bearing currents, the resulting aging impact has to be monitored and dealt with. Moreover, because of the stepwise aging mechanism, periodically executed condition monitoring measurements have been found ineffective. Thus, there is a need for feasible bearing current measurement methods that can be applied in parallel with the normal operation of series production drive systems. In order to reach the objectives of feasibility and applicability, nonintrusive measurement methods are preferred. In this doctoral dissertation, the characteristics and conditions of bearings that are related to the occurrence of different kinds of bearing currents are studied. Further, the study introduces some nonintrusive radio-frequency-signal-based approaches to detect and measure parameters that are associated with the accelerated bearing wear caused by bearing currents.

Katsaus lisäävän valmistuksen (aka 3D-tulostus) mahdollisuuksiin ja kustannuksiin metallisten tuotteiden valmistuksessa: Case jauhepetitekniikka

Suurelle yleisölle lisäävä valmistustekniikka eli ns. 3D-tulostustekniikka näyttäytyy lehtien otsikoissa ja artikkeleissa esiin pulpahtavana ”muotiaiheena”, mutta sekä muovien 3D-tulostustekniikka että metallienkin vastaava valmistustekniikka on ollut olemassa maailmalla ja Suomessa 80-luvun puolivälistä alkaen. Yhdysvalloissa ja Saksassa tekniikkaa käytetään valmistavassa teollisuudessa toiminnallisten osien tuotannossa. Esimerkiksi lentokoneen suihkumoottorien osia ja lääketieteellisiä välineitä tehdään metallijauheesta lisäävän valmistuksen avulla. Itse asiassa eräs menetelmä metalliesineiden valmistamiseksi lasersäteen avulla keksittiin Suomessa ja sitä myös kehiteltiin täällä, mutta teollisuudenala lähti aikanaan nousuun Saksassa. Lisäävä valmistus on tällä hetkellä maailmanlaajuisesti eräs kiinnostavista tuotantotekniikoista, jonka uskotaan muuttavan monia asioita tuotteiden suunnittelussa, toiminnoissa ja valmistuksessa. Tämä tekniikka ei kiinnosta pelkästään valmistavaa teollisuutta, vaan tietotekniikan, lääketieteen, koruvalmistuksen ja muotoilun osaajat sekä uusien liiketoimintamallien kehittäjät ja logistiikka operaattorit ovat teknologiasta kiinnostuneita. Suomelle 3D-tulostustekniikka on suuri mahdollisuus, sillä maassamme on vahva teollinen tieto- ja viestintätekniikkaosaaminen sekä lisäksi olemme maassamme erikoistuneet varsin vaativien teollisiin laitteiden valmistukseen. Eräät suurimmista mahdollisuuksista tällä tekniikalla ovat toimitusketjuihin liittyvät muutokset. Uutta on, että pienetkin yritykset ja organisaatiot voivat soveltaa tätä tekniikkaa valmistuksessa ja jopa kehitellä täysin uusia tuotteita. On myös arvioitu, että lisäävän valmistuksen merkitys valmistustapoihin ja toimitusketjuihin voi olla suurempi kuin koskaan aikaisemmin minkään teknologisen uudistuksen kohdalla. Lisäävästä valmistuksesta usein puhutaankin kolmantena teollisena vallankumouksena juuri tämän takia. 3D-tulostuksen kustannuksia tarkasteltaessa on tärkeätä huomata että vain sulatetun jauheen määrä ratkaisee, ei käytettävän geometrian monimutkaisuus. Tämä erottaa perinteisen ja lisäävän valmistuksen toisistaan. Perinteisesti kappaleen keventäminen on maksanut ”ylimääräistä”, kun taas lisäävässä valmistuksessa kappaleen keveys on jopa kustannusta alentava tekijä. Valmistettavan kappaleen korkeus on yksi kriittisimpiä kustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Tämän vuoksi useamman kappaleen valmistus yhdellä kertaa parantaa kannattavuutta huomattavasti. Samalla kertaa voi ja itse asiassa kannattaakin valmistaa keskenään erilaisia kappaleita. Perinteiset valmistustavat sen sijaan ovat nykyajan vaatimuksille liian hitaita; ne joustavat huonosti, kun kyseessä on pienet, asiakaslähtöiset erät. Trendi on globaalisti kohden yksilöllisiä asiakaslähtöisiä tuotteita, jolloin myös valmistustekniikoiden on oltava joustavia pysyäkseen näiden vaatimusten perässä. Lisäävä valmistus sopii erityisesti hyvin piensarjatuotantoon. Suuremmissa valmistuserissä kuitenkin perinteiset tekniikat ovat kustannustehokkaampia.

Advanced analysis and design methods for preparative chromatographic separation processes

Preparative liquid chromatography is one of the most selective separation techniques in the fine chemical, pharmaceutical, and food industries. Several process concepts have been developed and applied for improving the performance of classical batch chromatography. The most powerful approaches include various single-column recycling schemes, counter-current and cross-current multi-column setups, and hybrid processes where chromatography is coupled with other unit operations such as crystallization, chemical reactor, and/or solvent removal unit. To fully utilize the potential of stand-alone and integrated chromatographic processes, efficient methods for selecting the best process alternative as well as optimal operating conditions are needed. In this thesis, a unified method is developed for analysis and design of the following singlecolumn fixed bed processes and corresponding cross-current schemes: (1) batch chromatography, (2) batch chromatography with an integrated solvent removal unit, (3) mixed-recycle steady state recycling chromatography (SSR), and (4) mixed-recycle steady state recycling chromatography with solvent removal from fresh feed, recycle fraction, or column feed (SSR–SR). The method is based on the equilibrium theory of chromatography with an assumption of negligible mass transfer resistance and axial dispersion. The design criteria are given in general, dimensionless form that is formally analogous to that applied widely in the so called triangle theory of counter-current multi-column chromatography. Analytical design equations are derived for binary systems that follow competitive Langmuir adsorption isotherm model. For this purpose, the existing analytic solution of the ideal model of chromatography for binary Langmuir mixtures is completed by deriving missing explicit equations for the height and location of the pure first component shock in the case of a small feed pulse. It is thus shown that the entire chromatographic cycle at the column outlet can be expressed in closed-form. The developed design method allows predicting the feasible range of operating parameters that lead to desired product purities. It can be applied for the calculation of first estimates of optimal operating conditions, the analysis of process robustness, and the early-stage evaluation of different process alternatives. The design method is utilized to analyse the possibility to enhance the performance of conventional SSR chromatography by integrating it with a solvent removal unit. It is shown that the amount of fresh feed processed during a chromatographic cycle and thus the productivity of SSR process can be improved by removing solvent. The maximum solvent removal capacity depends on the location of the solvent removal unit and the physical solvent removal constraints, such as solubility, viscosity, and/or osmotic pressure limits. Usually, the most flexible option is to remove solvent from the column feed. Applicability of the equilibrium design for real, non-ideal separation problems is evaluated by means of numerical simulations. Due to assumption of infinite column efficiency, the developed design method is most applicable for high performance systems where thermodynamic effects are predominant, while significant deviations are observed under highly non-ideal conditions. The findings based on the equilibrium theory are applied to develop a shortcut approach for the design of chromatographic separation processes under strongly non-ideal conditions with significant dispersive effects. The method is based on a simple procedure applied to a single conventional chromatogram. Applicability of the approach for the design of batch and counter-current simulated moving bed processes is evaluated with case studies. It is shown that the shortcut approach works the better the higher the column efficiency and the lower the purity constraints are.

Asiantuntijuuden hyödyntäminen pk-yritysten hallitustyössä

TIIVISTELMÄ Tekijä: Kirsi Mikkilä Tutkielman nimi: Asiantuntijuuden hyödyntäminen pk-yritysten hallitustyössä Tiedekunta: Kauppatieteellinen tiedekunta Pääaine: Yrittäjyys ja pk-yrityksen johtaminen Vuosi: 2014 Pro gradu -tutkielma: Lappeenrannan teknillinen yliopisto 103 sivua, 9 kuvioa ja 2 liitettä. Tarkastajat: KTT, prof. Timo Pihkala ja KTT, prof. Markku Ikävalko Hakusanat: hallitus, pk-yritys, asiantuntijuus Pk-yrityksen hallitustyö on yksi keskeisimmistä johtamisen välineistä, jonka avulla yritys voi mahdollistaa kasvunsa ja tuottaa omistajien sijoittamalle pääomalle parempaa tuottoa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella asiantuntijuuden käyttöä pk-yritysten hallitustyöskentelyssä. Tutkimuksella etsittiin vastauksia kysymyksiin, missä yrityksen kehitysvaiheissa asiantuntijuutta lisätään hallituksessa, mitä sillä halutaan saavuttaa ja miten prosessiin valmistaudutaan. Tavoitteena oli täydentää tietämystä pk-yrityksen hallitustyön muuttumisen ja hallituksen laajenemisen mahdollisuuksista ja syistä. Tutkimus toteutettiin haastattelututkimuksena. Tutkimuksen kohdeorganisaatioiksi valittiin viisi teollisuudenalan koneiden, laitteiden ja tuotteiden toimittajayritystä Päijät-Hämeen alueelta. Tutkimusaineisto kerättiin keväällä 2014 teemahaastatteluina. Tutkimus vahvisti resurssiperustaisen näkökulman nousevan vahvasti esiin pk-yrityksien muutosvaiheista. Hallitustyö ja hallituksen jäsenten osaaminen korostui kasvuhakuisuuden lisääntyessä. Agenttiteoria sai vahvistusta omistajajäsenten valvonnan tarpeen painottuessa ja stewardship -teorian mukaisesti hallitusammattilaiset katsoivat osaamisensa hyödyntämisen olevan palkitsemista tärkeämpää.

Konepajan hitsaustuotannon kehittäminen kattavien laatuvaatimusten mukaiseksi

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan koulutusohjelma Voitto Kettunen Konepajan hitsaustuotannon kehittäminen kattavien laatuvaatimusten mukaiseksi Diplomityö 2015 167 sivua, 39 kuvaa, 26 taulukkoa ja 3 liitettä Tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Pertti Kaarre Hakusanat: hitsaus, hitsauksen laatu, konepajan laadunhallinta, kattavat laatuvaatimukset, ISO 9001, ISO 3834, EN 1090 Keywords: welding, quality of welding, engineering workshop quality management, comprehensive quality requirements, ISO 9001, ISO 3834, EN 1090 Hitsaamalla liitetyt teräksiset rakenteet muodostavat ylivoimaisesti suurimman osan konepajatuotannosta. Niihin kuuluu esimerkiksi ajoneuvoja, koneita, laitteita, säiliöitä, siiloja, siltoja, mastoja, piippuja, tukirakenteita ja rakennusten runkoja. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää konepajan laadunhallinta sellaiseksi, että se mahdollistaa kattavien laatuvaatimusten täyttämisen hitsaustuotannossa. Laatuvaatimusten täyttämiseen pyritään käyttämällä hitsaustoimintojen standardia EN ISO 3834-2 sekä kantavien teräsrakenteiden standardeja EN 1090-1 ja EN 1090-2. Teräsrakenteiden suunnittelua ohjaa EN 1993 ja niiden toiminnallisia ominaisuuksia tuotestandardit, kuten terässavupiippu- ja säiliöstandardit. Kantavien teräsrakenteiden suunnittelua ja tuotantoa ohjaa myös seuraamusluokan CC, käyttöluokan SC ja tuotantoluokan PC kautta määräytyvä toteutusluokka EXC. Aikaisempaa enemmän tullaan panostamaan esimerkiksi asiakirjojen sähköiseen hallintaan, raaka-aineiden jäljitettävyyteen tuotteeseen, särmien ja kulmien muotoiluun, pintojen käsittelyyn, hitsien tarkastukseen, hitsaushenkilöstön pätevyyteen ja hitsaustuotannon tehokkuuteen. Saarijärven Säiliövalmiste Oy:n hitsauksen laadunhallinta sertifioitiin standardin ISO 3834-2 mukaan ja kantavien teräsrakenteiden FPC-järjestelmä standardisarjaa EN 1090 noudattaen. Samalla tehtiin päivitys laadunhallintajärjestelmään ISO 9001. Toteutus, joka tehtiin sovitussa aikataulussa, haastaa jokaisen toimijan konepajassa toiminnan, tuotannon ja tuotteiden laadun kehittämiseen uusia käytänteitä ja menetelmiä soveltaen. Kehitystoimien tuloksena toiminta on selkeämpää, ennakoitavampaa ja hallitumpaa, mikä lisää yrityksen toiminnan tuottavuutta ja kannattavuutta. Sertifioidut laatujärjestelmät ovat myötävaikuttaneet tilausten lisääntymiseen yrityksen kaikkien tuotteiden osalta.

Teollinen internet uuden liiketoiminnan katalysaattorina

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknistaloudellinen tiedekunta Tuotantotalouden koulutusohjelma Seppo Kuittinen Teollinen Internet uuden liiketoiminnan katalysaattorina Case CGI Diplomityö 2015 78 sivua, 33 kuvaa, 1 taulukko, 1 liite Työn tarkastajat: Professori Timo Pihkala Tutkijatohtori Marita Rautiainen Hakusanat: teollinen internet, IoT, kehittynyt analytiikka, sensorit Keywords: Industrial internet, IoT, advanced analytics, sencors Tämän työn tarkoituksena on tutkia asiakaskyselyn avulla luoko teollinen internet case yritykselle uutta ohjelmisto- tai palveluliiketoimintaa. Case yritys valitsi omasta asiakaskunnastaan 15 kohdeasiakasta, joille kysely lähetettiin. Vastauksista käy ilmi, että asiakaskunnassa on näkemys siitä, mitä teollinen internet on. Nykyisten ratkaisujen ei nähdä ratkaisevan kaikkia teollisen internetin mukanaan tuomia ongelmia. Ongelmaksi koetaan sensoridatan analysointi, jonka ei vielä katsota olevan riittävän kehittynyttä ja luotettavaa. Kyselystä voidaan päätellä, ettei mitään räjähtävää kasvua ole odotettavissa lähiaikoina. Teollinen internet tulee olemaan osa yritysten liiketoimintaa, mutta sen käyttö laajenee pikkuhiljaa.

Hyperfine interactions in the new Fe-based superconducting structures and related magnetic phases

This thesis is devoted to the study of the hyperfine properties in iron-based superconductors and the synthesis of these compounds and related phases. During this work polycrystalline chalcogenide samples with stoichiometry 1:1 (FeTe1-χSχ, FeSe1-x) and pnictide samples with stoichiometry 1:2:2 (BaFe2(As1-χPχ)2, EuFe2(As1-x Px)2) were synthesized by solid-state reaction methods in vacuum and in a protecting Ar atmosphere. In several cases post-annealing in oxygen atmosphere was employed. The purity and superconducting properties of the obtained samples were checked with X-ray diffraction, SQUID and resistivity measurements. For studies of the magnetic properties of the investigated samples Mössbauer spectroscopy was used. Using low-temperature measurements around Tc and various values of the source velocity the hyperfine interactions were obtained and the magnetic and structural properties in the normal and superconducting states could be studied. Mössbauer measurements together with XRD characterization were also used for the detection of impurity phases. DFT calculations were used for the theoretical study of Mössbauer parameters for pnictide-based ᴻsamples BaFe2(As1-xPx)2 and EuFe2(As1-xPx)2.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Framework for Regional Heating Energy Efficiency Assessment

The aim of this project was to develop general framework for systematic assessment of energy efficiency of heating on regional level in Russia. The framework created during this project includes two main instruments, namely: general regional heating energy efficiency assessment model (REEMod) and general regional heating energy efficiency assessment criteria for housing areas (REECrit). Framework pays extreme attention to realization of energy saving, overall cost efficiency and comfortable indoor climate. Life-cycle ideology was applied during creation of the framework. Application of the framework can provide decision-making process with systematically collected and processed information on current state of areas energy efficiency. Such information will help decision makers to evaluate current situation of the whole energy chain, to compare different development scenarios and to identify the most efficient improvement methods, thus supporting realization of regions efficient energy management. Simultaneous pursuit of energy savings, cost efficiency and indoor air quality can contribute to development of sustainable community. Presented instruments should be continuously developed further as an iterative process based on knew experience, development of technology and overall understanding of energy efficiency issues.

Developing an introductory object-oriented programming course

The state of the object-oriented programming course in Lappeenranta University of Technology had reached the point, where it required changes to provide better learning opportunities and thus the learning outcomes. Based on the student feedback the course was partially dated and ineffective. The components of the course were analysed and the ineffective elements were removed and new methods were introduced to improve the course. The major changes included the change from traditional teaching methods to reverse classroom method and the use of Java as the programming language. The changes were measured by the student feedback, lecturer’s observations and comparison to previous years. The feedback suggested that the changes were successful; the course received higher overall grade than before.