Älykkäät liitäntälaitteet ovat osa uusiutuvia energialähteitä

11.11.2016

Euroopan Unioni on asettanut tavoitteekseen tuottaa 27 prosenttia kaikesta energiasta uusiutuvilla energialähteillä vuoteen 2030 mennessä. Uusiutuviin energialähteisiin liittyy haasteita, joista yksi on niiden kytkeminen sähköverkkoon. Akatemiatutkija Tomi Roinila Tampereen teknillisestä yliopistosta tutkii menetelmiä, joilla uusiutuvien energialähteiden hyötysuhdetta ja toimintaa voitaisiin parantaa.

Koska tuuli ei puhalla tasaisesti eikä auringon säteilyvoimakkuus pysy vakiona, uusiutuvat energialähteet tarvitsevat tuekseen tehoelektroniikkaan perustuvia liitäntälaitteita, jotka muokkaavat ja säätävät lähteen tuottaman energian sähköverkkoon sopivaksi. Sähköverkon jatkuva ja kasvava kuormitus aiheuttaa kuitenkin sen, että sähköverkon ominaisuudet muuttuvat jatkuvasti. Tämä aiheuttaa ongelmia liitäntälaitteiden toiminnalle.   

”Tutkimillani uusilla menetelmillä on mahdollista kehittää uusiutuville energialähteille älykkäitä liitäntälaitteita, joiden avulla lähteiden toiminta sähköverkon kanssa optimoituu. Liitäntälaite lukee ja oppii jatkuvasti, miten sähköverkko käyttäytyy ja muuttuu, jolloin uusiutuvan energialähteen tuottama energia saadaan käyttöön häiriöttä”, sanoo Roinila.

Akatemiatutkijana Roinilan tavoitteena on saada kehitetyt liitäntälaitteiden mittaus- ja säätömenetelmät varsinaiseen käyttöön. ”Sähköverkon ominaisuudet muuttuvat jatkuvasti, kun sähköverkkoon liitetään uusi laite. Tämä aiheuttaa lopulta sen, että alkujaan tunnetun sähköverkon ominaisuuksille suunniteltu liitäntälaite ei enää toimi toivotunlaisesti uudessa ympäristössä”, kertoo Roinila. Tieteellisesti ongelmaa kuvataan liitäntälaitteiden ja sähköverkon impedanssien yhteensopimattomuutena, joka aiheuttaa harmonista resonanssia. Sähköverkon kannalta on olennaista, että energia kulkee tarkoin määriteltynä aaltomuotona. ”Yhteensopimattomuuden seurauksena on hyötysuhteen lasku, sähköverkon epävakaa toiminta ja jopa sähköverkon kaatuminen”.

Mittaamalla sähköverkon impedanssi, liitäntälaitteet voidaan suunnitella siten, että yhteensopimattomuutta ei synny ja energialähteet voidaan liittää optimoidusti verkkoon. ”Sähköverkon jatkuva-aikainen mittaaminen sekä mittaustuloksiin perustuva liitäntälaitteen itseoppiva säätö ovat ratkaisuja ongelmaan. Liitäntälaitteelle annetaan jatkuva-aikaisena tieto sähköverkon ominaisuuksista ja liitäntälaite säätää itse itsensä eli mukautuu verkon sen hetkisiin ominaisuuksiin”, kertoo Roinila.

Tehokkaat mittaukset kehittävät teknologiaa

Uusiutuviin energialähteisiin liittyvää teknologiaa Roinila päätyi tutkimaan puolivahingossa. Valmistuttuaan diplomi-insinööriksi vuonna 2006 Roinila oli vielä omien sanojensa mukaan ”puhdas systeemiteoreetikko”. Keskusteltuaan professoriensa kanssa mahdollisista jatko-tutkimuksen aiheista, Roinila alkoi tutkia tehoelektronisia piirejä. Väitöskirjansa jälkeen Roinila pääsi Suomen Akatemian tutkijatohtoriksi, jonka jälkeen Roinila pääsi välittömästi akatemiatutkijaksi vuonna 2014. Työstään nauttiva Roinila pitää tietoja päätöksistä elämän onnellisimpien aamujen joukkoon kuuluvina.

”Kehittyminen ja eteneminen akateemisessa maailmassa ilman yhtään katkosta on tuntunut kertakaikkisen mahtavalta. Tämä on antanut mahdollisuuden jatkaa ja panostaa entistä enemmän tutkimusaiheeseen ilman ylimääräisiä häiriöitä tai stressin lähteitä”, kertoo Roinila.

Liitäntälaitteisiin liittyvät ongelmat ovat hyvin tunnettuja ja tiedostettuja maailmalla. Roinilan mukaan käytettyjen menetelmien potentiaalia ei ole kuitenkaan käytetty kovinkaan laajasti.
”Tiivis yhteistyö ja toimiva verkosto eri alojen asiantuntijoiden kanssa on ollut menetelmien kehittämisen kannalta ensiarvoisen tärkeää”.

Roinilan tutkimissa menetelmissä käytetään tarkoin suunniteltuja herätesignaaleja sekä erityisiä signaalinkäsittelyn tekniikoita, joilla mitatusta datasta saadaan halutut tiedot selville. Liitäntälaite syöttää sähköverkkoon muun toimintansa ohessa pieniamplitudisen herätesignaalin, joka herättelee sähköverkkoa, mutta ei häiritse sähköverkon normaalia toimintaa. Sama liitäntälaite mittaa herätesignaalin vasteen ja laskee tämän tiedon perusteella sähköverkon ominaisuudet. Nopeiden, muutamien sekuntien välein suoritettavien mittausten jälkeen liitäntälaite säätää itsensä uudelleen, jotta toiminta optimoituu kyseisessä sähköverkossa.

Mittausmenetelmät ovat hyvin monikäyttöisiä. Roinila on päässyt testaamaan niitä useissa nanoteknologisissa sovelluksissa, pietsosähköisissä laitteissa, jotka perustuvat mekaaniseen jännitteeseen, ja jopa lehmän silmän solujen mittaamiseen.

Verkottunut tutkija

Paljon maailmalla liikkuvana tutkijana Roinila kehuu tutkimusvierailuitaan ulkomaisissa yliopistoissa. Tällä hetkellä Roinila työskentelee Etelä-Carolinan yliopistossa Yhdysvalloissa. ”Käytössäni on taas kerran uusia resursseja ja uusi laboratorioympäristö”. Toistaiseksi tutkijavierailuja on kertynyt yhteensä neljästä yliopistosta Yhdysvalloissa ja Kiinassa.

Maailmalle on ollut helppo lähteä, kun Suomi on tunnettu korkeasta teknologisesta osaamisestaan, viisumipolitiikka on laajasti suomalaisia suosiva, ja tutkijavaihtoja tuetaan vahvasti erilaisten säätiöiden ja yhteisöjen kautta. Roinila suosittelee valitsemaan kohdeyliopiston tarkoin: ”Olin vuoden ajan Rensselaer Polytechnic Institutessa, New Yorkissa, jossa sain käyttööni heidän erittäin korkeatasoisen laboratorionsa. Tätä kautta on mahdollisuus saada käyttöön täysin erilaiset tutkimusresurssit kuin mihin on tottunut. Erilainen tutkimuskulttuuri kasvattaa myös henkisesti”.

Tutkijavaihdossa vietetty aika on todistanut Roinilalle myös sen, että Suomessa tehdään erittäin korkeatasoista tutkimusta. ”Tutkimustyö ei kalpene yhtään maailman huippuyliopistoissa tehtävän tutkimuksen kanssa. Kannustankin omalta osaltani Suomen Akatemiaa edelleen panostamaan kaikin mahdollisin tavoin Suomalaiseen huippututkimukseen ja uuden teknologian kehittämiseen. On selvää, että Suomi ei pysty kilpailemaan volyymilla halpatyömaiden kanssa. Suomella on kuitenkin erinomaiset välineet ja henkinen voimavara olla mukana yhtenä uuden teknologian edelläkävijänä”.

Teksti: Joonas Aitonurmi

Viimeksi muokattu 14.11.2016
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »