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.

Large scale solar power plant flat roof and carport installation in Finland

This work focuses on the 159.5 kW solar photovoltaic power plant project installed at the Lappeenranta University of Technology in 2013 as an example of what a solar plant project could be in Finland. The project consists of a two row carport and a flat roof installation on the roof of the university laboratories. The purpose of this project is not only its obvious energy savings potential but also to serve as research and teaching laboratory tool. By 2013, there were not many large scale solar power plants in Finland. For this reason, the installation and data experience from the solar power plant at LUT has brought valuable information for similar projects in northern countries. This work includes a first part for the design and acquisition of the project to continue explaining about the components and their installation. At the end, energy produced by this solar power plant is studied and calculated to find out some relevant economical results. For this, the radiation arriving to southern Finland, the losses of the system in cold weather and the impact of snow among other aspects are taken into account.

Sustainability of protein production by bioreactor processes using wind and solar power as energy sources

Food production account for significant share of global environmental impacts. Impacts are global warming, fresh water use, land use and some non-renewable substance consumption like phosphorous fertilizers. Because of non-sustainable food production, the world is heading to different crises. Both food- and freshwater crises and also land area and phosphorous fertilizer shortages are one of many challenges to overcome in near future. The major protein sources production amounts, their impacts on environment and uses are show in this thesis. In this thesis, a more sustainable than conventional way of biomass production for food use is introduced. These alternative production methods are photobioreactor process and syngas-based bioreactor process. The processes’ energy consumption and major inputs are viewed. Their environmental impacts are estimated. These estimations are the compared to conventional protein production’s impacts. The outcome of the research is that, the alternative methods can be more sustainable solutions for food production than conventional production. However, more research is needed to verify the exact impacts. Photobioreactor is more sustainable process than syngas-based bioreactor process, but it is more location depended and uses more land area than syngas-based process. In addition, the technology behind syngas-based application is still developing and it can be more efficient in the future.

Testing Platform Development for Large Scale Solar Integration

Currently, a high penetration level of Distributed Generations (DGs) has been observed in the Danish distribution systems, and even more DGs are foreseen to be present in the upcoming years. How to utilize them for maintaining the security of the power supply under the emergency situations, has been of great interest for study. This master project is intended to develop a control architecture for studying purposes of distribution systems with large scale integration of solar power. As part of the EcoGrid EU Smart Grid project, it focuses on the system modelling and simulation of a Danish representative LV network located in Bornholm island. Regarding the control architecture, two types of reactive control techniques are implemented and compare. In addition, a network voltage control based on a tap changer transformer is tested. The optimized results after applying a genetic algorithm to five typical Danish domestic loads are lower power losses and voltage deviation using Q(U) control, specially with large consumptions. Finally, a communication and information exchange system is developed with the objective of regulating the reactive power and thereby, the network voltage remotely and real-time. Validation test of the simulated parameters are performed as well.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Aurinkoenergian hyödyntäminen olemassa olevassa pientalossa

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia aurinkoenergian hyödyntämistä olemassa olevassa pientalossa. Työssä tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen kannattavuutta vaihtoehtoisten lämmitysjärjestelmien osana sekä aurinkosähkön tuotantoa rakennuksen sähköenergian kulutukseen. Lisäksi tarkastellaan, missä määrin aurinkoenergian käyttö vähentää rakennuksen hiilidioksidipäästöjä. Suomi on asettanut itselleen kunnianhimoisen tavoitteen pienentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta vuoteen 2050 mennessä. Olemme myös sitoutuneet EU:n uusiutuvan energiankäytön lisäämistavoitteisiin. Normiohjauksen avulla voidaan huolehtia uudisrakennustuotannon energiatehokkuudesta, mutta olemassa olevaan rakennuskantaan on löydettävä muita kustannustehokkaita keinoja vähentää ostoenergian kulutusta ja lisätä uudistuvan energian osuutta energiankulutuksesta. Suomalaiselle asuntorakennuskannalle on tyypillistä pientalovaltaisuus sekä asuntokannan hidas uusiutuvuus. Tämä osaltaan lisää haastetta kansallisten sekä kansainvälisten tavoitteiden saavuttamisessa. Aurinkoenergian hyödyntämisen kannattavuutta tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen rajakustannuksen avulla. Laitteen tekninen käyttöikä ja ostoenergian hintakehitys ovat arvioituja. Näin tarkastellen öljylämmitys ja suora sähkölämmitys saavat suurimman hyödyn aurinkoenergiasta, kun sillä tuotetaan lämmintä käyttövettä.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Kotitalouksien sähkön pientuotanto

Työssä tarkastellaan sähkön pientuotantoa, siitä syntyviä kustannuksia ja onko kyseistä sähköä kannattavaa myydä jakeluverkkoon. Kasvavan sähköntarpeen ja ympäristökysy-mysten takia uusiutuvien energialähteiden käyttö on kasvavassa suosiossa sähköntuotan-nossa. Työssä keskitytään tuuli- ja aurinkosähköön, sillä ne ovat helpoimmin toteutettavissa olevia sähkön pientuotanto muotoja kotitalouksille. Työssä perehdytään pintapuolisesti älykkään sähköverkon toimintaan, sillä älykäs sähköverkko on avainasemassa hajautetun tuotannon mahdollistamisessa. Tämän lisäksi tarkastellaan voimassa olevia houkuttimia, joilla saadaan kuluttajat kiinnostumaan uusiutuvien energiamuotojen käytöstä sähköntuo-tannossa. Empiirisessä osiossa kuvaillaan Suomen ja Saksan tuuli- ja aurinko-olosuhteita. Tässä työssä tarkastellaan Suomen osalta Etelä-Suomea ja Saksan osalta Etelä-Saksaa. Sähköntuottajien kannalta lasketaan tuuli- ja aurinkosähköstä aiheutuvat kustannukset, kuten investointi- ja vuosikustannukset. Tämän jälkeen tarkastellaan saatuja tuloksia ja vertaillaan Suomen ja Saksan välistä tilannetta. Suomen syöttötariffijärjestelmä on vasta otettu käyttöön, toisin kuin Saksassa, jossa on yli 20 vuoden ajan ollut jo kyseinen järjestelmä käytössä. Tämä näkyy Saksan energian tuo-tannossa, sillä Saksa on yksi johtavimpia tuuli- ja aurinkosähköntuottajamaita. Tariffijär-jestelmän myötä Suomessa hajautettu sähkön tuotanto tulee lähitulevaisuudessa kasvamaan, mikä vaatii nykyisen jakeluverkon uudistamista.

Aurinkosähköjärjestelmien vieminen Afrikan kehittyviin maihin

Aurinkosähköjärjestelmien käyttäminen sähkön tuotannossa on kasvanut viime vuosina teknologian hinnan laskun ja tiukentuvien ympäristömääräyksien seurauksena. Monet aurinkosähköön keskittyvät yritykset etsivät uusia markkinoita Afrikan kehittyvistä maista. Aurinkosähkön avulla voidaan vastata kehittyvien maiden kasvavaan sähköntarpeeseen ja samalla vähentää maiden hiilidioksidipäästöjä sekä nostaa maiden kehittyvää elintasoa. Tässä työssä tutkitaan aurinkosähköjärjestelmien viemistä kahteen Afrikan kehittyvään maahan Tansaniaan ja Etelä-Afrikkaan. Työn tavoitteena on kohdemaiden liiketoimintaympäristöjen tutkiminen ja markkinapotentiaalin selvittäminen suomalaisen sähkö- ja automaatiotekniikkaan keskittyvän pk-yrityksen näkökulmasta. Työssä selvitetään Tansanian ja Etelä-Afrikan liiketoimintaympäristöjen ja aurinkosähkömarkkinoiden erityispiirteet. Tuloksissa käsitellään myös sopivinta kansainvälistymistapaa tutkitulle pk-yritykselle sekä haasteita, joita yritys kohtaa Afrikan markkinoilla. Kansainvälistymismalleista tutkimuksessa käsitellään Uppsala-mallia ja verkostomallia.

Aurinkovoimalan kannattavuusanalyysi

Tässä työssä tarkastellaan 300 kW:n voimalan energiantuottopotentiaalia. Työssä lasketaan tuotetun energian perusteella saadut vuosittaiset säästöt. Säästöjen avulla voidaan arvioida voimalan kannattavuutta. Lasketaan myös aurinkovoimalan tuottamalle energialle hinta, jota verrataan ostetun energian hintaan. Kannattavuuden arvioinnissa käytetään yleisiä menetelmiä: takaisinmaksuaikaa, sekä annuiteetti- ja nykyarvomenetelmää.

Sähköverkosta irti olevan pienhybridijärjestelmän toteutus

Lappeen siniset –partiolippukunnalla on käytössään leiripaikka Humaljärvellä, Lappeenrannassa. Leiripaikalla ei ole liityntää sähköverkkoon, joten leiripaikalle on asennettu kaksi erillistä aurinkovoimalla toimivaa sähköjärjestelmää. Leiripaikan sähköistetyt rakennukset ovat pääkämppä ja saunan sekä vanhan kämpän muodostama kokonaisuus. Aurinkopaneeleilla tuotettu sähköenergia varastoidaan akustoihin. Lippukunta on havainnot käytössä, ettei talvella tuotettu aurinkoenergia riitä kattamaan pääkämpän sähkönkulutusta, joten leiripaikalle on päätetty hankkia tuulivoimala lisäämään tuotantoa. Tässä kandidaatin työssä esitellään hybridijärjestelmään kuuluvien aurinko- ja tuulivoiman toimintaperiaatteita sekä näiden komponentteja. Aurinko- ja tuulivoimalla tuotetulle sähköenergialle lasketaan arviot, joita verrataan leiripaikan sähköjärjestelmän arvioituun kulutukseen. Leiripaikalle tulevaa tuuliturbiinia ja sen lataussäädintä testataan laboratoriossa, jotta varmistutaan niiden soveltuvuudesta sekä toimivuudesta kohteeseen. Testausten ja laitteiden datalehtien avulla suunnitellaan leiripaikalle toimiva hybridijärjestelmä, joka kattaa leiripaikan ympärivuotisen sähkönkulutuksen.

Aurinkosähkön kannattavuustarkastelu jäähallilla

Tässä kandidaatintyössä selvitetään aurinkosähkön kannattavuutta jäähallissa. Tutkimuksessa huomioidaan paikallisten olosuhteiden kuten auringon säteilynmäärän, lämpötilan ja paneelien asennussuunnan vaikutus tuotetun aurinkosähkön määrään. Tuotannon soveltuvuutta arvioidaan vertaamalla simuloituja aurinkosähkön tuotantolukemia jäähallin sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutustiedot perustuvat etäluettavan sähkömittarin tunnittaisiin mittaustuloksiin. Investoinnin kannattavuutta arvioidaan yleisesti käytettyjen tunnuslukujen valossa, jotka lasketaan yksityiskohtaisen tarkastelun avulla. Lisäksi tunnuslukuja analysoidaan herkkyysanalyysiin avulla.

Alueellisen lämmitysjärjestelmän valinta hankesuunnitteluvaiheessa

Työn lähtökohtana oli tarkastella hankesuunnitteluvaiheen lämmitysjärjestelmän valintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Työssä käytettiin Case-tarkasteluna Espoon Finnoon aluetta. Rakennusosakeyhtiö Hartela voitti Espoon Finnoon ensimmäisen (Finnoo I) asemakaava-alueen suunnittelu ja toteuttamisen ideakilpailun vuoden 2012 lopussa. Finnoo I alueelle rakennettaan noin 155 000 kerrosmetriä eli huoneistot noin 4000 asukkaalle. Alueen ra-kennukset suunnitellaan energiatehokkaaksi, sekä lämmityksessä ja sähkössä on tarkoitus käyttää uusiutuvaa energiaa. Työssä käsiteltiin alueellista lämmitysjärjestelmää ja sen vaihtoehtoetoja. Työssä tutkittiin myös aurinkosähkön käytön mahdollisuutta alueella. Ensin työssä mitoitettiin rakennusten energiankulutuksen muodostuminen alustavien suunnitelmien ja arvioitujen ominaiskulu-tusten avulla. Sen jälkeen käytiin läpi mahdolliset lämmitysjärjestelmät, joita alueella voi-daan käyttää ja arvioitiin niiden aiheuttamat elinkaarikustannukset koko laskenta-ajan jak-solla. Elinkaarilaskentaan valittiin viisi toteutuskelpoisinta järjestelmää ja niistä laskettiin elinkaarikustannukset. Lisäksi laskettiin järjestelmien hiilidioksidipäästöt vuosittain. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti yhtä ainoata parasta lämmi-tysjärjestelmää alueelle ei ole, vaan kaukolämpöä, maalämpöä ja hybridijärjestelmiä tulisi käyttää alueella sekaisin. Lisäksi alue on mahdollista rakentaa niin, että alue käyttäisi nolla-lämpöalueen periaatetta, niin että rakennukset, jotka tuottavat lämpöä liikaa myisivät ne sitä rakennuksille jotka tarvitsevat sitä. Aurinkosähkön potentiaali alueella on hyvä ja sitä käyttämällä voidaan rakennusten E-lukua ja hiilidioksidipäästöjä laskea.

Ydinvoiman säädettävyys laajamittaisesti sähköä varastoivassa energiajärjestelmässä

Tulevaisuudessa tuuli- ja aurinkovoiman osuus sähköntuotannosta tulee kasvamaan. Näiden uusiutuvien energiamuotojen tuotanto kuitenkin vaihtelee sääolosuhteiden mukaan. Tästä johtuen tarvitaan lisää säätövoimaa, jotta voidaan vastata sähkönkulutukseen tuuli- ja aurinkosähkön tuotannon laskiessa. Tässä työssä tarkastellaan mahdollisuutta toteuttaa sähkönkulutuksen ja tuotannon tasapainottaminen Suomessa sähkön varastoinnin avulla sekä ydinvoiman soveltuvuutta säätövoimaksi ja ydinsähkön varastoinnin kannattavuutta. Työssä vertaillaan mahdollisuuksia sähkön varastointiteknologioiksi, joista valitaan potentiaalisimmat vaihtoehdot kustannus- ja soveltuvuustarkasteluun. Varastointikapasiteetin tarvetta tarkastellaan Suomen nykyisen sähkönkulutuksen ja -tuotannon mukaan sekä tilanteessa, jossa tuuli- ja aurinkovoiman osuus on molemmilla 15 % kokonaistuotantokapasiteetista. Vanhempien sekä nykyaikaisten ydinvoimaloiden soveltuvuutta säätövoimaksi tarkastellaan laitosten säädettävyyden perusteella. Ydinvoimalaa on kuitenkin kannattavinta käyttää mahdollisimman suurella käyttökertoimella, joten tarkastelussa on myös mahdollisuus varastoida sähköä tilanteissa, joissa tuotantoa jouduttaisiin rajoittamaan. Varastointiteknologioiden ja eri skenaarioissa vaadittujen varastointikapasiteettien perusteella voidaan todeta, ettei sähkönkulutuksen ja -tuotannon tasapainottaminen sähkön varastoinnilla ole kannattavaa nykyisillä varastointikustannuksilla ja sähkön hinnoilla. Ydinvoiman voidaan todeta soveltuvan hyvin säätövoimaksi ominaisuuksien puolesta, mutta taloudellisesti se ei ole paras vaihtoehto. Ydinvoimalla tuotetun sähkön varastointi ei ole tällä hetkellä Suomessa kannattavaa matalien sähkön hintojen ja korkeiden varastointikustannusten vuoksi. Sähkön varastoinnista on mahdollista tulla kannattavaa 2020-luvulla. Tämä edellyttää Yhdysvaltojen energiaministeriön asettaman strategian toteutumista, jonka tavoitteena on varastoimalla tuotetun sähkön kustannusten saaminen alle 75 €/MWh.

Aurinkosähkön taloudellinen kannattavuus erikoiskohteessa

Aurinkosähköjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosien aikana niin kotitalouksissa kuin julkisissa rakennuksissakin aurinkopaneeleiden suopean hintakehityksen myötä. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmän kannattavuutta erikoiskohteessa Lapissa Tervolan kunnan alueella sijaitsevalla huoltoasemalla. Työssä aurinkosähköntuotannon ajoittumista kulutuksen suhteen lähdetään selvittämään vertailemalla simuloinnin avulla saatuja tuotantoennusteita huoltoaseman sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutusprofiilin tiedot perustuvat etäluettavan mittarin tuntikulutus mittauksiin. Investoinnin kannattavuutta tarkastellaan takaisinmaksuajan mukaan simuloinnista saatujen tuotantoennusteiden ja muiden takaisinmaksuaikaan vaikuttavien parametrien avulla. Lopuksi takaisinmaksuaikaa tarkastellaan vielä herkkyysanalyysien avulla.