Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.

Teurasjätteiden jalostaminen liikennepolttoaineiksi

Työssä määritettiin luokan 2 eläinperäisistä sivutuotteista liikennekäyttöön tuotettujen biodieselin ja biometaanin elinkaaren aikaiset kasvihuonekaasupäästöt ja tuotantoprosessien energiankulutukset perustuen kirjallisuuslähteistä saatuihin lähtötietoihin. Tätä kautta tutkittiin yhdistelmäprosessia, jossa tuotetaan molempia polttoaineita ja selvitettiin onko tällaisella tuotantotavalla mahdollista vähentää päästöjä ja parantaa polttoaineiden tuotannon energiatehokkuutta. Kasvihuone-kaasupäästöjen laskentamenetelmä pohjautuu direktiivissä 2009/28/EY annettuun ohjeistukseen ja eri kasvihuonekaasupäästöjen karakterisointi IPCC:n sadan vuoden tarkastelumalliin. Käytännön laskenta suoritettiin standardien SFS-EN ISO 14040 ja 14044 määrittelemän elinkaariarviointiselvityksen muodossa. Työssä käytetyn laskentamenetelmän ja tarkasteluun valittujen tuotanto-teknologioiden perusteella lasketut tulokset osoittavat, että yhdistelmäprosessilla ei saavuteta suurempia päästövähenemiä eikä parempaa energiatehokkuutta kuin nykyisin käytössä olevilla tuotantotavoilla. Tulokset ovat kuitenkin hyvin herkkiä laskennassa tehtyjen oletusten ja käytettyjen lähtötietojen vaihtelulle sekä valittujen laskentamenetelmien muutoksille. Suurin päästöjä ja energiankulutusta aiheuttava yksittäinen tekijä on kaikissa tuotejärjestelmissä luokan 2 sivutuotteiden esikäsittelyssä vaadittavaan steri-lointiin tarvittavan lämmön tuotanto. Tutkituissa tuotejärjestelmissä lämpö tuotetaan kokonaan tai osittain fossiilisilla polttoaineilla. Kasvihuone-kaasupäästöjä olisi mahdollista alentaa merkittävästi siirtymällä lämmön tuotannossa kokonaan uusiutuviin polttoaineisiin. Sterilointi on lain edellyttämä käsittelytapa ja siksi energiankulutusta on vallitsevissa olosuhteissa hyvin vaikea pienentää merkittävästi.

Liiketoimintamalli teollisuuden ylijäämälämmön hyödyntämisestä kaukolämpöverkoissa

Tässä työssä tarkastellaan teollisuuden ylijäämälämmön hyödyntämistä kaukolämpöverkoissa liiketoimintamallin näkökulmasta. Työn tilaaja on YIT Teollisuus Oy, joka haluaa osaltaan olla mukana ratkaisemassa ilmastonmuutoksesta ja hiilidioksidipäästöjen vähentämistarpeista aiheutuvia yhteiskunnan kehitystarpeita. Energiatehokkuuden parantaminen on yksi nopeimmista keinoista vähentää päästöjä. Teollisuuden energiatehokkuutta voidaan parantaa ottamalla talteen sähköntuotannossa ja tuotantoprosesseissa syntyvää ylijäämälämpöä. Aikaisempien tutkimusten perusteella tiedetään, että Suomessa syntyy vuosittain noin 4–6 TWh ylijäämälämpöä, joka voitaisiin hyödyntää jo olemassa olevien kaukolämpöverkkojen välityksellä rakennusten lämmittämiseen. Kuitenkin vuonna 2008 teollisuus myi ylijäämälämpöä kaukolämpöverkkoihin yhteensä vain 770 GWh, mikä vastaa noin 2,5 prosenttia kokonaiskaukolämmön tarpeesta. Tämän työn tuloksena syntyi liiketoimintamalli, joka esittelee ne palvelut, jotka YIT tuottaa asiakkailleen tilanteissa, joissa teollisuudessa syntyvää ylijäämälämpöä hyödynnetään kaukolämpöverkoissa. Jotta liiketoimintamalli toimisi käytännössä, on siitä oltava hyötyä kaikille osapuolille. Asiakkaan on siis voitava kattaa palvelusta ja sen rahoituksesta syntyvät kustannukset myydyn ylijäämälämmön tuotolla (teollisuuslaitos) tai säästyneistä energian hankintakustannuksista (kaukolämpöyhtiö). Eniten ylijäämälämmön käytöstä voivat hyötyä kaukolämpöyhtiöt, joiden tuotannosta korkeintaan pieni osa tulee yhteistuotannosta ja joilla uusiutuvien energialähteiden osuus on vähäinen. Lisäksi kaukolämpöverkon koon vuotuisena kulutuksena mitattuna on oltava riittävän suuri ja kaukolämmön hinnan suhteellisen korkea. Myös alueen ennustettu väestönkasvu ja uudet suunnitteilla olevat asuinalueet saattavat parantaa ylijäämälämmön hyödyntämisen houkuttelevuutta. YIT:n näkökulmasta ylijäämälämmön talteenottoprojektit ovat hyvä lisä sen nykyiseen palvelutarjontaan. Myös yhteiskunnallisella tasolla aihe on merkittävä. Vaikka nykytietämyksen mukaan energian käytön tehostaminen ja päästöttömän tuotannon lisääminen ovat molemmat yhtä merkittäviä keinoja ilmastotavoitteiden saavuttamisen kannalta, panostetaan Suomessa tällä hetkellä lähinnä tuotannon tukemiseen. Lähivuosien poliittiset ratkaisut vaikuttavatkin vahvasti siihen, kuinka paljon tulevaisuudessa ylijäämälämpöä hyödynnetään rakennusten lämmittämisessä.

Technical and economic analysis of replacing artificial lighting system to induction of photoperiod effect in begonia's seedlings in greenhouse

The type of artificial light used for inducing photoperiod effect in begonia's seedlings at greenhouse has fundamental importance in the growth and development of these plants and directly reflects in the electrical energy consumption used in this production process. The objective of this research was to analyze the technical and economic feasibility of replacing the current technology of artificial lighting used by the producers (incandescent lamps), by the technology of discharge lamps with the purpose of inducing photoperiod in a greenhouse. The analysis results indicate that the discharge lamp of 32 W Tubular Fluorescent discharge lamp was the one that presented the lower peak demand and lower average energy consumption of 85.01% compared to incandescent filament lamp of 100 W that is the technology of bigger consumption and currently used by the producer.

Technical evaluation of artificial ligthing systems for broiler houses

The spatial distribution of illuminance and the electric consumption of artificial lighting system is one of the main problems related to broiler production. Therefore, the aim of this study was to evaluate the spatial distribution of luminance level and energy efficiency of different lighting systems for broiler houses. Six types of lamps were tested in two different configurations to find the minimum illuminance of 20 and 5 lux. The tested lamps were incandescent (IL) 100 W, compact fluorescent (CFL) 34 W, mixed (ML) 160 W, sodium vapor (SVL) 70 W, T8 fluorescent tube (T8 FTL) 40 W and T5 fluorescent tube (T5 FTL) 28 W. The first four were evaluated with and without reflective light fixture and the latter two without light fixture. It was observed that the tested system with light fixtures negatively affected the spatial distribution of illuminance inside the house. The systems composed by IL and ML without light fixture led to better results in meeting the minimum illuminance of 20 lux and 5 lux, respectively. T5 FTL presented the lowest energy demand.

Energetic analysis of landrace varieties and hybrids of corn produced in different technological levels of management

The aim of this study was to analyze, under the energetic point of view, the cultivation of corn in three management systems (low, medium and high-tech), using two landrace varieties ('Argentino' and 'BR da Várzea'), a double hybrid cultivar (SHS 4080) and a simple hybrid (IAC 8333). Five performance indicators were used: energy efficiency, liquid cultural energy, cultural efficiency, energy balance and productive energy efficiency. From the perspective of family farming, it was verified the largest social importance of the systems under low and medium levels of technology, due to the increase employment capacity of rural labor. The liquid cultural energy and energy balance were more favorable for the system under high technological level, unlike cultural efficiency and productive energy efficiency, which were significantly higher for medium and low technological levels. The variety 'Argentino' showed lower productive energy efficiency. The variety 'BR da Várzea', on the other hand, presented the potential to generate energy as much as the hybrids. In general, the biggest sustainability in the corn crop was achieved when the management system under medium and lower levels of technology were used.

Energetic sustainability of three arabica coffee growing systems used by family farming units in Espírito Santo state

Three growing systems of Arabica coffee were evaluated under the energy perspective, in the state of Espírito Santo in Brazil. The systems are conventional cultivation (CC), cultivation with good agricultural practices (CGP) and organic farming (OF). It was made a comparison of the energy flows within these three systems to show sustainable levels of each one based on production average data of several family-farming units. Therefore, we analyzed crop yield, total energy efficiency reverse (TEER), energy efficiency of ripe coffee (EERC) and non-renewable energy efficiency (NREE). OF system had values for TEER, EERC and NREE of 3.3 4.7 and 7.9 respectively. Yet CC showed values of 1.8, 1.9 and 1.6 for TEER, EERC and NREE respectively. Furthermore, CGP presented values for TEER, EERC and NREE of 0.7, 1.3 and 1.4 respectively. The highest yield was observed in CGP, reaching an amount of 1794 kg ha-1(17,455 MJ); however, this system expends more energy than it converts. Thus, over those points, OF is the most sustainable system.

Technical-economic analysis of different lighting systems for broiler poultry

ABSTRACT Broiler poultry is highly dependent on artificial lightening. Power consumption costs of artificial lighting systems is the second largest expense related to broiler industry, second only to feed expenses. Therefore, the current study focused to analyze technical and economic feasibility of replacing incandescent lamps already used in aviaries with other lamp types. Costs related to power consumption, implementation and maintenance of the lighting systems were evaluated with the aid of financial mathematics using net present value, return over investment and payback. Systems composed of six lamp types were analyzed in two different configurations to meet the minimum illuminance of 5 and 20 lux and for use in conventional sheds and dark house. The lamps tested were incandescent (LI) of 100 W, compact fluorescent (CFL) of 34 W, mixed (ML) 160 W sodium vapor (SVL) of 70 W, tubular fluorescent T8 (TFL T8) of 40 W and tubular fluorescent T5 (TFL T5) of 28 W. For the systems tested, it was found that the tubular fluorescent lamps T8 and T5 showed the best results of technical and economic feasibility.

Operointialueen huomioiminen risteilylaivan sähkötaseessa

Kiristyvät päästörajoitukset ja muuttuvat säädökset ovat muokanneet laivanrakennusalaa energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään suuntaan. Energiatehokkuutta tutkitaan yksittäisistä laiteratkaisuista laivan operointitasolle asti. Tämä työ on tehty osana STX Finland Oy:n laivojen energiatehokkuuden tutkimusta. Työn tarkoituksena oli uudistaa laivojen sähkötaseen laskennassa käytettyjä kuormitustaulukoita ja kehittää operointialueen vaikutuksia huomioiva laskentamenetelmä. Uudistuksen taustalla oli tieto operointialueiden ympäristöolosuhteiden vaikutuksista sähkönkulutukseen ja työn tarkoituksena oli mahdollistaa suunnittelun myöhäisemmässä vaiheessa tehtävä operointialuekohtainen sähkönkulutustarkastelu. Sähkötaseen laskenta haluttiin vastaamaan enemmän todellista sähkönkulutusta. Aikaisemmin käytetystä mitoitusperusteisesta laskennasta haluttiin siirtyä todellisempien kuormien arviointiin laitteiden ja muuntajien turhan ylimitoituksen poistamiseksi. Kuormitustaulukoiden toimintaa yksinkertaistettiin ja taulukoista tehtiin helpommin mukautuvia, jotta erilaisten operointitilanteiden vertailu olisi mahdollista. Perinteisen taselaskennan rinnalle kehitettiin operointialueiden vaikutuksia huomioivat laskentataulukot. Uudet taulukot huomioivat komponenttien sähkönkulutuksen prosentuaalisen muutoksen operointialueittain sekä yksilöllisesti että kulutusryhmittäin. Laskentataulukoiden yhteyteen tehtiin kuvaajat havainnollistamaan alueittaisia kulutuseroja.

Energiansäästölamppujen vaikutukset pienjännitteisen sähkönjakeluverkon kuormitukseen ja häviöihin

Euroopan Unioni kieltää matalan hyötysuhteen lamppujen käyttämisen sekä sisä- että ulkovalaisimissa. Näin ollen matalan hyötysuhteen lamput, kuten perinteiset hehkulamput tulee vaihtaa paremman hyötysuhteen lamppuihin, kuten energiansäästölamppuihin. Energiansäästölampuissa 230 V, 50 Hz verkkosähkö muunnetaan valonlähteelle sopivaksi tehoelektroniikan avulla. 50 Hz perustaajuisen virran lisäksi energiansäästölamput ottavat verkosta harmonisia yliaaltoja. Harmoniset yliaallot aiheuttavat lisähäviöitä verkostokomponenteissa, kuten muuntajissa ja johdoissa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan millaisia vaikutuksia hehkulamppujen vaihtaminen energiansäästölamppuihin aiheuttaa pienjännitteisessä jakeluverkossa. Työssä tarkastellaan lyhyesti myös energiansäästölamppujen energiatehokkuutta, sekä sitä, millaisia rajoitteita standardit asettavat harmonisille yliaalloille.

Prosessihöyryn tuotannon kustannusoptimointi

Tässä työssä on tutkittu prosessihöyryn tuotantokustannusten optimointia Neste Oil Oy:n Naantalin jalostamolla. Työssä on keskitytty ennen kaikkea prosessi-höyryn tuotantoon öljynjalostamolla. Tavoitteena oli luoda yksinkertainen työkalu, jonka avulla voidaan vertailla höyryntuotantokustannuksia jalostamon tuotan-toyksiköissä. Samalla oli tarkoituksena kartoittaa höyryn tuotantomahdollisuudet yksiköissä. Työn tuloksena tehty Excel-pohjainen laskentataulukko on esitelty tässä työssä. Ohjelman tarkkuutta on mahdollista parantaa prosessikoeajojen avul-la. Jo nykyisellä laskentatarkkuudella ohjelma täyttää kuitenkin asetetut tavoitteet eli antaa mahdollisuuden vertailla helposti ja havainnollisesti tuotantokustannuksia yksiköiden välillä. Oman höyryntuotannon lisäksi Naantalin jalostamo ostaa höyryä viereiseltä Fortumin Naantalin voimalaitokselta. Ostohöyryn hinta on las-kettu työkalussa mukaan vertailuun. Työn perusteella ostohöyry on Naantalin ja-lostamon tapauksessa selkeästi omatuotantoa edullisempi vaihtoehto. Ero kustan-nuksissa syntyy käytettävästä polttoaineesta, joka jalostamon tapauksessa on ja-lostamo- eli polttokaasu. Nykyisen tasoisella raakaöljyn hinnalla tilanne säilynee tällaisena tulevaisuudessakin. Jalostamolta löytyi myös kohteita, joissa energiatehokkuutta on mahdollista kehit-tää nykyisen höyryverkon ulkopuolella. Esimerkkeinä tällaisista kohteista tässä työssä on tarkasteltu toisen jätelämpökattilan rakentamista nykyisen toiminnassa olevan rinnalle, sekä höyryturbiinien asentamista paineenalennuslinjoihin. Näistä hankkeista jätelämpökattila osoittautui erittäin suositeltavaksi investoinniksi.

Sähköajoneuvon sähkökäytön ja mekaniikan reaaliaikaisen yhdistelmäsimulaation toteuttaminen virtuaaliympäristössä

Esitetyn tutkimuksen tavoite on selvittää yksinkertaisen sähköajoneuvosimulaation avulla sähkökäyttösimulaation ja mekaniikkasimulaation välisen ohjelmallisen rajapinnan toimivuutta ja samalla toteuttaa LUT Energian hybridilaboratorion ensimmäinen rajapintaa hyödyntävä sähkökäytön ja mekaniikan yhdistelmäsimulaatio. Tutkimus on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston hybridikäyttötutkimusta, jossa muun muassa virtuaalisimuloinnin ja in-loop –simulaatioiden avulla tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisoinnin vaikutuksia esimerkiksi niiden suorituskykyyn, energiatehokkuuteen ja käytettävyyteen. Tulokset osoittavat mainitun rajapinnan toimivuuden, mikä mahdollistaa tutkimuksen etenemisen. Lisäksi raportti selvittää virtuaalisimuloinnin keskeisiä käsitteitä (virtual prototyping, hardware-in-the-loop sekä human-in-the-loop –simulointi).

Energiatehokkuuden parantaminen Lappeenrannan seudun opiskelija-asuntosäätiön rakennuksissa

Jatkuvasti nouseva energian hinta ja kiristyneet energiatehokkuusmääräykset asettavat opiskelijoille vuokra-asuntoja tuottaville palveluntarjoajille uusia haasteita. Opiskelijoiden tulotaso ei seuraa energian nopeaa hinnannousua ja jotta pystytään säilyttämään opiskelija-asuntojen hinta riittävän alhaisena, on kiinnitettävä enemmän huomiota energiankulutukseen. Tämä diplomityö antaa vahvan alkusysäyksen Lappeenrannan seudun opiskelija-asuntosäätiön (LOAS) energiate-hokkuustyölle ja tavoitteena on tehdä tehokkaasta energiankäytöstä jatkuvaa joka-päiväistä toimintaa. Energiatehokkuustyöhön ryhdyttiin tutustumalla valittujen vertailuyhteisöjen energiatehokkuustoimintaan ja energiatehokkuuteen Suomen rakennuskannassa. Tilastollisesta tarkastelusta siirryttiin tutkimaan LOAS:n kiinteistökannan nykytilaa asuinrakennuksille suunnitellun energiakatselmusmallin avulla. Tehtyjen ha-vaintojen pohjalta toteutettiin erilaisten energiansäästötoimenpiteiden vaikutta-vuuskokeiluja yksittäisissä asuntokohteissa. Saatujen tulosten pohjalta määriteltiin toimenpiteet energiatehokkuustoiminnan jatkamiselle ja parhaiden toimenpiteiden laajentamisesta koskemaan koko LOAS:n rakennuskantaa. Työssä luotiin suositukset myös LOAS:n tuleville laajemmille asuntokohteiden perusparannuksille, joilla energiatehokkuuden tasoa saadaan taloudellisesti kannattavalla tavalla merkittävästi parannettua. Työn kuluessa saatiin aikaiseksi energiatehokkuuden parantamisen kannalta merkittäviä tuloksia. Tehtyjen toimenpiteiden kokonaisvaltaisen käyttöönoton jälkeen LOAS:n energiatehokkuus on valtakunnallista huipputasoa opiskelija-asumista tarjoavien yhteisöjen vuosittaisessa vertailussa.

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Spectral Radiative Properties of Combustion Gases in Oxy/Air-Fired Combustion Systems

Energy efficiency is one of the major objectives which should be achieved in order to implement the limited energy resources of the world in a sustainable way. Since radiative heat transfer is the dominant heat transfer mechanism in most of fossil fuel combustion systems, more accurate insight and models may cause improvement in the energy efficiency of the new designed combustion systems. The radiative properties of combustion gases are highly wavelength dependent. Better models for calculating the radiative properties of combustion gases are highly required in the modeling of large scale industrial combustion systems. With detailed knowledge of spectral radiative properties of gases, the modeling of combustion processes in the different applications can be more accurate. In order to propose a new method for effective non gray modeling of radiative heat transfer in combustion systems, different models for the spectral properties of gases including SNBM, EWBM, and WSGGM have been studied in this research. Using this detailed analysis of different approaches, the thesis presents new methods for gray and non gray radiative heat transfer modeling in homogeneous and inhomogeneous H2O–CO2 mixtures at atmospheric pressure. The proposed method is able to support the modeling of a wide range of combustion systems including the oxy-fired combustion scenario. The new methods are based on implementing some pre-obtained correlations for the total emissivity and band absorption coefficient of H2O–CO2 mixtures in different temperatures, gas compositions, and optical path lengths. They can be easily used within any commercial CFD software for radiative heat transfer modeling resulting in more accurate, simple, and fast calculations. The new methods were successfully used in CFD modeling by applying them to industrial scale backpass channel under oxy-fired conditions. The developed approaches are more accurate compared with other methods; moreover, they can provide complete explanation and detailed analysis of the radiation heat transfer in different systems under different combustion conditions. The methods were verified by applying them to some benchmarks, and they showed a good level of accuracy and computational speed compared to other methods. Furthermore, the implementation of the suggested banded approach in CFD software is very easy and straightforward.