3.2 Tulokset
4.2.3 Signaaligeneraattorin toiminnan verifiointi
Lopullisella j¨arjestelm¨all¨a kyettiin tuottamaan kaikkia haluttuja aaltomuotoja: DC, sini, kantti ja tyristori, 100-600 Hz taajuuskaistalla. Sini- ja kanttiaaltojen taajuutta, amplitu-dia sek¨a poikkeamaa nollasta voitiin muuttaa. Kanttiaallolle oli my¨os mahdollista muuttaa
pulssisuhdetta 0-100% v¨alill¨a. Tyristorin aaltomuodolla muuttujina oli: s¨ahk¨overkon taa-juus, pulssien m¨a¨ar¨a, virran keskiarvo ja p¨a¨aj¨annite, joiden perusteella aalto tuotettiin.
Tuotetuissa aalloissa on edelleen havaittavissa hieman h¨airi¨ot¨a kuten kuvista 17 voidaan n¨ahd¨a. T¨all¨a kytkenn¨all¨a ei h¨airi¨ot¨a saada en¨a¨a pienemm¨aksi vaan se vaatisi joko eri te-hol¨ahteen tai suodatusta nykyisen tete-hol¨ahteen ulostuloon, sill¨a ohjausaallossa ei en¨a¨a ole havaittavissa merkitt¨avi¨a m¨a¨ari¨a h¨airi¨ot¨a. Paremmasta suodatuksesta saattaisi kuitenkin aiheutua aallon nousu- ja laskunopeuksien hidastumista, jota havaittiin my¨os Sorensen tehol¨ahteess¨a. Se pystyi tuottamaan h¨airi¨ot¨ont¨a aaltomuotoa, mutta ei kyennyt seuraa-maan ohjausaaltoa korkeammilla taajuuksilla suodatuksesta johtuen. Silti aallot joita te-hol¨ahteell¨a kyet¨a¨an tuottamaan toimivat hyvin lopullisissa elektrolyyserin kanssa teht¨aviss¨a mittauksissa.
(a) Tyristori 300 Hz30° (b) Tyristori 600 Hz30°
(c) Kantti 600 Hz (d) Sini 600 Hz
Kuva 17: Lopulliset tehol¨ahteen tuottamat aaltomuodot eri ohjausaalloilla.
600 Hz:sen tyristorin aaltomuodoissa on aallon laskiessa sahalaitaista h¨airi¨ot¨a, sit¨a
esiin-tyy sek¨a virran ett¨a j¨annitteen kuvaajassa, joka ei ole yll¨att¨av¨a¨a sill¨a kuormana on pelkk¨a vastus, jolloin j¨annitteen ja virran kuvaajien pit¨aisi n¨aytt¨a¨a samanlaisilta. J¨annitteen ja vir-ran huippuarvot nousevat hieman ohjausaaltoa korkeammalle aallon nousureunalla, josta aiheutuu kuvaajassa 17b n¨akyv¨a piikki aallon huipulla. Ylitys ei ole suuri ohjausaallon huippuarvo on 43 A ja tuotetun aallon huippuarvo taas 44 A ylityst¨a tulee siis 2.3% jonka j¨alkeen aalto tasaantuu nopeasti takaisin ohjaus arvoihinsa, t¨all¨a ei katsota olevan suurta negatiivista vaikutusta mittaus tuloksiin.
300 Hz:sen tyristorin aaltomuodossa on havaittavissa samoja piirteit¨a kuin 600 Hz:sess¨a aaltomuodossakin. Laskureunalla on taas havaittavissa h¨airi¨ot¨a, nyt se on kuitenkin viel¨a selke¨asti pienemp¨a¨a kuin 600 Hz kohdalla eik¨a se siten varmastikaan aiheuta ongelmia.
My¨os ylityst¨a on havaittavissa mutta sekin on hyvin v¨ah¨aist¨a.
600 Hz:sen kanttiaallon nousu ja laskureuna ovat tasaisia eik¨a niiss¨a ole havaittavissa h¨airi¨ot¨a. H¨airi¨o keskittyykin nyt enimm¨akseen kantin huipulle, jossa on havaittavissa jon-kin verran sahalaitaista h¨airi¨ot¨a. Nousureunan j¨alkeen virta on noin 39 A, josta se nousee hitaammin 41 A huippuarvoonsa ja tasoittuu siihen. Kanttiaallon pohja-arvoissa voidaan n¨ahd¨a pieni j¨annitteen ja virran nousu mutta se on silti selke¨asti itse kanttiaaltoa pienempi eik¨a sen pit¨aisi vaikuttaa l¨ahes ollenkaan lopullisiin mittauksiin.
600 Hz:nen siniaalto n¨aytt¨a¨a melkein t¨aydelliselt¨a siin¨a on mahdollista havaita hyvin pie-ni¨a h¨airi¨oit¨a eri aallon kohdissa. N¨am¨a h¨airi¨ot ovat kuitenkin pienempi¨a kuin mill¨a¨an muulla mitatuista aaltomuodoista ja niiden voidaan olettaakin olevan merkityksett¨omi¨a.
Aallonhuippu k¨ay noin 40 ampeerissa, joka oli sille s¨a¨adetty ohjearvo, ohjaaminen toimii siis hyvin.
5 Johtop¨a¨at¨okset
Empiirisess¨a ty¨oss¨a tehdyn signaaligeneraattorin avulla pystyttiin tuottamaan halutunlai-sia aaltomuotoja ja uusien aaltomuotojen lis¨a¨aminen ei olisi my¨osk¨a¨an hankalaa, kunhan matemaattinen malli on saatavilla. T¨am¨a takaa j¨arjestelm¨an joustavuuden ja toiminnan eri-laisissa k¨aytt¨okohteissa ilman suuria muutoksia. Lopulliset kuormalta mitatut arvot eiv¨at aivan seuranneet ohjaussignaalia, mutta t¨am¨a voitaisiin korjata k¨aytt¨am¨all¨a parempaa te-hol¨ahdett¨a.
T¨am¨an ty¨on kaikki mittaukset toteutettiin k¨aytt¨aen elektrolysaattoria emuloivaa kuormaa, joka oli t¨ass¨a tapauksessa metallinen tanko, jonka resistanssiksi oli mitattu0.05 Ω. Seuraa-va askel olisi testata j¨arjestelm¨an toimivuus todellista elektrolysaattoria kuormana k¨aytt¨aen.
N¨ain voitaisiin varmistua mittausj¨arjestelm¨an toimivuudesta, t¨am¨a ei kuitenkaan kuulu ty¨on aihealueeseen, joten sit¨a ei tehty. Seuraaviksi t¨oiksi suosittelenkin mittausj¨arjestelm¨an toimivuuden varmistamisen oikealla elektrolyyserilla sek¨a eri k¨ayr¨amuotojen elektrolyy-sereihin aiheuttamien vaikutuksien tutkimisen.
Opettamisen j¨alkeen Watsonin oli mahdollista vastata erin¨aisiin elektrolyysiin liittyviin kysymyksiin samalla antaen lukijalle lis¨atietoa tuloksista kuten artikkeleissa esiintyvi¨a konsepteja ja kokonaisuuksia n¨ain ollen helpottaen mielenkiintoisten artikkelien l¨oyt¨amist¨a.
Kuitenkin osa t¨ast¨a lis¨atiedosta oli turhaa ty¨on tavoitteisiin n¨ahden ja ne oltaisiin voitu j¨att¨a¨a pois ja samalla oltaisiin voitu ohjeistaa Watson etsim¨a¨an hy¨odyllisemp¨a¨a tietoa ku-ten avainsanoja teksteist¨a.
Ker¨attyjen artikkeleiden tutkimusaihetta analysoidessa voitiin havaita, ett¨a tutkimus kes-kittyy suurimmaksi osaksi polttokennoihin, varsinkin PEM polttokennoista oli moninker-tainen m¨a¨ar¨a artikkeleja verrattuna veden elektrolyysi¨a k¨asitteleviin artikkeleihin. Poltto-kennojen on todettu olevan yksi lupaavimmista energiantuotanto teknologioista jotka liit-tyv¨at l¨aheisesti uusiutuviin energianmuotoihin. T¨ast¨a johtuen niiden tutkimus on kaikkein aktiivisinta elektrolyysiin liittyvist¨a teknologioista, jota my¨os ty¨on tulokset tukevat.
5.1 Konfiguraation ongelmat ja ep¨aonnistumiset
Ongelmia havaittiin p¨a¨aosin kirjallisuusty¨ot¨a tehdess¨a, sill¨a Watson discoveryn k¨aytt¨o ei ollut ennest¨a¨an tuttua, n¨ain ollen ty¨ot¨a tehdess¨a havaittiin muutamia kohtia joihin olisi hyv¨a tulevaisuudessa kiinnitt¨a¨a enemm¨an huomiota parempien tutkimustulosten saami-seksi. Ongelmista huolimatta kirjallisuusty¨on toteutuksessa ja artikkelien analysoimisessa onnistuttiin.
PDF muodossa annettujen artikkeleiden analysoimista vaikeutti se, ett¨a PDF-tiedostomuoto ei pid¨a sis¨all¨a¨an oletuksena tekstin formaattia t¨ast¨a johtuen Watsonin ei ole mahdollista au-tomaattisesti tunnistaa analysoitavan artikkelin rakennetta vaan Watsonin on tunnistettava otsikot ja alaotsikot tekstin fontti kokoa ja tyyppi¨a tutkimalla. T¨am¨an prosessin havaittiin olevan kuitenkin hyvin ep¨aluotettava eik¨a Watson suurimmassa osassa tapauksista kyen-nyt tunnistamaan rakennetta, vaikka etsitt¨av¨at fontti koot ja tyypit oli asetettu oikein. Mui-den tiedostotyyppien kohdalla samanlaista ongelmaa ei olisi syntynyt. PDF-tiedostot on mahdollista muuttaa esimerkiksi Word-tiedostoiksi, joiden analysoiminen olisi Watsonil-le helpompaa.
Kirjallisuusty¨on analysoimisessa Watsonin k¨aytt¨am¨at rikastukset eiv¨at olleet kaikilta osin t¨aysin osuvia tutkittavaan aihepiiriin liittyen. Esimerkiksi tekstien sentimentill¨a ei t¨allaista
aineistoa tutkittaessa ole suurtakaan merkityst¨a eik¨a sen todettu antavan mit¨a¨an hy¨odyllist¨a tietoa tutkimukseen, sill¨a Watson ei kyennyt havaitsemaan selke¨a¨a negatiivisuutta tai posi-tiivisuutta tieteellisest¨a tekstist¨a, joka on oletettavaa. Avainsanojen ja semanttisten roolien analyysin lis¨a¨aminen rikastamiseen olisi my¨os todenn¨ak¨oisesti parantanut saatuja tuloksia sek¨a antanut k¨aytt¨aj¨alle paremman kuvan artikkeleissa k¨aydyist¨a asioista. N¨aiden asetus-ten muuttaminen olisi kuiasetus-tenkin vaatinut Watsonin uudelleen opettamisen jonka takia ne j¨atettiin tekem¨att¨a.
6 Yhteenveto
Ty¨on kirjallisuuskatsaus toteutettiin IBM Watson Discovery tiedon analysointi j¨arjestel-m¨a¨a k¨aytt¨am¨all¨a. Watson valittiin ty¨oh¨on koska virranlaadun vaikutuksista elektrolyysi-j¨arjestelmiin on kirjoitettu v¨ah¨an artikkeleja ja Watsonin toivottiin kykenev¨an l¨oyt¨am¨a¨an aiheeseen liittyv¨a¨a tietoa suuresta m¨a¨ar¨ast¨a elektrolyysi¨a k¨asittelevi¨a julkaisuja.
Artikkeleita ker¨attiin 4192 kappaletta suurimmaksi osaksi Sciencedirect sivustolta. Ty¨oss¨a k¨aytettiin Watsonin ilmaisversiota, jonka rajoituksena oli 200 MB tallennustilaa ladatuille artikkeleille. T¨ast¨a johtuen vain 746 artikkelia voitiin analysoida, artikkelit valittiin satun-naisesti ker¨atyist¨a 4192:sta artikkelista. Watsonia opetettiin k¨aytt¨aen n¨ait¨a 746 artikkelia, opetuksen kohteena oli saada Watson vastaamaan erilaisiin elektrolyysiin liittyviin kysy-myksiin, kuten miten virran laatu vaikuttaa elektrolyysiprosessiin. Opetuksen aloittaminen vaati, ett¨a Watsonille sy¨otettiin 49 esimerkki kysymyst¨a ja ett¨a sen palauttamat vastaukset n¨aihin arvioitiin.
Opetuksen j¨alkeen Watson kykeni l¨oyt¨am¨a¨an kysymyksiin vastaavia artikkeleita eri elekt-rolyysiin liittyvist¨a aiheista. Muutamat termit kuten PEMFC ja PEM meniv¨at kuitenkin v¨alill¨a sekaisin, joka niiden samankaltaisuuden takia on ymm¨arrett¨av¨a¨a. Watsonilla tehty-jen tutkimusten perusteella voidaan todeta, ett¨a t¨am¨an hetkinen tutkimus painottuu suurim-maksi osakseen polttokennojen tutkimiseen. Elektrolyysereiden degradaatiota k¨asittelevi¨a artikkeleita oli 14 kun taas polttokennoille vastaavia l¨oytyi 28 kappaletta. Degradaation syit¨a k¨asittelevi¨a artikkeleita l¨oytyi 3 kappaletta elektrolyysereille ja 16 kappaletta poltto-kennoille. Virran rippelin vaikutuksesta puhuvia artikkeleita oli vain 1 kappale elektrolyy-sereille Varsinkin PEM polttokennot ovat aktiivisen tutkimuksen kohteena. Kirjallisuus-katsauksen perusteella p¨a¨atettiin rakentaa mittaussysteemi, jolla voitaisiin tutkia virran laadun vaikutuksia elektrolyysereiden toimintaan.
Rakennettiin ja testattiin mittaussysteemi, jolla voitiin tutkia virran laadun vaikutusta elekt-rolyysiprosessiin. Mittausj¨arjestely koostui myRIO alustasta, jolla tuotettiin tehol¨ahdett¨a
ohjaava signaali, kuormaa ajavasta tehol¨ahteest¨a ja elektrolyyseria emuloivasta kuormas-ta. Kuorman yli ollut j¨annite mitattiin oskilloskoopilla ja piirin virta shuntilla. Systeemill¨a haluttiin tutkia erilaisten aaltomuotojen vaikutusta elektrolyysiprosessiin, joten myRIO ohjelmoitiin siten ett¨a se kykeni tuottamaan DC-, sini-, kantti- ja thyristoriaaltomuotoja, joiden ominaisuuksia oli mahdollista muuttaa haluamikseen.
Mittaussysteemille tarvittiin tehol¨ahde, joka kykenee tuottamaan halutunlaisia aaltomuo-toja taajuus alueella 100-600 Hz. Vertailtaviksi tehol¨ahteiksi valittiin Delta Elektronika SM30-100 D ja Sorensen SGA 100/150 joiden k¨aytt¨aytymist¨a vertailtiin eri taajuuksilla ja aaltomuodoilla.
Sorensen tehol¨ahde ei kyennyt seuraamaan aaltomuotoa jonka taajuus oli yli 10 Hz vaan tuotetun aallon huippuj¨annite alkoi laskea nopeasti ja aaltomuoto muuttui varsinkin kant-tiaallon tapauksessa merkitt¨av¨asti. Delta Elektronikan havaittiin toisaalta kykenev¨an usei-den tuhansien hertzien taajuuksiin ilman j¨annitteen laskemista, tehol¨ahteen havaittiin kui-tenkin aiheuttavan huomattavia m¨a¨ari¨a ylityst¨a kantti ja tyristorin aaltomuotoja tuotettaes-sa. Aallossa oli my¨os havaittavissa korkea taajuista v¨ar¨ahtely¨a joka heikent¨aisi lopullisesta j¨arjestelm¨ast¨a saatavien mittaustulosten tarkkuutta. Ylityksen ja v¨ar¨ahtelyn uskottiin joh-tuvan myRIO:n liian v¨ah¨aisest¨a virran tuotto kyvyst¨a, joten myRIO:n ja tehol¨ahteen v¨aliin p¨a¨atettiin laittaa vahvistin, jolloin virrantuottokyky¨a saatiin kasvatettua. T¨am¨a poisti yli-tyksen kokonaan ja v¨ahensi aallossa havaittavaa v¨ar¨ahtely¨a huomattavasti. Virranlaadun mittaussysteemi todettiin toimivaksi ja se toteutti kaikki sille annetut vaatimukset. Seuraa-vaksi systeemi¨a pit¨aisi testata oikean elektrolyyserin kanssa jolloin toimivuudesta voidaan varmistua.
Viitteet
Balat, M. (2008), ‘Potential importance of hydrogen as a future solution to environmental and transportation problems’,International Journal of Hydrogen Energy 33(15), 4013 – 4029.
Bertuccioli, L., Chan, A., Hart, D., Lehner, F., Madden, B. & Standen, E. (2014), ‘Study on development of water electrolysis in the eu’,Final report in fuel cells and hydrogen joint undertaking.
Carmo, M., Fritz, D. L., Mergel, J. & Stolten, D. (2013), ‘A comprehensive review on PEM water electrolysis’,International Journal of Hydrogen Energy38(12), 4901–4934.
Chen, Y., Elenee Argentinis, J. & Weber, G. (2016), ‘IBM Watson: How Cognitive
Com-puting Can Be Applied to Big Data Challenges in Life Sciences Research’, Clinical Therapeutics38(4), 688–701.
Choi, W., Howze, J. & Enjeti, P. (2006), ‘Development of an equivalent circuit model of a fuel cell to evaluate the effects of inverter ripple current’, Journal of Power Sources 158(2), 1324–1332.
Coley, C. W., Barzilay, R., Jaakkola, T. S., Green, W. H. & Jensen, K. F. (2017), ‘Prediction of organic reaction outcomes using machine learning’,ACS central science3(5), 434–
443.
Controlled Power Company (n.d.), ‘What is ripple?’, http://www.controlledpwr.
com/whitepapers/ripple_formula.pdf. Accessed: 2018-08-24.
Decourt, B., Lajoie, B., Debarre, R. & Soupa, O. (2014), ‘The hydrogen-based energy conversion FactBook’,The SBC Energy Institute.
Dob´o, Z. & Palot´as, ´A. B. (2017), ‘Impact of the current fluctuation on the efficiency of Alkaline Water Electrolysis’, International Journal of Hydrogen Energy42(9), 5649–
5656.
Dob´o, Z., Palot´as, ´A. B. & T´oth, P. (2016), ‘the Effect of Power Supply Ripple on Dc Water Electrolysis Efficiency’,Materials Science and Engineering41(1), 23–31.
Ferrero, R., Marracci, M. & Tellini, B. (2013), ‘Single PEM fuel cell analysis for the eva-luation of current ripple effects’,IEEE Transactions on Instrumentation and Measure-ment62(5), 1058–1064.
Ferrucci, D. A. (2012), ‘Introduction to “this is watson”’,IBM Journal of Research and Development56(3.4), 1:1–1:15.
Guilbert, D., Gaillard, A., Mohammadi, A., N’Diaye, A. & Djerdir, A. (2015), ‘Investi-gation of the interactions between proton exchange membrane fuel cell and interleaved DC/DC boost converter in case of power switch faults’,International Journal of Hydro-gen Energy40(1), 519–537.
Gupta, S., Kar, A. K., Baabdullah, A. & Al-Khowaiter, W. A. (2018), ‘Big data with cog-nitive computing: A review for the future’,International Journal of Information Mana-gement42, 78–89.
Gupta, S., V, N. & John, V. (2016), Diode bridge rectifier with improved power quality using capacitive network,in‘2016 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES)’, pp. 1–6.
Kasai, S. (2014), ‘Hydrogen electrical energy storage by high-temperature steam electro-lysis for next-millennium energy security’, International Journal of Hydrogen Energy 39(36), 21358–21370.
Kelly III, J. E. & Hamm, S. (2013),Smart machines: IBM’s Watson and the era of cognitive computing, Columbia University Press.
Kim, Y. J. (2017), ‘The future medical science and colorectal surgeons’,Ann Coloproctol 33(6), 207–209.
Koponen, J., Ruuskanen, V., Kosonen, A., Niemel¨a, M. & Ahola, J. (2018), ‘Effect of converter topology on the specific energy consumption of alkaline water electrolyzers’, IEEE Transactions on Power Electronicspp. 1–1.
Mohan, N. & Undeland, T. M. (2007),Power electronics: converters, applications, and design, John Wiley & Sons.
Murtaza, S. S., Lak, P., Bener, A. & Pischdotchian, A. (2016), How to effectively train ibm watson: Classroom experience,in‘2016 49th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS)’, pp. 1663–1670.
Paris Agreement(2015). UNTC XXVII 7.d.
Qadrdan, M., Abeysekera, M., Chaudry, M., Wu, J. & Jenkins, N. (2015), ‘Role of power-to-gas in an integrated gas and ˆA electricity system in great britain’,International Jour-nal of Hydrogen Energy40(17), 5763 – 5775.
Ruuskanen, V., Koponen, J., Huoman, K., Kosonen, A., Niemel¨a, M. & Ahola, J. (2017),
‘Pem water electrolyzer model for a power-hardware-in-loop simulator’, International Journal of Hydrogen Energy42(16), 10775 – 10784.
Ruuskanen, V., Koponen, J., Sillanp¨a¨a, T., Kosonen, A., Niemel¨a, M. & Ahola, J. (2017), Considering the power quality in the fower-hardware-ln-loop simulation of the water electrolyzers, in‘2017 19th European Conference on Power Electronics and Applica-tions (EPE’17 ECCE Europe)’, pp. P.1–P.9.
Simonis, B. & Newborough, M. (2017), ‘Sizing and operating power-to-gas systems to absorb excess renewable electricity’, International Journal of Hydrogen Energy 42(34), 21635 – 21647.
Stein, B. (1995), ‘Effects of voltage ripple on plating uniformity in chloride zinc baths’, Metal Finishing93(6), 100–103.
Ursua, A., Gandia, L. M. & Sanchis, P. (2012), ‘Hydrogen production from water electro-lysis: Current status and future trends’,Proceedings of the IEEE100(2), 410–426.
Urs´ua, A., Marroyo, L., Gub´ıa, E., Gand´ıa, L. M., Di´eguez, P. M. & Sanchis, P. (2009),
‘Influence of the power supply on the energy efficiency of an alkaline water electrolyser’, International Journal of Hydrogen Energy34(8), 3221–3233.
V´azquez, F. V., Koponen, J., Ruuskanen, V., Bajamundi, C., Kosonen, A., Simell, P., Aho-la, J., Frilund, C., Elfving, J., Reinikainen, M., Heikkinen, N., Kauppinen, J. & Piermar-tini, P. (2018), ‘Power-to-X technology using renewable electricity and carbon dioxide from ambient air: SOLETAIR proof-of-concept and improved process concept’, Jour-nal of CO2 Utilization28, 235–246.
von Meier, A. (2006),Electric Power Systems: A Conceptual Introduction, Wiley Survival Guides in Engineering and Science, Wiley.
Wahdame, B., Girardot, L., Hissel, D., Harel, F., Francois, X., Candusso, D., Pera, M. C.
& Dumercy, L. (2008), Impact of power converter current ripple on the durability of a fuel cell stack, in ‘2008 IEEE International Symposium on Industrial Electronics’, IEEE, pp. 1495–1500.
Wang, Y. (2010), ‘A novel input ripple current suppressing topology configuration and controller for residential fuel cell power conditioning system’, Journal of Fuel Cell Science and Technology - J FUEL CELL SCI TECHNOL7.