Sähkönsiirtoyritysten kunnossapidon taloudellinen malli

Sähkönsiirtoyritysten kunnossapidon taloudellinen malli eli SKUTMA, on sähköverkkoyhtiöille suunniteltu luotettavuuspohjainen kunnossapitomalli, mikä priorisoi ja ajoittaa sähkönjakeluverkon komponenttien huolto- ja investointiajankohdat. Malli hyödyntää dynaamisen optimoinnin algoritmia kustannusminimien löytämiseksi tarkastelujaksolta ja simuloi komponenttien rappeutumasta rappeutumismallin avulla. Tässä diplomityössä on kehitetty kunnossapito-ohjelma SKUTMA-mallin pohjalta, minkä avulla tutkitaan mallin toimivuutta oikeilla johtolähdöillä ja sen hyödyntämistä sähköverkkojen kunnossapidon suunnittelussa. Työssä käydään läpi myös kunnossapitoohjelman laskenta metodiikkaa ja sen ominaisuuksia. Tämän työn lopputuloksena saadaan selkeä kuva mallin toiminnasta, käytettävyydestä ja jatkokehityspotentiaalista.

Thylakoid Protein Phosphorylation in Regulation of Photosynthesis

Once the seed has germinated, the plant is forced to face all the environmental changes in its habitat. In order to survive, plants have evolved a number of different acclimation systems. The primary reaction behind plant growth and development is photosynthesis. Photosynthesis captures solar energy and converts it into chemical form. Photosynthesis in turn functions under the control of environmental cues, but is also affected by the growth, development, and metabolic state of a plant. The availability of solar energy fluctuates continuously, requiring non-stop adjustment of photosynthetic efficiency in order to maintain the balance between photosynthesis and the requirements and restrictions of plant metabolism. Tight regulation is required, not only to provide sufficient energy supply but also to prevent the damage caused by excess energy. The very first reaction of photosynthesis is splitting of water into the form of oxygen, hydrogen, and electrons. This most fundamental reaction of life is run by photosystem II (PSII), and the energy required for the reaction is collected by the light harvesting complex II (LHCII). Several proteins of the PSII-LHCII complex are reversibly phosphorylated according to the energy balance between photosynthesis and metabolism. Thylakoid protein phosphorylation has been under extensive investigation for over 30 years, yet the physiological role of phosphorylation remains elusive. Recently, the kinases behind the phosphorylation of PSII-LHCII proteins (STN7 and STN8) were identified and the knockout mutants of these kinases became available, providing powerful tools to elucidate the physiological role of PSII-LHCII phosphorylation. In my work I have used the stn7 and stn8 mutants in order to clarify the role of PSII-LHCII phosphorylation in regulation and protection of the photosynthetic machinery according to environmental cues. I show that STN7- dependent PSII-LHCII protein phosphorylation is required to balance the excitation energy distribution between PSII and PSI especially under low light intensities when the excitation energy transfer from LHC to PSII and PSI is efficient. This mechanism differs from traditional light quality-induced “state 1” – “state 2” transition and ensures fluent electron transfer from PSII to PSI under low light, yet having highest physiological relevance under fluctuating light intensity. STN8-dependent phosphorylation of PSII proteins, in turn, is required for fluent turn-over of photodamaged PSII complexes and has the highest importance upon prolonged exposure of the photosynthetic apparatus to excess light.

Gasification of Black Liquor as a Way to Increase Power Production at Kraft Pulp Mills

The study is focused on the opportunity to improve the power performance from black liquor at Kraft pulp mills. The first part of the paper includes an overview of a traditional recovery system, its development and indication of the integral drawbacks which provoke the search for more efficient methods of black liquor treatment. The second part is devoted to the investigation of black liquor gasification as a technology able to increase electric energy generation at pulp mills. In addition, a description of two most promising gasification processes and their comparison to each other are presented. The paper is based on a literature review and interviews of specialists in this field. The findings showed that while the modern recovery system meets demands of the pulp mills, pressurized oxygen-blown black liquor gasification has good potential to be used as an alternative technology, increasing the power output from black liquor.

CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTES NATURAIS: UM EXPERIMENTO INTRODUTÓRIO SOBRE ENERGIA RENOVÁVEL PARA ALUNOS DE GRADUAÇÃO

An interesting practical experiment about the preparation of dye–sensitized solar cells (DSSC) using natural dyes were carried out by the undergraduate students in the chemistry course at UNICAMP . Natural dyes were extracted from blueberries (Vaccinium myrtillus L.), jabuticabas (Myrciaria cauliflora), raw and cooked beets (Beta vulgaris L.), and annattos (Bixa orellana L.), which were used to sensitize TiO2 films that composed the photoanode in the DSSC. A polymer electrolyte containing an iodide/triiodide redox couple was used in lieu of the use of liquid solutions to prevent any leakage in the devices. A maximum solar-to-electric energy conversion of 0.26 ± 0.02% was obtained for the solar cell prepared with annatto extracts. This experiment was an effective way to illustrate to the undergraduate students how to apply some of the chemical concepts that they learned during their chemistry course to produce electric energy from a clean and renewable energy source. Teachers could also exploit the basics of the electronic transitions in inorganic and organic compounds (e.g., metal-to-ligand charge transfer and ϖ-ϖ* transitions), thermodynamics (e.g., Gibbs free energy), acid–base reactions in the oxide solid surface and electrolyte, and band theory (i.e., the importance of the Fermi level energy).

1000 V jakelujännitteen käyttömahdollisuudet Kymenlaakson Sähköverkko Oy:ssä

Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n 20/0,4 kV tekniikalla toteutettu sähkönjakeluverkko on monin paikoin saavuttamassa pitoaikansa loppua. Sähkönjakeluverkko sijaitsee pääasiassa haja-asutusalueilla ja on pääosin avojohtotekniikalla rakennettua. Haja-asutusalueilla 20 kV sähköverkko sisältää paljon lyhyitä 1–5 km pituisia johtohaaroja. Tässä diplomityössä selvitettiin 20/1/0,4 kV sähkönjakelujärjestelmän käyttömahdollisuuksia Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa. Työssä vertailtiin erilaisilla verkostoratkaisuilla saatavia elinkaarikustannuksia perusparannus- ja uudisrakennuskohteissa. Tutkimuksen perusteella Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa on potentiaalia 1000 V jakelujännitteen käytölle. Työssä perehdyttiin myös 1000 V verkostokomponenttien merkitsemiseen ja verkkoyhtiön tekemiin 1000 V verkon tarkastuksiin.

Lämmöntalteenoton tuotteistus, kannattavuus ja riskit vaneriteollisuudessa

Viilunkuivaus vaneriteollisuudessa on energiaintensiivinen prosessi, josta syntyvä hukkalämpö kannattaa ottaa talteen ja hyödyntää. Työ käsittelee erilaisten lämmöntalteenottovariaatioiden tuotteistusta ja kannattavuutta, sekä sisältää laitteiston riskianalyysin. Aiemman asiakaskohtaisen räätälöinnin sijaan, laitteiston modulaarinen tuoterakenne on otettava tuotteistuksen lähtökohdaksi. Modulaarisen tuoterakenteen ansiosta erilaisiin asiakastarpeisiin pystytään vastaamaan aiempaa tehokkaammin, kiitos erilaisten variaatioiden. Standardien ja yhtenäisten rajapintojen myötä muun muassa suunnittelua, projektinhoito ja myyntiä saadaan tehostettua. Lämmöntalteenottoratkaisuille luodaan kolme eri varustelutasoa: perus, korkea ja luksus. Näillä eri varianteilla pystytään vastamaan entistä kattavammin eri markkina-alueiden asiakastarpeisiin. Kannattavuuslaskelmat todistavat, että lämmöntalteenoton avulla saadaan merkittäviä energiasäästöjä ja eri laitteistovariaatiot maksavat itsensä erittäin nopeasti takaisin, vaikka esimerkiksi sähköenergian hinta nousisi radikaalisti. Lämmöntalteenoton voidaankin katsoa olevan aina erittäin kannattavaa. Laitteistosta on tunnistettu myös tekniset riskit, joihin on puututtava välittömästi sekä lukuisia toimenpide-ehdotuksia, joiden avulla laitteiston tuomintaa voidaan tehostaa ja muuttaa turvallisemmaksi. Riskianalyysi antaa myös suuntaviivoja tuotteistukselle sekä laitteiston huolto- ja käyttöohjeistolle.

Monitoring of centrifugal pump operation by a frequency converter

Centrifugal pumps are widely used in industrial and municipal applications, and they are an important end-use application of electric energy. However, in many cases centrifugal pumps operate with a significantly lower energy efficiency than they actually could, which typically has an increasing effect on the pump energy consumption and the resulting energy costs. Typical reasons for this are the incorrect dimensioning of the pumping system components and inefficiency of the applied pump control method. Besides the increase in energy costs, an inefficient operation may increase the risk of a pump failure and thereby the maintenance costs. In the worst case, a pump failure may lead to a process shutdown accruing additional costs. Nowadays, centrifugal pumps are often controlled by adjusting their rotational speed, which affects the resulting flow rate and output pressure of the pumped fluid. Typically, the speed control is realised with a frequency converter that allows the control of the rotational speed of an induction motor. Since a frequency converter can estimate the motor rotational speed and shaft torque without external measurement sensors on the motor shaft, it also allows the development and use of sensorless methods for the estimation of the pump operation. Still today, the monitoring of pump operation is based on additional measurements and visual check-ups, which may not be applicable to determine the energy efficiency of the pump operation. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the use of a frequency converter as a monitoring and analysis device for a centrifugal pump. Firstly, the determination of energy-efficiency- and reliability-based limits for the recommendable operating region of a variable-speed-driven centrifugal pump is discussed with a case study for the laboratory pumping system. Then, three model-based estimation methods for the pump operating location are studied, and their accuracy is determined by laboratory tests. In addition, a novel method to detect the occurrence of cavitation or flow recirculation in a centrifugal pump by a frequency converter is introduced. Its sensitivity compared with known cavitation detection methods is evaluated, and its applicability is verified by laboratory measurements for three different pumps and by using two different frequency converters. The main focus of this thesis is on the radial flow end-suction centrifugal pumps, but the studied methods can also be feasible with mixed and axial flow centrifugal pumps, if allowed by their characteristics.

Integrating professional education, research and extensionin irrigated agriculture technology centers

With the objective to stimulate the use of irrigation and the electric energy fee reduction during night time program granted by the 2004 Federal law, the Government of the state of Paraná, Brazil launched the Night Irrigation Program - NPI. Beyond this discount, the farmer that adheres to NPI will get additional benefits, as completion of the electric grid without cost, subsidized financing of equipment, technical assistance, support with environmental farm compliance, and the possibility of replacing the entire pump energy matrix. As part of the NPI strategy of action, installation of learning centers for irrigation technology was planned in agricultural schools, thus contributing both to improve technical professional training in agriculture, and for the dissemination of knowledge in irrigated agriculture, in order to increase agricultural productivity.

Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa

Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin. Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö. Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.

Regulation of photosynthetic electron transfer in plant chloroplasts

This thesis focuses on the molecular mechanisms regulating the photosynthetic electron transfer reactions upon changes in light intensity. To investigate these mechanisms, I used mutants of the model plant Arabidopsis thaliana impaired in various aspects of regulation of the photosynthetic light reactions. These included mutants of photosystem II (PSII) and light harvesting complex II (LHCII) phosphorylation (stn7 and stn8), mutants of energy-dependent non-photochemical quenching (NPQ) (npq1 and npq4) and of regulation of photosynthetic electron transfer (pgr5). All of these processes have been extensively investigated during the past decades, mainly on plants growing under steady-state conditions, and therefore many aspects of acclimation processes may have been neglected. In this study, plants were grown under fluctuating light, i.e. the alternation of low and high intensities of light, in order to maximally challenge the photosynthetic regulatory mechanisms. In pgr5 and stn7 mutants, the growth in fluctuating light condition mainly damaged PSI while PSII was rather unaffected. It is shown that the PGR5 protein regulates the linear electron transfer: it is essential for the induction of transthylakoid ΔpH that, in turn, activates energy-dependent NPQ and downregulates the activity of cytochrome b6f. This regulation was shown to be essential for the photoprotection of PSI under fluctuations in light intensity. The stn7 mutants were able to acclimate under constant growth light conditions by modulating the PSII/PSI ratio, while under fluctuating growth light they failed in implementing this acclimation strategy. LHCII phosphorylation ensures the balance of the excitation energy distribution between PSII and PSI by increasing the probability for excitons to be trapped by PSI. LHCII can be phosphorylated over all of the thylakoid membrane (grana cores as well as stroma lamellae) and when phosphorylated it constitutes a common antenna for PSII and PSI. Moreover, LHCII was shown to work as a functional bridge that allows the energy transfer between PSII units in grana cores and between PSII and PSI centers in grana margins. Consequently, PSI can function as a quencher of excitation energy. Eventually, the LHCII phosphorylation, NPQ and the photosynthetic control of linear electron transfer via cytochrome b6f work in concert to maintain the redox poise of the electron transfer chain. This is a prerequisite for successful plant growth upon changing natural light conditions, both in short- and long-term.

Tuotelaadunhallintamallin kehittäminen taajuusmuuttajien varaosaliiketoiminnassa

Tutkimuksen tarkoituksena on ollut arvioida ja kehittää tuotelaadunhallintamalli taajuusmuuttajien elinkaaripalveluja tarjoavassa ABB Oy, Drives, Drives Service liiketoimintayksikössä. ABB:n valmistamat taajuusmuuttajat säätävät asiakkaiden prosesseja ympäri maailman useissa erityyppisissä sovelluksissa. Vanhimmat varaosatuen piirissä olevat asennukset ovat 1980-luvulta. Aluksi työssä tarkastellaan niitä elementtejä, joista laatu muodostuu eli kokemusperäisiä elementtejä sekä kvantitatiivisia attribuutteja. Yhteistä molemmille on, että niitä voidaan aktiivisesti monitoroida ja hallita. Laadun hallitsemiseksi verkostoituneessa toimintaympäristössä tarvitaan ymmärrystä liiketoimintaverkostoista ja erilaisien komponenttitoimittajien ja jakeluverkostojen markkinakentästä. Laatua ja liiketoimintaverkostoja käsittelevien osuuksien jälkeen pureudutaan kunnossapitoon ja sen lainalaisuuksiin. Lopuksi muodostetaan varaosaliiketoimintaa tukeva tuotelaadunhallintamalli, joka pyrkii peilaamaan erilaisien viitekehysten avulla tarkoituksen mukaista toimintamallia varaosatoimitusten tuotelaadun vaalimiseksi.

Verkostoinvestointien optimointi uuden sähkömarkkinalain ympäristössä

Vuonna 2013 uudistunut sähkömarkkinalaki toi sähköverkkoyhtiöille velvoitteen parantaa sähkönjakeluverkkojensa toimintavarmuutta suurhäiriötilanteissa. Toimenpiteet tämän velvoitteen täyttämiseksi näkyvät merkittävinä verkostoinvestointeina. Diplomityössä tarkastellaan uudistuneen sähkömarkkinalain tuomia vaikutuksia Imatran Seudun Sähkön jakeluverkkoa koskeviin verkostoinvestointeihin. Päätavoitteena on selvittää, millaisia toimenpiteitä uuden sähköntoimitusvarmuustason vaatimusten täyttämiseksi tarvitaan ja mitkä ovat optimaaliset ratkaisut näiden toimenpiteiden toteuttamiseksi. Uudella sähköntoimitusvarmuustasolla on vaikutusta jakeluverkon rakennemuutoksiin tulevien 15 vuoden aikana, mutta näiden rakennemuutosten vaikutukset kantavat useiden kymmenien vuosien päähän.

Sähköverkon säävarmuuden kehittäminen verkkoliiketoiminnan valvontamallin näkökulmasta

Sähkömarkkinalain uudistuminen syksyllä 2013 aiheutti sähköverkkoyhtiöille velvoitteen parantaa sähköverkkoja siten, että ne täyttävät uuden lain mukaiset keskeytysaikavaatimukset. Laissa asemakaava-alueilla sallitaan enintään 6 tunnin mittainen sähkönjakelunkeskeytys ja haja-asutusalueella 36 tunnin keskeytys. Diplomityössä kehitetään ElMil Oy:lle palvelumalli, jonka avulla pyritään parantamaan sähköverkkojen säävarmuutta ja arvioimaan parannuksien aiheuttamia taloudellisia vaikutuksia verkkoyhtiön kannattavuuteen verkkoliiketoiminnan valvontamallin kautta. Työn teoriaosiossa käydään läpi uuden sähkömarkkinalain muutoksia toimitusvarmuuden kannalta sekä avataan verkkoliiketoiminnan valvontamallin komponentteja ja sitä kuinka niitä on hyödynnetty tässä työssä. Kyseisiä tietoja hyödynnetään case-tarkastelussa, jossa testataan kehitetyn palvelumallin toimivuutta Järvi-Suomen Energia Oy:n sähkönjakeluverkon kahden sähköaseman jakeluverkkojen kokoisella alueella. Tarkastelualueen sähkönjakeluverkolle tehdään suurhäiriömalli, jonka perusteella arvioidaan vaadittavaa säävarman verkon osuutta, jotta sähkömarkkinalain vaatimukset täyttyvät. Alueen investointikohteet optimoidaan kannattavuuden perusteella, jolloin saadaan kustannustehokas investointiohjelma tiettyjen reunaehtojen puitteissa. Lisäksi suurhäiriömallin parametreja varioidaan herkkyystarkasteluissa. Työn lopputuloksena saadaan ElMil Oy:lle kehitettyä palvelumalli. Case-tarkasteluissa havaitaan, että investointikustannukset nousevat merkittävästi. Verkkoliiketoiminnan valvontamallin kannustinvaikutuksista ja sallitusta tuotosta saadaan hyvä näkemys. Herkkyystarkasteluista nähdään, että suurhäiriömalli on hyvin riippuvainen valituista parametreista, jolloin niiden valintaan tulee kiinnittää huomiota

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

Kotkan kaupungin ja lähialueen sähkönjakeluverkon kehittämissuunnitelma

Kotkan jakelualueella käytetään historiallisista syistä keskijänniteverkossa kahta jänniteta-soa, 10 kV ja 20 kV. Eri jännitetasojen lisäksi Kotkan jakelualueen 110/20 päämuuntajien kytkentäryhmänä on käytössä YNyn0, kun taas muualla verkossa käytetään YNd11 kyt-kentäryhmää. Jännitetasoista ja kytkentäryhmistä johtuen Kotkan jakeluverkon yhteenkyt-kettävyys ympäröivän verkon kanssa on haastavaa. Työn tavoitteena on selvittää Kotkan kaupungin keskijänniteverkon nykytila ja käytettä-vyys häiriötilanteissa pahimpana mahdollisena aikana, sekä löytää mahdolliset ongelma-kohdat. Verkon nykytila tarkasteltiin verkkotietojärjestelmän avulla käyttäen laskennallisia tuloksia, jotka skaalattiin vastaamaan kovemman pakkastalven kuormitusta. Skaalaus teh-tiin useamman vuoden takaiseen tilanteeseen, jolloin yleinen taloustilanne oli parempi ja verkon kuormitus suurempi, jolloin verkko ei tule alimitoitetuksi taloustilanteen parantuessa. Tulevaisuuden varalta muodostettiin alueen tulevaisuuden kuormitusennusteet käyttämällä historiatietoja sekä tulevaisuuden näkymiä apuna. Työn keskeisimmäksi sisällöksi muodostui selvittää tarve usean käyttöjännitteen säilyttä-miselle sekä erilaisten kytkentäryhmien ylläpitämiseen ja kosketusjänniteongelman ratkai-seminen. Alueen sähköverkon kehittämiseksi tehtiin useita eri vaihtoehtoja, joita vertailtiin elinkaarikustannusperiaatteella toisiinsa. Vertailun pohjalta saatiin investointistrategia ehdo-tukset, joiden pohjalta verkkoyhtiö voi tehdä tulevaisuuteen sijoittuvia ratkaisuja.