Sähköauto osana älykästä sähköverkkoa – Ohjaus ja toiminnallisuudet

Tulevaisuudessa sähköverkko kohtaa monia haasteita, kun sähköautot yleistyvät, vaatien suuren tehotarpeen. Uusiutuvan energiantuotannon epävarma huipputehon tuotanto ei välttämättä pysty kattamaan sähköautoista johtuvaa suurta tehopiikkiä, jos suuret määrät ajoneuvoista kytketään yhtä aikaa lataukseen. Jos sähköajoneuvot voidaan ladata ohjatusti, ei välttämättä tarvita lisäenergian tuotantoa kattamaan kasvanutta huipputehon tarvetta. Lisäksi sähköajoneuvojen akut toimivat koko sähköverkolle energiavarastoina, jollaista ei ole ennen ollut. Älykkäällä sähköverkolla voidaan ohjata sähköajoneuvon latausta, mikäli ajoneuvossa on ohjausjärjestelmä ja akkujen varaustilan mittaus. Tässä kandidaatin työssä ohjelmoidaan mittaus- ja ohjauskortti plug-in hybridiautoa varten, jossa on V2G-ominaisuus. Ohjainkortista toteutetaan toimintakuvaus, jonka mukaan se myös ohjelmoidaan. Ohjainkortti mittaa akkujen jännitettä ja virtaa, joista voidaan määrittää akkujen varaustilat. Ohjainkortti lähettää tiedot eteenpäin PC:lle, jolta ohjainkortti saa käskyn toimintatilasta. Mittaustietojen perusteella voidaan seurata mahdollisia vikatilanteita. Kandidaatintyön aikana ohjainkorttia ei ehditty asentamaan ajoneuvoon, mutta laboratoriotestien mukaan voidaan todeta, että ohjainkortti on ohjelmallisesti toimiva. Mittauksissa selvisi, että ohjainkortin mittaustulot eivät olleet tarpeeksi tarkkoja käyttökohteeseen. Todettiin, että ohjainkortti vaatii rakenteellisia muutoksia mittaustuloksien parantamista varten, ennen ohjainkortin käyttöönottoa, mutta kandidaatintyön tavoitteet saavutettiin.

Dieselsähköisen laivan pyörimisnopeussäädettyjen voimansiirtokonseptien mallinnus ja vertailu

Tässä työssä tutkitaan eri voimansiirtokonseptien vaikutusta referenssitapauksen polttomoottorivoimalaitoksen energiatehokkuuteen ja polttoaineenkulutukseen staattisessa tilan-teessa. Referenssitapaukseksi on valittu ulkomerellä toimiva huoltoalus. Työssä esitellään dieselsähköisen laivan voimansiirtokonseptien toteutusvaihtoehtoja ja luodaan katsaus valittuihin generaattoreihin sekä taajuusmuuttajiin. Voimansiirtokonseptien hankintahintaa arvioidaan saatujen hintatietojen ja aikaisempien tutkimusten avulla. Lisäksi konseptien energian- ja polttoaineenkulutusta arvioidaan vuositasolla staattisessa tilanteessa. Perinteiselle kiinteän pyörimisnopeuden toteutukselle löydettiin haastajia sekä konseptien kuluttaman energian, että polttoaineen kannalta tarkasteltuna. Lisäksi työssä muodostetaan referenssialusta vastaava yksinkertainen simulointimalli, jolla voidaan arvioida voimalaitoksen tehohäviöitä sekä polttoaineenkulutusta eri ajotavoilla. Simulointimallilla tutkitaan myös energiavaraston tuomia etuja lisäämällä energiavarasto malliin. Mallia simuloitiin paikoitusajossa ilman energiavarastoa, sekä sen kanssa. Energiavaraston avulla saavutettiin merkittävät polttoainesäästöt.

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.

Characterisation of Functional Brown Adipose Tissue In Adult Humans

The white adipose tissue mainly serves the purpose of energy storage, while brown adipose tissue (BAT) has the capacity to generate heat under cold conditions in mammals and in human infants. BAT is controlled by the central nervous system, and BAT function is accompanied by increased energy expenditure. However, it was not previously certain whether adult humans also have functional BAT. The aim of this doctoral work was to identify functional BAT in adult humans and to characterise its glucose uptake and blood flow under cold and insulin stimulation conditions in lean and in obese humans, by using positron emission tomography. Further, the impact of weight loss on BAT glucose uptake was assessed. Cerebral glucose uptake was also studied in relation to BAT function and cold exposure. The results showed that healthy adult humans have functional BAT, as assessed by the intense cold-induced glucose uptake and by biopsies. BAT was also found to be a highly insulinsensitive tissue in lean humans, but the effects of insulin and cold exposure were attenuated in obese humans, although the glucose uptake capacity of cold-activated BAT might be increased by weight loss. Blood flow in the BAT of lean humans was associated with whole-body energy expenditure. The presence of cold-activated BAT was related to lower body mass index and higher insulin sensitivity. Finally, BAT activation was linked to the activity of the cerebellum, the thalamus and certain neocortical regions. The cold-induced cerebral glucose uptake was also lower in obese than in lean adult humans.

Study of Control Methods of a High-Frequency Cycloconverter for Domestic Induction Heating Appliances

A high-frequency cyclonverter acts as a direct ac-to-ac power converter circuit that does not require a diode bidge rectifier. Bridgeless topology makes it possible to remove forward voltage drop losses that are present in a diode bridge. In addition, the on-state losses can be reduced to 1.5 times the on-state resistance of switches in half-bridge operation of the cycloconverter. A high-frequency cycloconverter is reviewed and the charging effect of the dc-capacitors in ``back-to-back'' or synchronous mode operation operation is analyzed. In addition, a control method is introduced for regulating dc-voltage of the ac-side capacitors in synchronous operation mode. The controller regulates the dc-capacitors and prevents switches from reaching overvoltage level. This can be accomplished by variating phase-shift between the upper and the lower gate signals. By adding phase-shift between the gate signal pairs, the charge stored in the energy storage capacitors can be discharged through the resonant load and substantially, the output resonant current amplitude can be improved. The above goals are analyzed and illustrated with simulation. Theory is supported with practical measurements where the proposed control method is implemented in an FPGA device and tested with a high-frequency cycloconverter using super-junction power MOSFETs as switching devices.

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.

Superkondensaattorien suoritusarvot

Superkondensaattorit paikkaavat perinteisten kondensaattorien ja akkujen väliin jäävää teho- sekä energiasuorituskyvyn kuilua sähköenergian varastoinnissa. Tässä kandidaatin-työssä selvitetään superkondensaattorien toimintaperiaate, sähköiset ominaisuudet sekä saatavilla olevien kaupallisten tuotteiden suorituskyky.

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.

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.

Sähkön varastointi

Kiinnostus sähkön varastointia kohtaan on kasvussa. Nykypäivänä ja etenkin tulevaisuudessa sähkövarastoilla voidaan parantaa energiantuotannon resurssitehokkuutta ja tukea aurinko- ja tuulisähkön käytön lisäämistä. Sähkövarastoja on pieniä ja suuria. On olemassa mekaanisia, sähkökemiallisia, kemiallisia ja sähköisiä varastoteknologioita. Varastoitua energiaa voidaan käyttää eri tehtävissä. Tehtävät vaihtelevat varastoidun energian määrässä ja siinä, millä teholla energia voidaan purkaa varastosta. Suurilla sähkövarastoilla taataan sähköntoimitus ja pienillä parannetaan sähkön laatua jakeluverkossa. Sähkövarastoja ei ole vielä laajasti otettu käyttöön, koska ne ovat kalliita. Sähkövaraston investointikustannukset ovat tällä hetkellä vähintään yhtä suuret kuin samankokoisen perinteisen voimalaitoksen. Sähkövarastojen tutkimus ja kehitys pienentää investointikustannuksia ja nopeuttaa varastojen laajempaa käyttöönottoa.

Economics of Power-to-Gas integration to wastewater treatment plant

Solar and wind power produce electricity irregularly. This irregular power production is problematic and therefore production can exceed the need. Thus sufficient energy storage solutions are needed. Currently there are some storages, such as flywheel, but they are quite short-term. Power-to-Gas (P2G) offers a solution to store energy as a synthetic natural gas. It also improves nation’s energy self-sufficiency. Power-to-Gas can be integrated to an industrial or a municipal facility to reduce production costs. In this master’s thesis the integration of Power-to-Gas technologies to wastewater treatment as a part of the VTT’s Neo-Carbon Energy project is studied. Power-to-Gas produces synthetic methane (SNG) from water and carbon dioxide with electricity. This SNG can be considered as stored energy. Basic wastewater treatment technologies and the production of biogas in the treatment plant are studied. The utilisation of biogas and SNG in heat and power production and in transportation is also studied. The integration of the P2G to wastewater treatment plant (WWTP) is examined mainly from economic view. First the mass flows of flowing materials are calculated and after that the economic impact based on the mass flows. The economic efficiency is evaluated with Net Present Value method. In this thesis it is also studied the overall profitability of the integration and the key economic factors.

Akkuvarastot omakotitaloissa

Energian varastointi on noussut keskeiseksi energia-alan teemaksi viime vuosina. Erityi-sesti uusiutuvan tuotannon lisääntyminen ja energian käytön tehostaminen ovat edesautta-neet energiavarastoratkaisuiden mukaantuloa. Työssä tarkastellaan litiumrautafosfaattiak-kujen käytön kannattavuutta omakotitaloissa. Tavoitteena on selvittää, millä reunaehdoilla näiden akkujen käyttö energiavarastoina tulee kannattavaksi Lappeenrannan olosuhteissa. Kannattavuutta selvitetään litiumrautafosfaattiakkujen markkina-analyysin ja teknistalou-dellisen analyysin sekä Matlab-simulaation avulla.

Natural born weight gainers: The mechanisms of obesity in transgenic mice overexpressing neuropeptide Y

Neuropeptide Y (NPY) is a neurotransmitter promoting energy storage by activating Y-receptors and thus affecting food intake, thermogenesis and adipose tissue metabolism. NPY is expressed both in the central and sympathetic nervous system. Hypothalamic NPY is known to stimulate feeding, but the effects of noradrenergic neuron NPY are more ambiguous. Chronic stress stimulates fat accumulation via NPY release from noradrenergic neurons. Furthermore, polymorphism in the human Npy gene has been associated with metabolic disturbances and increased NPY secretion after sympathetic stimulation. The main objective of this study was to clarify the mechanisms of noradrenergic neuron NPY in the development of obesity. The metabolic phenotype of a homozygous mouse overexpressing NPY in the brain noradrenergic neurons and sympathetic nervous system (OE-NPYDβH mouse) was characterized. OE-NPYDβH mice had an increased fat mass and body weight, which caused impairments of glucose metabolism and hyperinsulinaemia with age. There were no differences in energy intake or expenditure, but the sympathetic tone was down-regulated and the endocannabinoid system activated. Furthermore, peripheral Y2-receptors in energy-rich conditions played an important role in mediating the fat-accumulating effect of NPY. These results indicate that noradrenergic neuron NPY promotes obesity via direct effects in the periphery and by modulating the sympatho-adrenal and endocannabinoid systems. Additionally, NPY in the central noradrenergic neurons is believed to possess many important roles. The phenotype of the OE-NPYDβH mouse resembles the situations of chronic stress and Npy gene polymorphism and thus these mice may be exploited in testing novel drug candidates for the treatment of obesity.

Electrical Safety of Island Operated Low Voltage DC Network

Today, renewable energy technologies and modern power electronics have made it feasible to implement low voltage direct current (LVDC) microgrids (MGs) ca-pable to island operation. Such LVDC networks are particularly useful in remote areas. However, there are still pending issues in island operated LVDC MGs like electrical safety and controlled operation, which should be addressed before wide-scale implementation. This thesis is focused on the overall protection of an island operated LVDC network concept, including protection against electrical shocks, mains equipment protection and protection of photovoltaic (PV) power sources and battery energy storage systems (BESSs). The topic is approached through ex-amination of the safety hazards and the appropriate methods to protect against them, comprising considerations for earthing system selection and realisation of the protection system.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.