Abstrakti
Meriteollisuudessa on meneillään merkittävä siirtymä hiilipohjaisista polttoaineista ympäristölle vähemmän haitallisiin polttoaineisiin. Siirtymää ohjaavat ensisijaisesti kansainväliset määräykset, jotka vaativat merkittäviä rajoituksia ympäristölle haitallisten päästöjen enimmäismäärälle. Vetyä ja polttokennoja pidetään usein yhtenä tehokkaana keinona meriteollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Niiden käyttöönotto merialuksilla on kuitenkin vielä erittäin alkuvaiheessa ja yksiä tärkeimpiä syitä hitaalle käyttöönotolle on sekä korkeat investointi- että käyttökustannukset.
Tässä opinnäytetyössä kehitetään uutta sähköistä integrointi- ja toimintakonseptia tasasähköön perustuviin polttokennokäyttöisiin laivojen voimajärjestelmiin. Konsepti on suunniteltu merkittävästi vähentämään voimansiirron kokonaisenergiahäviöitä ja siten alentamaan polttoaineen kulutusta, mikä edelleen johtaa aluksen käyttökustannusten alenemiseen. Käyttökustannusten aleneminen on erittäin edullista polttokennojen omaksumisen nopeuttamiseksi merialusten päävoimanlähteiksi, mikä puolestaan parantaisi myös merenkulun ympäristövaikutuksia.
Opinnäytetyössä tutkittu konsepti on nimeltään Variable DC Approach, ja se perustuu operointiin muuttuvalla tasavirtajakelujännitteellä. Yksinkertaisuudessaan konsepti jättää pois yhden tehon muunnosvaiheen, joka on tyypillisesti olemassa polttokennojen ja yhteisen tasajännitekiskoston välillä. Tehonmuunnosvaiheen poisjättäminen eliminoi kaikki korkeataajuiseen kytkentään liittyvät energiahäviöt mainitussa tehonmuuntovaiheessa. Tässä opinnäytetyössä kehitetään ja esitellään kehittyneitä tehon ja jännitteen ohjausjärjestelmiä, joita tarvitaan Variable DC Approach -konseptin tehokkaaseen hyödyntämiseen.
Variable DC Approach - konseptin toteutettavuus validoidaan käyttämällä reaaliaikaista hardware-in-loop testeausjärjestelymää, joka on suunniteltu erityisesti merialusten tehojärjestelmän testaukseen. Suoritettujen testien perusteella konsepti toimii hyvin sekä normaaleissa että vikoja sisältävissä käyttöolosuhteissa. Lisäksi testit osoittavat konseptin mahdollistavan jopa 28% paremman kokonaisvoimansiirron energiatehokkuuden verrattuna toimintaan tavanomaisella kiinteällä tasajännitteellä. Lisäksi konseptin toinen myönteinen etu on korkeataajuisen polttokennovirran aaltoilun eliminointi, mikä voi pitkällä aikavälillä johtaa polttokennojen tehokkaampaan toimintaan.
Julkaisun otsikon käännös | Vaihtuva tasavirtamenetelmä polttokennokäyttöisten merialusten voimansiirron energiatehokkuuden parantamiseksi |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-64-1004-3 |
Sähköinen ISBN | 978-952-64-1005-0 |
Tila | Julkaistu - 2022 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- hybridi
- hyötysuhde
- häviöt
- merenkulku
- polttokennot
- sähköjärjestelmän ohjaus
- vaihtuva dc jännite
- voimansiirto