Optimization of PV and battery capacity for domestic purposes

The usage of PV batteries nowadays became more and more widely spread. Due to the fact that the efficiency of modern PV is rising every year the prevalence of this source of energy is increasing. As the source of the energy is sunlight, these batteries need to be complimented by storage capacitors which will store energy for future use. Nevertheless the less the calculation of demanded amount of energy according the load and capacity of a storage battery that will keep the end consumer in work during certain time still is not overviewed. In this thesis the overall system will be considered and there will be made economic calculations for configurations of such system that will depend from the load. Also the behavior of the system in different geographical and climate conditions that influence of the amount of energy produced will be overviewed.

Building Strong Brands with Sponsorship: Case Battery Energy Drink

Tutkimuksen päätavoitteena oli ymmärtää vahvojen brändien ja brändipääoman rakentamisprosessia, painottaen erityisesti sponsoroinnin roolia tässä prosessissa. Tutkimus suoritettiin laadullisena tutkimuksena, jossa käytettiintapaustutkimusmenetelmää. Tutkimuksen aineisto kerättiin suurimmista online artikkelitietokannoista sekä kolmesta henkilökohtaisesta haastattelusta case-yrityksen edustajien kanssa. Tutkimuksen teoreettisen perustan muodosti brändipääoma-käsite ja sen osa-alueet, näiden liittyminen vahvoihin brändeihin ja brändien rakentamiseen, sekä sponsoroinnin strateginen käyttö brändien rakentamisessa. Lisäksi tutkimuksen empiirinen perusta arvio ja testasi näitä oletuksia ja aikaisemmin käsiteltyjä teorioita case-brändi Battery energiajuoman valossa. Tutkimus osoitti, että nykypäivänä kovan kilpailun markkinointiympäristössä, sponsorointi edustaa vaihtoehtoista tapaa rakentaa vahvoja, omalaatuisia ja suotuisia brändejä, joilla on korkea brändipääoma. Sponsoroinnista on tullut yhä tärkeämpi kommunikointiväline brändien rakentamisessa ja erityisesti siellä missä perinteiset menetelmät ovat muuttumassa tehottomiksi. Empiirisessä osassa selvisi, että sponsorointia on käytetty menestyksekkäästi strategisena keinona vahvan ja omalaatuisen Battery brändin ja sen korkean brändipääoman rakentamisessa.

Adaptive optimization schemes for mobile VoIP applications Battery life and call quality aspects

In this thesis programmatic, application-layer means for better energy-efficiency in the VoIP application domain are studied. The work presented concentrates on optimizations which are suitable for VoIP-implementations utilizing SIP and IEEE 802.11 technologies. Energy-saving optimizations can have an impact on perceived call quality, and thus energy-saving means are studied together with those factors affecting perceived call quality. In this thesis a general view on a topic is given. Based on theory, adaptive optimization schemes for dynamic controlling of application's operation are proposed. A runtime quality model, capable of being integrated into optimization schemes, is developed for VoIP call quality estimation. Based on proposed optimization schemes, some power consumption measurements are done to find out achievable advantages. Measurement results show that a reduction in power consumption is possible to achieve with the help of adaptive optimization schemes.

Battery Cell Modeling for Battery Management System

Usage of batteries as energy storage is emerging in automotive and mobile working machine applications in future. When battery systems become larger, battery management becomes an essential part of the application concerning fault situations of the battery and safety of the user. A properly designed battery management system extends one charge cycle of battery pack and the whole life time of the battery pack. In this thesis main objectives and principles of BMS are studied and first order Thevenin’s model of the lithium-titanate battery cell is built based on laboratory measurements. The battery cell model is then verified by comparing the battery cell model and the actual battery cell and its suitability for use in BMS is studied.

Reuse of electric vehicle battery in uninterruptible power supply

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Nissan Leaf -sähköauton käytetyn litiumakun soveltuvuutta UPS-varavirtalaitteen energialähteeksi. Kun akku on heikentynyt niin ettei sen kapasiteetti enää ole riittävä autokäyttöön, sitä voidaan kuitenkin vielä hyödyntää muissa sovelluksissa, kuten UPS-laitteessa. Työ sai alkunsa osana GreenDataNet-projektia, jossa pyritään kehittämään datakeskuksiin ympäristöä vähemmän kuormittavia ratkaisuja käyttämällä uusiutuvia energialähteitä, akkujen uusiokäytöllä, sekä energianhallinnan optimoinnilla. Työssä käytiin läpi akun ja sen ohjausjärjestelmän ominaisuuksia, kerrottiin UPS:in ohjelmistoon tehdyistä muutoksista sekä esitettiin testitulokset. Lopputuloksena todettiin akun sopivan muuten hyvin UPS-käyttöön, mutta vaadittu päivittäinen kennojännitteiden tasaus ja sen aiheuttama katkos energian saatavuuteen heikentää UPSin käyttövarmuutta kuorman suojauksessa. Lopussa esitettiin muutamia ehdotuksia tämän ongelman korjaamiseksi.

Performance Degradation Modelling and Techno-Economic Analysis of Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems

Transmission system operators and distribution system operators are experiencing new challenges in terms of reliability, power quality, and cost efficiency. Although the potential of energy storages to face those challenges is recognized, the economic implications are still obscure, which introduce the risk into the business models. This thesis aims to investigate the technical and economic value indicators of lithium-ion battery energy storage systems (BESS) in grid-scale applications. In order to do that, a comprehensive performance lithium-ion BESS model with degradation effects estimation is developed. The model development process implies literature review on lifetime modelling, use, and modification of previous study progress, building the additional system parts and integrating it into a complete tool. The constructed model is capable of describing the dynamic behavior of the BESS voltage, state of charge, temperature and capacity loss. Five control strategies for BESS unit providing primary frequency regulation are implemented, in addition to the model. The questions related to BESS dimensioning and the end of life (EoL) criterion are addressed. Simulations are performed with one-month real frequency data acquired from Fingrid. The lifetime and cost-benefit analysis of the simulation results allow to compare and determine the preferable control strategy. Finally, the study performs the sensitivity analysis of economic profitability with variable size, EoL and system price. The research reports that BESS can be profitable in certain cases and presents the recommendations.

Cyber foraging for green computing, improving performance and prolonging battery life of mobile devices

The increasing dependency of everyday life on mobile devices also increases the number and complexity of computing tasks to be supported by these devices. However, the inherent requirement of mobility restricts them from being resources rich both in terms of energy (battery capacity) and other computing resources such as processing capacity, memory and other resources. This thesis looks into cyber foraging technique of offloading computing tasks. Various experiments on android mobile devices are carried out to evaluate offloading benefits in terms of sustainability advantage, prolonging battery life and augmenting the performance of mobile devices. This thesis considers two scenarios of cyber foraging namely opportunistic offloading and competitive offloading. These results show that the offloading scenarios are important for both green computing and resource augmentation of mobile devices. A significant advantage in battery life gain and performance enhancement is obtained. Moreover, cyber foraging is proved to be efficient in minimizing energy consumption per computing tasks. The work is based on scavenger cyber foraging system. In addition, the work can be used as a basis for studying cyber foraging and other similar approaches such as mobile cloud/edge computing for internet of things devices and improving the user experiences of applications by minimizing latencies through the use of potential nearby surrogates.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Golfkentän viheriöleikkureiden käytöstä aiheutuvat ympäristövaikutukset

Golfin suosion kasvaessa ja golfkenttien määrän lisääntyessä kenttien ympäristövaikutuksiin on alettu kiinnittää entistä enemmän huomiota. Golfkenttien viheriöiden, esiviheriöiden ja tii-paikkojen ruohon leikkaus on yksi ympäristöön vaikuttava toimenpide kentän hoidossa, koska leikkaus suoritetaan polttomoottorikäyttöisillä viheriöleikkureilla. Tämän diplomityön tilaajana toiminut Actioneco Oy halusi selvittää kehittämänsä uudentyyppisen, akkukäyttöisen viheriöleikkurin käytöstä aiheutuvat ympäristövaikutukset polttomoottorikäyttöiseen leikkuriin verrattuna. Työn tavoitteena oli tuottaa tietoa viheriöleikkureiden ympäristövaikutuksista leikkurivalmistajille ja golfkentille sekä luoda malli, jonka avulla käytöstä syntyviä ympäristövaikutuksia voidaan tarkastella erilaisilla kentillä leikkurityypistä riippuen. Työn tarkoituksena oli myös tuoda esiin hyödyt, joita ympäristöystävällisen leikkurityypin käyttöön liittyy. Viheriöleikkureiden käytön ympäristövaikutukset selvitettiin elinkaariarvioinnin avulla. Merkittävämmäksi ympäristövaikutukseksi osoittautui ilmaston lämpeneminen, joka aiheutui pääasiassa hiilidioksidista. Syntyvien päästöjen määrissä oli kuitenkin huomattava ero tutkittavien leikkurityyppien välillä. Koska akkukäyttöisten leikkureiden käytöstä aiheutuu vähemmän ympäristöön vaikuttavia päästöjä, on niiden käyttö suositeltavampaa polttomoottorikäyttöisten leikkureiden käyttöön verrattuna. Ympäristöystävällisempien leikkureiden käytöllä on mahdollista saavuttaa myösgolfkenttäyhtiön toimintaan positiivisesti vaikuttavia hyötyjä.

Microgrids and their operations

Interconnection of loads and small size generation forms a new type of distribution systems, the Microgrid. The microgrids can be operated together with the utility grid or be operated autonomously in an island. Thesesmall grids present a new paradigm of the construction of the low voltage distribution systems. The microgrids in the distribution systems can become small, controllable units, which immediately react to the system's changes. Along with that the microgrids can realize the special properties, such as increasing the reliability, reducing losses, voltage sag correction, uninterruptible supplying. The goals of the thesis are to explain the principles of the microgrid's functioning, to clarify the main ideas and positive features of the microgrids, to find out and prove their advantages and explain why they are so popular nowadays all over the world. The practical aims of the thesis are to construct and build a test setup of a microgrid based on two inverters from SMA Technologie AG in the laboratory and to test all the main modes and parameters of the microgrid's operating. Also the purpose of the thesis is to test the main component of the microgrid - the battery inverter which controls allthe processes and energy flows inside a microgrid and communicates with the main grid. Based on received data the main contribution of the thesis consists of the estimation of the established microgrid from the reliability, economy and simplicity of operating points of view and evaluation ofthe advisability of its use in different conditions. Moreover, the thesis assumes to give the recommendations and advice for the future investigations of the built system.

Verkkonaapuruston valvontatehtävien siirto mobiililaitteelta kiinteälle laitteelle PeerHood -verkossa

PeerHood -verkon mobiililaitteiden akkutehon säästämiseksi siirretään mobiililaitteen verkkonaapuruston valvontatehtävät kiinteälle laitteelle. Valvontatehtävien siirto on tarkoitus tehdä silloin, kun laite pysyy paikallaan, esimerkiksi toimisto tiloissa. Laitteen pysyessä paikallaan voidaan verkkonaapurustoa seurata kiinteän laitteen resursseilla ja päivittää verkkomuutokset mobiililaitteelle tarvittaessa. Mobiililaitteen ollessa vain kuuntelutilassa laite säästää akkutehoa, koska sen ei tarvitse aktiivisesti lähettää dataa verkkolaitteillaan. Verkkolaitteet pysyvät lepotilassa ja odottavat vain tulevaa dataa. Verkkonaapuruston valvontatehtävien siirto ei kuitenkaan vaikuta käyttäjän palveluiden hyödyntämiseen, joten verkkolaitteen akkutehon säästö riippuu suuresti käyttäjän toimista, käyttäjä voi edelleen käyttää muiden PeerHood laitteiden palveluita tai tarjota omiaan.

Analysis of the voltage source inverter with small DC-link capacitor

IIn electric drives, frequency converters are used to generatefor the electric motor the AC voltage with variable frequency and amplitude. When considering the annual sale of drives in values of money and units sold, the use of low-performance drives appears to be in predominant. These drives have tobe very cost effective to manufacture and use, while they are also expected to fulfill the harmonic distortion standards. One of the objectives has also been to extend the lifetime of the frequency converter. In a traditional frequency converter, a relatively large electrolytic DC-link capacitor is used. Electrolytic capacitors are large, heavy and rather expensive components. In many cases, the lifetime of the electrolytic capacitor is the main factor limiting the lifetime of the frequency converter. To overcome the problem, the electrolytic capacitor is replaced with a metallized polypropylene film capacitor (MPPF). The MPPF has improved properties when compared to the electrolytic capacitor. By replacing the electrolytic capacitor with a film capacitor the energy storage of the DC-linkwill be decreased. Thus, the instantaneous power supplied to the motor correlates with the instantaneous power taken from the network. This yields a continuousDC-link current fed by the diode rectifier bridge. As a consequence, the line current harmonics clearly decrease. Because of the decreased energy storage, the DC-link voltage fluctuates. This sets additional conditions to the controllers of the frequency converter to compensate the fluctuation from the supplied motor phase voltages. In this work three-phase and single-phase frequency converters with small DC-link capacitor are analyzed. The evaluation is obtained with simulations and laboratory measurements.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Designing a modular, open and expandable Bluetooth-platform

Lähitulevaisuudessa langattomien järjestelmien kaupalliset mahdollisuudet tulevat olemaan valtavia. Tutkiaksemme tulevia tarpeita, tässä diplomityössä esitellään kuinka voidaan suunnitella ja toteuttaa avoin langaton asiakas-palvelin järjestelmä. Järjestelmänä päätettiin käyttää Bluetooth:ia. Tutkituista langattomista standardeista Bluetooth sopii parhaiten akkukäyttöiselle laitteelle, jonka tulee olla monipuolinen. Lisäksi Bluetooth:iin on liitetty suuria kaupallisia odotuksia ja yksi työn tavoitteista olikin tutkia, ovatko nämä odotukset realistisia. Bluetooth:iin havaittiin liittyvän paljon ylimainontaa ja, sen todettiin olevan monimutkainen. Sillä on kuitenkin paljon ominaisuuksia ja erilaisten käyttöprofiilien avulla sitä voidaan käyttää monenlaisiin tehtäviin. Suunniteltu järjestelmä ajaa socket-palvelinta Bluetooth-yhteyden päällä. Tietyntyyppiseen liikenteeseen erikoistuneet socket:t tarjoavat vaaditun laajennattavuuden. Palvelin toteutetiin Linux-säikeenä ja se hallitsee Bluetooth protokollapinoa sekä sovelluksia, joita suoritetaan palvelimella. Näiden sovelluksien palvelut ovat muiden käytössä Bluetooth:n kautta.

Teholähdepiirilevyn suunnittelu akkukäyttöiseen laitteeseen

Teholähdepiirilevyn suunnittelu etenkin kooltaan pieneen akkukäyttöiseen laitteeseen on monivaiheinen suunnitteluprosessi. Teholähdetopologioiden valinta levylle määrää heti alkuunsa kuinka vakaata jännitettä levyllä voidaan tuottaa, kuinka suuria tehoja siitä voidaan ottaa, miten paljon häiriöitä levy tuottaa ympäristöönsä ja ennen kaikkea, kun akkukäyttöisestä laitteesta on kysymys, kuinka hyvään hyötysuhteeseen sillä voidaan päästä. Suunnittelun kannalta hakkuriteholähde on teholähdetopologioista vaativin. Tässä työssä paneudutaankin tarkemmin boost-hakkuriteholähteen suunnitteluun. Pelkkä hakkurin komponenttien mitoitus ei takaa teholähteelle parasta mahdollista toimintaa, vaan myös piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Akkukäyttöisen laitteen teholähdepiirilevyn suunnittelu ei rajoitu yksinomaan teholähteiden suunnitteluun vaan levy sisältää usein myös muuta oheiselektroniikkaa, yleensä ainakin laitteen käynnistyselektroniikan sekä akun latausjärjestelmän. Etenkin akun latausjärjestelmän suunnittelu saattaa muodostua hyvinkin monimutkaiseksi tehtäväksi. Tässä työssä onkin tutkittu muutaman yleisimmän akkutyypin latausmenetelmiä. Työssä suunnitellaan myös käytännössä teholähdepiirilevy akkukäyttöiseen mittalaitteeseen. Levyn toimintaa tutkitaan erinäisin mittauksin, joilla pyritään selvittämään levyn heikkoudet. Näiden heikkouksien pohjalta levystä suunnitellaan paranneltu versio. Tällekin levylle tehdään samat mittaukset kuin edelliselle versiolle, joista selviää parannusten onnistuminen.