Distribution of water in sandy soil applied by drip

The search for the use of water with high levels of efficiency has motivated the use of drip irrigation in several agricultural systems. However, for the efficiency be ensured, it is necessary that the water distribution in the soil profile must to be known in more details. As it is a highly variable process, function of the local characteristics, is essential the study of each case. The objective of this research was evaluating the water distribution in the soil profile, from drippers installed in surface and 0.15 m below the soil surface. The experiment was realized in the Technical Center of Irrigation (TCI) of the State University of Maringá - PR. The water monitoring in the soil profile was done with TDR probes installed in a box containing sandy soil, at the depths from 0.05 to 0.80 m; and 0.05 to 0.35 m of lateral spacing, at intervals of 0.05 m, totalizing 30 probes. The treatments were differentiated in relation of the installation depth of the emitters (0.0 and 0.15 m) and flow (1, 2, 4, 6, and 8 L h-1). The irrigation time was 8 hours continuous with reading of the TDR probes each 30 minutes. The results allowed concluding that the wet area with the emitter positioned on the soil surface was directly proportional to the flow increase. For the underground dripper, this area was substantially smaller and the water losses by percolation were higher, mainly to the flows higher than 4 L h-1, which provided to unacceptable water losses that should be avoided.

Techno-Economic Feasibility of Novel On-Line Condition Monitoring Methods in Low Voltage Distribution Networks

The focus in this thesis is to study both technical and economical possibilities of novel on-line condition monitoring techniques in underground low voltage distribution cable networks. This thesis consists of literature study about fault progression mechanisms in modern low voltage cables, laboratory measurements to determine the base and restrictions of novel on-line condition monitoring methods, and economic evaluation, based on fault statistics and information gathered from Finnish distribution system operators. This thesis is closely related to master’s thesis “Channel Estimation and On-line Diagnosis of LV Distribution Cabling”, which focuses more on the actual condition monitoring methods and signal theory behind them.

Keskijänniteverkon maakaapeloinnin kannattavuus

Tämän työn tavoitteena oli löytää tekijöitä jotka vaikuttavat keskijänniteverkon maakaapeloinnin kannattavuuteen. 1950–1970 luvuilla verkkoa rakennettiin halvimmalla mahdollisella tavalla, eikä sähkönjakelun luotettavuuteen kiinnitetty huomiota. Tämä tuo verkkoyhtiöille haasteen vanhoja verkkoja saneerattaessa, sillä keskeytyskustannusten arvostus on noussut merkittävään asemaan. Työssä tarkoituksena oli vertailla avojohdon sekä maakaapeloinnin elinkaarikustannuksia kahden erilaisen johtolähdön avulla. Toisella johtolähdöllä oli suuri julkinen kuorma ja toinen johtolähtö oli pitkä maaseutulähtö jolla esiintyi paljon vikoja. Työssä tarkastellaan myös sähkönjakeluverkon käyttövarmuutta ja maakaapeloinnin ominaisuuksia. Elinkaarikustannuksiin vaikuttavia tekijöitä olivat investointikustannukset, keskeytyskustannukset sekä ylläpitokustannukset. Tuloksista voidaan huomata, että keskeytyskustannuksilla voi olla joissain tapauksissa hyvinkin suuri vaikutus johtolähdön elinkaareen. Pitkillä ja pienitehoisilla johtolähdöillä keskeytyskustannusten merkitys pienenee, eikä kaapeloinnilla saavuteta yhtä suurta hyötyä kuin suuritehoisemmilla lähdöillä.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

Buckling analysis of PVC sheets with RIB

This study has a technical and applied character. A PVC structured wall pipe can be produced by spirally winding a ribbed sheet having a male-female lock, chemically welded by an adhesive. These pipes are "flexible" and are used mainly in underground installations, to convey fluids in free duct regime. Initial studies have indicated that the buckling resistance of the ribs from the sheet coiling to the tube manufacturing is the critical design parameter. This study presents the theoretical analytical development in order to obtain the critical buckling moment of these sheets. This analysis uses concepts initially developed to calculate buckling resistance in monosymmetrical profiles that are very used in the metallic structure industry. Since the material used was PVC, that has different mechanical properties than steel and aluminum, it was necessary to consider the differences in the analytical treatment. It is important to emphasize that the results obtained are product of the co-operative work of engineers from industry and university.

Impact of reliability of supply on long-term development approaches to electricity distribution networks

The Finnish electricity distribution sector, rural areas in particular, is facing major challenges because of the economic regulation, tightening supply security requirements and the ageing network asset. Therefore, the target in the distribution network planning and asset management is to develop and renovate the networks to meet these challenges in compliance with the regulations in an economically feasible way. Concerning supply security, the new Finnish Electricity Market Act limits the maximum duration of electricity supply interruptions to six hours in urban areas and 36 hours in rural areas. This has a significant impact on distribution network planning, especially in rural areas where the distribution networks typically require extensive modifications and renovations to meet the supply security requirements. This doctoral thesis introduces a methodology to analyse electricity distribution system development. The methodology is based on and combines elements of reliability analysis, asset management and economic regulation. The analysis results can be applied, for instance, to evaluate the development of distribution reliability and to consider actions to meet the tightening regulatory requirements. Thus, the methodology produces information for strategic decision-making so that DSOs can respond to challenges arising in the electricity distribution sector. The key contributions of the thesis are a network renovation concept for rural areas, an analysis to assess supply security, and an evaluation of the effects of economic regulation on the strategic network planning. In addition, the thesis demonstrates how the reliability aspect affects the placement of automation devices and how the reserve power can be arranged in a rural area network.

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

Inulin production by Vernonia herbacea as influenced by mineral fertilization and time of harvest

The underground organs of Vernonia herbacea (Vell.) Rusby, known as rhizophores, acumulate 80% of their dry mass as fructans of the inulin type. In view of the growing industrial use of fructans as dietetic and general food products, and of their medical application, the present investigation aimed at evaluating the effect of mineral fertilization and period of cultivation on the production of these carbohydrates in field trials. Plants used in the experiments were obtained by vegetative propagation from rhizophores collected from plants growing in natural areas of the cerrado, and cultivated for two years. Fertilization consisted of N:P2O5:K2O (80:200:150 kg.ha-1) plus 80 kg.ha-1 nitrogen as dressing. Soil fertilization did not stimulate biomass or inulin production, but in the second year of cultivation a dramatic gain in biomass and inulin was detected in both treated and control plants. Inulin production varied from 113 to 674 kg.ha-1 which corresponds to 43% of the rhizophore dry mass. The composition of fructans was not altered by fertilization, although treated plants had a higher proportion of sucrose and fructans with degree of polymerization 3-8 in the second year of cultivation. The results identify this species as a fructan source similar to other commercial crops and recommend further agronomic studies, aimed at increasing the production of this polysaccharide.

The developmental anatomy of the subterranean system in Mandevilla illustris (Vell.) Woodson and M. velutina (Mart. ex Stadelm.) Woodson (Apocynaceae)

Two species of Mandevilla from the savanna area of São Paulo State, Brazil were studied. These species have been prescribed as folk medicine as infusions or alcoholic extracts of the underground system for treatment of venomous snake bites. To explain the morphological nature of such a system, its ontogeny was described to determine which parts are involved in its formation. In both Mandevilla species examined, the underground system consists of a xylopodium whose basal region joins a tuberous root.

Vegetative organ anatomy of Ianthopappus corymbosus Roque & Hind (Asteraceae-Mutisieae)

A study on the vegetative organ anatomy of Ianthopappus corymbosus was conducted in order to provide a basis for comparison with the genus Richterago, since this species had been previously included in that genus. The anatomical characters of I. corymbosus that support its exclusion from the genus Richteragon are: epithelial cell organization of adventitious root secretory canals, non-glandular trichomes, and presence of cortical vascular bundles in the stem. In Ianthopappus corymbosus, the underground system consists of rhizophore from which adventitious roots branch off. The subapical meristem of the adventitious root revealed that the ground meristem forms the inner layer which in a meristematic phase, forms 2/3 of the cortex. This layer will differentiate in the endodermis, with Casparian strips, and is referred to as meristematic endodermis. Endodermic secretory canals, limited by four epithelial cells, appear in the region adjacent to the primary phloem.

Tree population and community dynamics in a Brazilian tropical semideciduous forest

The dynamics of the tree community and 30 tree populations were examined in an area of tropical semideciduous forest located on the margin of the Rio Grande, SE Brazil, based on surveys done in 1990 and 1997 in three 0.18 ha plots. The main purpose was to assess whether variations in dynamics were related to topography and the effects of a catastrophic flood in 1992. Rates of mortality and recruitment of trees and gain and loss of basal area in two topographic sites, lower (flooded) and upper (non-flooded), were obtained. Projected trajectories of mean and accelerated growth in diameter were obtained for each species. In both topographic sites, mortality rates surpassed recruitment rates, gain rates of basal area surpassed loss rates, and size distributions changed, with declining proportions of smaller trees. These overall changes were possibly related to increased underground water supply after the 1992 flood as well as to a c. 250-year-old process of primary succession on abandoned gold mines. Possible effects of the 1992 flood showed up in the higher proportions of dead trees in the flooded sites and faster growth rates in the flood-free sites. Species of different regeneration guilds showed particular trends with respect to their demographic changes and diameter growth patterns. Nevertheless, patterns of population dynamics differed between topographic sites for only two species.

Fructan production in Vernonia herbacea (Vell.) Rusby is related to adequate nitrogen supply and period of cultivation

Previous studies showed that plants of Vernonia herbacea grown for one year under a limited nitrogen supply presented reduced growth and higher fructan content than plants treated with sufficient nitrogen supply. However, the total fructan production was similar in both plant groups due to the higher biomass of the underground reserve organ in nitrogen-sufficient (N-sufficient) plants. In the present study we aimed to evaluate if a stress growing condition under nitrogen-limited (N-limited) supply, following cultivation under N-sufficient supply would have a positive effect on fructan production. Plants cultivated during one year under N-sufficient supply (10.7 mmol L-1 N-NO3-) were separated in two groups. During the following six months, one group continued to receive the same treatment (control) while the other received an N-limited supply (1.3 mmol L-1 N-NO3-). Growth, photosynthesis and soluble carbohydrates were measured at days 0, 30, 60, 90 and 180. At day 30, plants transferred to N-limited supply showed a significant increase in growth and a decrease in fructan concentration, as a response to the stressing condition. However, in the following period growth was reduced and fructan concentration was increased, confirming the inverse relationship between nitrogen concentration and fructan content. After 180 days, although the fructan concentration in N-limited was significantly higher, with a fructan production of 6.0 g plant¹, the higher gain in rhizophore biomass after 18 months of cultivation in N-sufficient solution led to a fructan production of 8.3 g plant¹, thus surpassing the higher fructan concentration of N-limited plants.

Loistehon säätö ja kompensointi

Kantaverkkoyhtiö Fingrid Oy on tarkastellut kantaverkosta otettua tai tuotettua loistehoa alueittain Fingridin määrittelemällä maantieteellisellä tavalla. Alue koostuu liittymispisteistä, jotka ovat yksittäisten verkkoyhtiöiden liittymispisteitä. Yhden alueen sisällä voi siis olla monia eri verkkoyhtiöiden liittymispisteitä. Vuodesta 2016 alkaen loistehon tarkastelu vaihtuu aluetarkastelusta liittymispistetarkasteluun. Liittymispistetarkasteluun siirtymisen myötä tulee verkkoyhtiöiden investoida erinäisiin kompensointiratkaisuihin, jotta yksittäisten liittymispisteiden loistehot pysyvät Fingridin asettaman loistehon tarkasteluikkunan sisällä. Työssä perehdytään erinäisiin kompensointiratkaisuihin ja niiden kytkentöihin sekä kytkentöjen vaikutuksiin olemassa olevaan sähköverkkoon. Lisäksi työssä käsitellään tuulivoimaloiden hyödyntämistä loistehon säädössä. Esimerkkitapauksessa tarkastellaan erästä Caruna Oy:n verkkoa ja pohditaan teknistä ja mahdollisimman taloudellista kompensointiratkaisua kyseiseen verkkoon. Työn lopputulos on, että maakaapeloinnin määrän kasvaessa loistehon kompensoinnin tarve kasvaa. Näin ollen Fingrid Oy:ltä tarvitaan selkeitä linjauksia moneen ongelmakohtaan, kuten tuotanto-kulutuspisteen loistehon tarkasteluun. Lisäksi Energiavirastolta tarvitaan kannusteita loistehon kompensointiin, sillä verkkoyhtiöiden liiketoiminta perustuu regulaatiomalliin ja kompensointilaitteiston yksikköhinnasto on hyvin suppea.

Säteilysuojelu käytetyn ydinpolttoaineen kapselointi- ja loppusijoituslaitoksella

Suomen ydinenergialaki vaatii ydinenergian käytössä syntyvän ydinjätteen käsittelyn ja varastoinnin sekä loppusijoittamisen Suomeen. Fortumin ja TVO:n ydinvoimalaitoksissa syntyvä käytetty ydinpolttoaine tullaan kapseloimaan ja loppusijoittamaan Olkiluotoon rakennettavassa kapselointi- ja loppusijoituslaitoksessa. Tämän työn tavoitteena on muodostaa kokonaiskuva kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen säteilysuojelusta aikaisemmin tehtyjen selvitysten ja suunnitelmien perusteella. Kapselointilaitoksella käytetty ydinpolttoaine suljetaan kuparikapseleihin, jotka loppusijoitetaan maan alle loppusijoituslaitoksella. Työn aluksi kuvataan loppusijoitusmenetelmä ja kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen käyttötoiminta. Tämän jälkeen käsitellään lainsäädäntöä ja viranomaisohjeita, jotka ohjaavat ydinlaitosten säteilysuojelua. Seuraavaksi käsitellään kapselointi- ja loppusijoituslaitoksella olevia säteilylähteitä. Lisäksi työssä käsitellään kapselointi- ja loppusijoituslaitokselle suunniteltua valvonta-aluetta ja sen säteilyolosuhteiden mukaista vyöhykejakoa. Työssä saatiin tulokseksi kokonaiskuva kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen säteilysuojelusta. Kokonaiskuvan muodostamisen lisäksi laadittiin alustavia suunnitelmia käyttötoiminnan säteilysuojelun järjestämisestä. Lisäksi laadittiin ehdotuksia valvonta-alueen tarkemmista rajoista loppusijoituslaitoksella sekä havaittiin laitosten säteilysuojeluun liittyviä ongelmia ja esitettiin ratkaisuja niihin. Ongelmaksi osoittautui muun muassa, että kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen valvonta-alueiden luonteiden eroa ei ollut huomioitu suunnitelmissa. Lisäksi todettiin, että nykyisin ydinlaitoksilla käytössä oleva valvonta-alueen vyöhykejako ei vastaa kapselointi- ja loppusijoituslaitosten tarpeita. Näihin esitettiin ratkaisuiksi laitosten välille perustettavaa kenkärajaa ja uuden korkeamman säteilyvyöhykkeen käyttöönottoa.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.