DC Boost Stage in Photovoltaic Systems

The performance of Grid connected Photovoltaic System working with DCBoost stage is investigated. The DC-Boost Converter topology is deduced from three phase half controlled bridge and controlled by Sliding Mode Control. Due to the fact that Grid connected Photovoltaic System includes Solar cells as a DC source and inverter for grid connection, those are under the scope of this research as well. The advantages of using MPPT are analyzed. The system is simulated in Matlab-Simulink™ environment.

RF disturbances produced by high-power photovoltaic solar plants

In this thesis, analysis of electromagnetic compatibility of high-power photovoltaic solar plant is made. Current standards suitable for photovoltaic applications are given. Measurements of antenna factor for experimental setup are shown. Also, measurements of common mode disturbance voltages in high-power solar plant are given. Importance of DC-side filter is shown. In the last part of the work, electromagnetic simulations are made. These simulations show influence of several factors to EMC of power plant. Based on these simulations and measurements recommendations are given.

Minimizing Circulating Current in Parallel-Connected Photovoltaic Inverters

Parallel-connected photovoltaic inverters are required in large solar plants where it is not economically or technically reasonable to use a single inverter. Currently, parallel inverters require individual isolating transformers to cut the path for the circulating current. In this doctoral dissertation, the problem is approached by attempting to minimize the generated circulating current. The circulating current is a function of the generated common-mode voltages of the parallel inverters and can be minimized by synchronizing the inverters. The synchronization has previously been achieved by a communication link. However, in photovoltaic systems the inverters may be located far apart from each other. Thus, a control free of communication is desired. It is shown in this doctoral dissertation that the circulating current can also be obtained by a common-mode voltage measurement. A control method based on a short-time switching frequency transition is developed and tested with an actual photovoltaic environment of two parallel inverters connected to two 5 kW solar arrays. Controls based on the measurement of the circulating current and the common-mode voltage are generated and tested. A communication-free method of controlling the circulating current between parallelconnected inverters is developed and verified.

Characterization and Investigation on Material Compatibilities of Building Integrated Photovoltaic Module Components

Building Integrated Photovoltaics (BIPV) are considered as the future of photovoltaic (PV) technology. The advantage of BIPV system is its multi-functionality; they fulfil the functions of a building envelope with the added benefit of generating power by replacing the traditional roofing and façade materials with PV that generate power. In this thesis, different types of PV cells and modules have been described in detail with their efficiencies and usage trends in the last decade. The different BIPV products for roof and façade are discussed in detail giving several examples. The electricity generation potential of BIPV in selected countries is compared with their actual electricity consumption. Further, the avoided greenhouse gas (GHG) emissions associated with electricity generation from traditional sources and transportation and distribution (T&D) losses are calculated. The results illustrate huge savings in GHGs. In BIPV different types of façade and backsheets are used. In this thesis, selected backsheets and façade were characterized in terms of their surface structure identification using infrared spectroscopy (FTIR-ATR), scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray (SEM-EDX) and physical characterization using surface energy measurements. By using FTIR-ATR, surface polymeric materials were identified and with SEM-EDX, identification of the surface elements was possible. Surface energy measurements were useful in finding the adhesives and knowing the surface energies of the various backsheets and façade. The strength of adhesion between the facade and backsheets was studied using peel test. Four different types of adhesives were used to study the fracture pattern and peel tests values to identify the most suitable adhesive. It was found out that pretreatment increased the adhesive strength significantly.

Lämpötilanmittaus magneettikuvausympäristössä optista tehon- ja tiedonsiirtoa käyttäen

Lääketieteellisen magneettikuvantamisen yhteydessä on tarpeen mitata mm. potilaan lämpötilaa. Kuvantamisessa käytettävät kentät asettavat suuret vaatimukset kuvauksen aikana käytettäville mittalaitteille. Magneettikuvausympäristöön soveltuva lämpötilanmittausjärjestelmä on mahdollista toteuttaa käyttämällä sekä lämpötilatiedon että sähkötehon siirtämiseen valokuitua, jolloin järjestelmä on täysin galvaanisesti erotettu. Valokuidusta tuleva optinen teho muunnetaan sähkötehoksi valosähkömuuntimella. Tämä diplomityö keskittyy magneettikuvauksessa käytettävän lämpötilanmittausjärjestelmän suunnitteluun. Haasteena oli optisesta tehonsiirrosta johtuva tarve minimoida tehonkulutus ja lämpötilamittauksen tarkkuusvaatimus. Järjestelmän prototyyppi voidaan rakentaa suunnittelun mukaisesti. Diplomityössä suunnittelutuloksia testattiin koekytkennän avulla ja näin varmistuttiin mittausperiaatteen toimivuudesta.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Hajautetun tuotannon verkkoonliittäminen - verkkokoodit ja käytännön toimet

Euroopan unionin asettamat uusiutuvan energian lisäämistavoitteet ovat kasvattaneet hajautetun tuotannon määrää Euroopassa. Eri hajautetun tuotannon verkkokoodit asettavat tuotantolaitoksille omat vaatimuksensa, mikä vaikeuttaa eri toimijoita, joten yhtenäiselle verkkokoodille on tarvetta. ENTSO-E onkin luomassa tällä hetkellä Euroopan unionille yhtenäisiä pilottiverkkokoodeja, joiden tarkoitus on myöhemmin kattaa kaikkia tuotantolaitoksia koko Euroopassa. Tämän vuoksi ENTSO-E:n verkkokoodien vaatimuksia on syytä tutkia. Tässä diplomityössä tarkastellaan hajautetun tuotannon nykyisiä ja ENTSO-E:n kehitteillä olevia verkkokoodeja. Työssä tutkitaan myös älykkäiden verkkojen ja verkkokoodien kehitystä. Verkkokoodien vertailuja suoritetaan pohjoismaisesta näkökulmasta, mutta vertailuun on otettu myös muita Euroopan maita. Tarkastelu painottuu siirto- ja jakeluverkkokoodien osalta tuulivoimalle asetettaviin vaatimuksiin. Mikrotuotannon verkkokoodien ja käytännön toimien tarkastelu keskittyy invertterin kautta verkkoonliitettäviin tuotantolaitoksiin, joissa aurinkotuotanto on merkittävin tuotantomuoto.

Mallipohjainen suunnittelu osana aurinkosähkövaihtosuuntaajan tuotekehitystä

Työssä selvitetään mallipohjaisen suunnittelun ja simulointimallista tuotetun ohjelmakoodin kelpoisuutta tuotekehityskäytössä. Työtapoja tutkitaan, koska halutaan selvittää parantavatko esitetyt toimintatavat aurinkosähkövaihtosuuntaajien ohjelmistokehitystä. Työssä käydään läpi mallipohjaisen suunnittelun työvaiheet, niiden sisältö ja tarkoitus. Aurinkosähköjärjestelmästä muodostetaan simulointimalli, josta tuotetaan maksimitehopisteseuraajan ohjelmakoodi, jonka toiminta testataan aurinkosähkövaihtosuuntaajan ohjausalustan simulaattorissa. Mallipohjainen suunnittelu mahdollistaa ohjelmistotuotekehityksen nopeuttamisen käyttämällä samaa järjestelmää useassa työvaiheessa. Ohjelmakoodin tuottaminen simulointimallista on mahdollista ja hyödyllistä, jos yrityksessä käytetään simulointitestausta säätö- ja ohjausjärjestelmän toiminnan suunnitteluun ja varmentamiseen.

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.

Modeling and Control of the Power Conversion Unit in a Solid Oxide Fuel Cell Environment

In this doctoral thesis, a power conversion unit for a 10 kWsolid oxide fuel cell is modeled, and a suitable control system is designed. The need for research was identified based on an observation that there was no information available about the characteristics of the solid oxide fuel cell from the perspective of power electronics and the control system, and suitable control methods had not previously been studied in the literature. In addition, because of the digital implementation of the control system, the inherent characteristics of the digital system had to be taken into account in the characteristics of the solid oxide fuel cell (SOFC). The characteristics of the solid oxide fuel cell as well the methods for the modeling and control of the DC/DC converter and the grid converter are studied by a literature survey. Based on the survey, the characteristics of the SOFC as an electrical power source are identified, and a solution to the interfacing of the SOFC in distributed generation is proposed. A mathematical model of the power conversion unit is provided, and the control design for the DC/DC converter and the grid converter is made based on the proposed interfacing solution. The limit cycling phenomenon is identified as a source of low-frequency current ripple, which is found to be insignificant when connected to a grid-tied converter. A method to mitigate a second harmonic originating from the grid interface is proposed, and practical considerations of the operation with the solid oxide fuel cell plant are presented. At the theoretical level, the thesis discusses and summarizes the methods to successfully derive a model for a DC/DC converter, a grid converter, and a power conversion unit. The results of this doctoral thesis can also be used in other applications, and the models and methods can be adopted to similar applications such as photovoltaic systems. When comparing the results with the objectives of the doctoral thesis, we may conclude that the objectives set for the work are met. In this doctoral thesis, theoretical and practical guidelines are presented for the successful control design to connect a SOFC-based distributed generation plant to the utility grid.

Uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet Liikuntakeskus Pajulahdessa

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Liikuntakeskus Pajulahden ja Nastolan Energiasäätiön yhteisprojektina. Työn tarkoituksena on tutkia aurinkosähköjärjestelmien taloudellista kannattavuutta ostosähkön korvaamisessa Liikuntakeskus Pajulahden kiinteistössä. Työssä tehdään laskelmat aurinkopaneelien tuotoista, tuotetun sähkön hinnasta, investointien takaisinmaksuajoista sekä tuotetun aurinkosähkön synnyttämistä hiilidioksidipäästövähenemistä. Lisäksi tarkastellaan energiaveron vaikutusta pientuotantolaitoksen kannattavuuteen. Tämän hetkisillä aurinkosähköjärjestelmien hinnoilla pystytään tuottamaan puhdasta, ympäristöystävällistä sähköä kilpailukykyiseen hintaan. Työssä tehdään yleiskatsaus myös muiden uusiutuviin energialähteisiin perustuvien tuotantomenetelmien käyttömahdollisuuksista. Yhtenä erityistarkastelunkohteena on Pajulahden monitoimihalliin vuonna 2008 suunniteltu vesistöä lämmönlähteenä käyttävä lämpöpumppujärjestelmä, jonka toteutukseen ei saatu tarvittavia lupia. Tarkastelussa tutkitaan myös aiemmin Suomessa toteutettuja vastaavia hankkeita ja niiden lupien saantia. Lisäksi on haettu tosiasioihin perustuvia argumentteja keskusteluun vesistölämmön hyödyntämisestä. Tarkastelun kohteena oleva vesistölämpöhanke voidaan todeta olevan erittäin kannattava, taloudellisesti sekä ympäristöllisesti. Tutkimuksen pohjalta Nastolan Energiasäätiölle tuotetaan havainnollinen ja selkeä aineisto aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksista Nastolan kunnassa.

Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointi aurinkosähköjärjestelmällä

Aurinkopaneeleiden hinta on laskenut reilusti viime vuosien aikana. Hinnan laskun seurauksena aurinkosähköjärjestelmiä on asennettu paljon yksityisiin rakennuksiin sekä Suomessa että muualla maailmassa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointia aurinkosähköjärjestelmällä. Kompensointia tutkitaan, koska näin saadaan taloudellisesti paras hyöty aurinkosähköjärjestelmästä. Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksella tarkoitetaan talon teknisten järjestelmien kuluttamaa sähköä. Järjestelmän sijoitusta tutkitaan katolle ja parvekekaiteisiin. Katolle sijoitettuna aurinkopaneelien tuotantoa tutkitaan siten, että paneelit ovat asennettu 45° ja 15° tasokulmaan. Aurinkosähköjärjestelmän investoinnin kannattavuutta tutkitaan taloyhtiön näkökulmasta.

Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems

An electric system based on renewable energy faces challenges concerning the storage and utilization of energy due to the intermittent and seasonal nature of renewable energy sources. Wind and solar photovoltaic power productions are variable and difficult to predict, and thus electricity storage will be needed in the case of basic power production. Hydrogen’s energetic potential lies in its ability and versatility to store chemical energy, to serve as an energy carrier and as feedstock for various industries. Hydrogen is also used e.g. in the production of biofuels. The amount of energy produced during hydrogen combustion is higher than any other fuel’s on a mass basis with a higher-heating-value of 39.4 kWh/kg. However, even though hydrogen is the most abundant element in the universe, on Earth most hydrogen exists in molecular forms such as water. Therefore, hydrogen must be produced and there are various methods to do so. Today, the majority hydrogen comes from fossil fuels, mainly from steam methane reforming, and only about 4 % of global hydrogen comes from water electrolysis. Combination of electrolytic production of hydrogen from water and supply of renewable energy is attracting more interest due to the sustainability and the increased flexibility of the resulting energy system. The preferred option for intermittent hydrogen storage is pressurization in tanks since at ambient conditions the volumetric energy density of hydrogen is low, and pressurized tanks are efficient and affordable when the cycling rate is high. Pressurized hydrogen enables energy storage in larger capacities compared to battery technologies and additionally the energy can be stored for longer periods of time, on a time scale of months. In this thesis, the thermodynamics and electrochemistry associated with water electrolysis are described. The main water electrolysis technologies are presented with state-of-the-art specifications. Finally, a Power-to-Hydrogen infrastructure design for Lappeenranta University of Technology is presented. Laboratory setup for water electrolysis is specified and factors affecting its commissioning in Finland are presented.

Aurinkosähkön mikrotuotanto Suomessa

Tässä kandidaatintyössä käydään läpi aurinkosähkön kehitystä ja kannattavuutta Suomessa. Aurinkosähkön kehityksen osalta keskitytään aurinkopaneelien tekniikan ja aurinkosähkön tuotannon kehittymistä viime vuosina. Pienten aurinkosähköjärjestelmien hinnat ovat laskeneet viime vuosina siten, että sähkön kuluttajien oman paikallisen tuotannon kannattavuus on noussut merkittävästi. Työssä käsitellään aluksi aurinkosähköä yleisellä tasolla, jonka jälkeen pääpaino siirtyy aurinkosähkön mikrotuotantoon Suomessa. Kannattavuutta tutkitaan työssä esisuunniteltavan laitoksen avulla. Esisuunnittelussa tutkitaan kohdekiinteistön pohjakuormaa erityisesti tuotantohuippujen aikana. Tällä varmistetaan, että esisuunniteltavan järjestelmän sähköntuotanto pystytään kuluttamaan itse. Näin saavutetaan suurin hyöty. Aurinkosähköjärjestelmällä tuotetusta sähköstä saadaan tällä hetkellä noin 2,5 kertaa suurempi hyöty, kun sähkö käytetään itse verrattuna siihen, että sähkö myytäisin energiayhtiöille. Aurinkosähköjärjestelmä kytketään kuitenkin valtakunnan verkkoon, jotta mahdollinen satunnaisesti syntyvä ylijäämätuotanto voidaan myydä sähköyhtiölle. Järjestelmän suunnittelun jälkeen käydään läpi järjestelmän hankinta ja asentaminen. Tämän jälkeen tutkitaan järjestelmän kannattavuutta määrittämällä kustannukset ja tuotannosta saatavat säästöt. Järjestelmälle lasketaan takaisinmaksuaika ja pohditaan riskejä. Yhteenvedossa käydään läpi aurinkosähkön mikrotuotannon mahdollisuuksia ja kannattavuutta Suomessa.

First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.