Meeting Global Cooling Demand with Photovoltaics during the 21st Century

Space conditioning, and cooling in particular, is a key factor in human productivity and well-being across the globe. During the 21st century, global cooling demand is expected to grow significantly due to the increase in wealth and population in sunny nations across the globe and the advance of global warming. The same locations that see high demand for cooling are also ideal for electricity generation via photovoltaics (PV). Despite the apparent synergy between cooling demand and PV generation, the potential of the cooling sector to sustain PV generation has not been assessed on a global scale. Here, we perform a global assessment of increased PV electricity adoption enabled by the residential cooling sector during the 21st century. Already today, utilizing PV production for cooling could facilitate an additional installed PV capacity of approximately 540 GW, more than the global PV capacity of today. Using established scenarios of population and income growth, as well as accounting for future global warming, we further project that the global residential cooling sector could sustain an added PV capacity between 20-200 GW each year for most of the 21st century, on par with the current global manufacturing capacity of 100 GW. Furthermore, we find that without storage, PV could directly power approximately 50% of cooling demand, and that this fraction is set to increase from 49% to 56% during the 21st century, as cooling demand grows in locations where PV and cooling have a higher synergy. With this geographic shift in demand, the potential of distributed storage also grows. We simulate that with a 1 m$^3$ water-based latent thermal storage per household, the fraction of cooling demand met with PV would increase from 55% to 70% during the century. These results show that the synergy between cooling and PV is notable and could significantly accelerate the growth of the global PV industry

Meeting Global Cooling Demand with Photovoltaics during the 21st Century

Space conditioning, and cooling in particular, is a key factor in human productivity and well-being across the globe. During the 21st century, global cooling demand is expected to grow significantly due to the increase in wealth and population in sunny nations across the globe and the advance of global warming. The same locations that see high demand for cooling are also ideal for electricity generation via photovoltaics (PV). Despite the apparent synergy between cooling demand and PV generation, the potential of the cooling sector to sustain PV generation has not been assessed on a global scale. Here, we perform a global assessment of increased PV electricity adoption enabled by the residential cooling sector during the 21st century. Already today, utilizing PV production for cooling could facilitate an additional installed PV capacity of approximately 540 GW, more than the global PV capacity of today. Using established scenarios of population and income growth, as well as accounting for future global warming, we further project that the global residential cooling sector could sustain an added PV capacity between 20-200 GW each year for most of the 21st century, on par with the current global manufacturing capacity of 100 GW. Furthermore, we find that without storage, PV could directly power approximately 50% of cooling demand, and that this fraction is set to increase from 49% to 56% during the 21st century, as cooling demand grows in locations where PV and cooling have a higher synergy. With this geographic shift in demand, the potential of distributed storage also grows. We simulate that with a 1 m$^3$ water-based latent thermal storage per household, the fraction of cooling demand met with PV would increase from 55% to 70% during the century. These results show that the synergy between cooling and PV is notable and could significantly accelerate the growth of the global PV industry

Review of energy system flexibility measures to enable high levels of variable renewable electricity

The paper reviews different approaches, technologies, and strategies to manage large-scale schemes of variable renewable electricity such as solar and wind power. We consider both supply and demand side measures. In addition to presenting energy system flexibility measures, their importance to renewable electricity is discussed. The flexibility measures available range from traditional ones such as grid extension or pumped hydro storage to more advanced strategies such as demand side management and demand side linked approaches, e.g. the use of electric vehicles for storing excess electricity, but also providing grid support services. Advanced batteries may offer new solutions in the future, though the high costs associated with batteries may restrict their use to smaller scale applications. Different “P2Y”-type of strategies, where P stands for surplus renewable power and Y for the energy form or energy service to which this excess in converted to, e.g. thermal energy, hydrogen, gas or mobility are receiving much attention as potential flexibility solutions, making use of the energy system as a whole. To “functionalize” or to assess the value of the various energy system flexibility measures, these need often be put into an electricity/energy market or utility service context. Summarizing, the outlook for managing large amounts of RE power in terms of options available seems to be promising.Peer reviewe

A carbon gel catalyst layer for the roll-to-roll production of dye solar cells

Carbon gel catalyst layers were used in dye solar cells. These layers were prepared on flexible plastic substrates at low temperatures (130 °C). The carbon gel, demonstrated excellent flexibility which is an important feature for roll-to-roll production and special applications of dye solar cells. The use of these low cost and highly flexible catalyst layers resulted in good photovoltaic performance; only 10% lower than dye solar cells with rigid glass-based counter electrodes prepared with thermal platinization at ∼400 °C temperature.Peer reviewe

A Guide for the Design of Benchmark Environments for Building Energy Optimization

The need for algorithms that optimize building energy consumption is usually motivated with the high energy consumption of buildings on a global scale. However, the current practice for evaluating the performance of such algorithms does not reflect this goal, as in most cases the performance is reported for one specific simulated building only, which provides no indication about the generalization of the score on other buildings. One approach to overcome this severe issue is to establish a shared collection of environments, each representing one simulated building setup, that would enable researchers to systematically compare and contrast the efficacy of their building optimization algorithms at scale. However, this requires that the individual environments are well designed for this goal. This paper is thus targeting the design of suitable environments for such a collection based on a detailed analysis of related publications that allows the identification of relevant characteristics for suitable environments. Based on this analysis a guide is developed that distills these characteristics into questions, intended to support a discussion of relevant topics during the design of such environments. Additional explanations and examples are provided for each question to make the guide more comprehensible. Finally, it is demonstrated how the guide can be applied, by utilizing it for the design of a novel environment, which represents an office building in tropical climate. This environment is released open source alongside this publication. We also indicate how test scenarios from existing publications could be enhanced to comply with the required characteristics according to our guide, underlining its importance for the future development and evaluation of building energy optimization algorithms, and thus for the sustainability of buildings in general

Tienhoitourakan päättäminen

Opinnäytetyön tarkoitus on toimia ohjeena tienhoitourakan päättämisessä ja ennen luovutusta tehtävissä töissä. Aihe opinnäytetyölle löytyi esimieheltäni, koska tienhoitourakan päättämiseen ei ole olemassa selkeitä ohjeita. Opinnäytetyön tavoitteena oli kerätä ja tiivistää tärkeimmät tienhoitoon liittyvät asiat yhteen, jotta niitä ei tarvitsisi enää etsiä monista eri dokumenteista ja sopimuksista. Tarkoituksena oli luoda selkeä ohjeistus, josta käy ilmi mm. tienhoidon yleisimmät työt, turvallisuusasiat, dokumentit ja ennen luovutusta tehtävät työt

“Taikasanamme on säilyke” : Säilykekeittokirjallisuuden tarjoamat ruoan kulutuksen tavat 1960- ja 1970-lukujen taitteen Suomessa

Tutkimuksessani tarkastelen suomalaisten 1960- ja 1970-luvuilla julkaistuissa säilykkeisiin ja muihin teollisiin elintarvikkeisiin keskittyvien keittokirjojen lukijoilleen esittelemiä kuluttamisen tapoja ja kuinka nämä tavat asettuivat osaksi historiallista suomalaista kuluttamisen oikeuttamisen kontekstia. Säilykkeisiin keskittyvä keittokirjallisuus kertoo paitsi ruokakulttuurin muutoksesta, myös laajemmista yhteiskunnallisista ja taloudellisista muutoksista kohti modernia kulutuskulttuuria. Lähdeaineistoni tärkeimmät keittokirjat ovat Kirsti Rannikon ja Kyllikki Villan Hamsterin keittokirja: vaihtelevia ruokia säilykkeistä sekä Juha Heikinheimon ja Marjaleena Nordlundin Kiireisen keittokirja. Hyödynnän myös muita aikakauden teollisiin elintarvikkeisiin keskittyviä keittokirjoja. Selvyyden vuoksi kutsun näitä keittokirjoja tutkimuksessani yleisnimikkeellä säilykekeittokirjat. Lisäksi käytän Tilastokeskuksen keräämiä Kotitaloustiedusteluja sekä Marttaliiton julkaisemaa Emäntälehteä ja Työtehoseuran Teho-lehteä. Lähestymistavassani hyödynnän sosiologian ja kulutustutkimuksen menetelmiä. Mika Pantzarin teknologian kesyttämisen idean avulla tutkin, miten teollisia elintarvikkeita esitetään käytettäväksi keittokirjoissa. Visa Heinosen ja Minna Aution tutkimien kulutuseetosten perusteella tarkastelen keittokirjojen kulutustapoja vasten erilaisia kuluttamisen moraalisen oikeuttamisen tapoja. Käytän näitä metodeja tukenani pyrkiessäni kontekstoimaan säilykekeittokirjallisuuden osaksi modernin kulutuskulttuurin murrosta. Säilykkeitä kesytetään keittokirjoissa monin eri tavoin. Ruoan valmistuksen rationalisoinnin lisäksi keittokirjoissa vedotaan lukijoiden luovuuteen. Einesten ja puolivalmisteiden “elävöittäminen” esitetään luovana ja palkitsevana prosessina. Luovuuden korostamisesta huolimatta keittokirjojen reseptit ovat jäykkiä aterioiden muodon suhteen: Luovuus rajoittuu teollisten raaka-aineiden hyödyntämiseen. Keittokirjojen käyttöympäristöksi esitellään urbaani lähiöasunto, joissa mieskin saattoi osallistua ruoanvalmistamiseen, vaikka vastuu perheen ruokkimisesta jääkin tyttöystävälle, vaimolle tai äidille. Säilykekeittokirjojen kulutustavat vetoavat suomalaisiin kulutuseetoksiin. Säilykkeiden taloudellinen ja terveellinen käyttö sopii talonpoikaiseen omavaraisuuteen. Keittokirjat sisältävät useita reseptejä keskiluokkaisiin illanistujaisiin. Teollisten elintarvikkeiden käyttö myös mahdollisti kuluttajalle nautinnon kontrolloinnin eksoottisella haaveilulla sekä arjen rutiinien rikkomisella. Vaikka säilykekeittokirjat ovatkin osa laajempaa yhteiskunnan muutosta kulutuskulttuuriksi, eivät keittokirjojen esittämät kuluttamisen tavat vakiintuneet ja säilykkeiden kulutusmäärät pysyivät tutkimanani ajanjaksona suhteellisen pieninä

Edistyneen plasmonisiin ja eristenanorakenteisiin perustuvan valonhallinnan kehitystä ohutkalvo- ja kiteisen piin aurinkokennoihin

In this thesis, light scattering plasmonic nanostructures were studied as light management techniques in silicon solar cells with an experiment and a literature review, and solar cell designs was developed for future research on plasmonic and dielectric nanostructures. The broad literature review on the state of the art of plasmonic scatterers revealed that such nanostructures on the front side of Si solar cells have been shown to be superior to flat cells with an optimized anti-reflection coating, but the use of texturing has not been outperformed. Plasmonic nanostructures at the back, combined with Mie scatterers at the front side, have been shown to outperform the Asahi U texture for ultra-thin film a-Si solar cells. The effect of computationally optimized arrays of Ag and Al nanoparticles on the front surface of thin-film a-Si:H solar cells on the photovoltaic performance of the device was studied experimentally. The nanostructures enhanced EQE at long wavelengths, and decreased at short. The Ag structure enhanced JSC by 4.6 % compared to the best measured flat cell structure with an anti-reflection coating, and the Al structure by 3.4 %. To the best of the author's knowledge, an experimental demonstration of performance enhancement with an Al nanostructure has not been presented thus far in the literature. Crystalline Si solar cell designs were developed for experiments with metallic and dielectric photonic nanostructures. The designs are based on the IBC Si-HJ architecture and processed on mirror-polished FZ mono-Si wafers, with surface passivation implemented with SiNx for the cells with metallic nanoparticles and a-Si:H for the cells with dielectric nanoparticles.Tässä diplomityössä tutkittiin valoa sirottavia plasmonisia nanorakenteita piiaurinkokennojen valonhallintamenetelminä kokeellisesti ja kirjallisuusselvityksellä, ja suunniteltiin sopivat aurinkokennot metallisilla ja eristenanohiukkasrakenteilla tapahtuvaa tulevaa tutkimusta varten. Valoa sirottavien plasmonisten nanorakenteiden tekniikan nykytila selvitettiin laajalla kirjallisuuskatsauksella. On osoitettu, että tällaiset nanorakenteet yhdistettynä antiheijastuspinnoitteeseen piiaurinkokennon etupinnalla ovat parempi valonhallintamenetelmä kuin tasainen kenno, jossa on pelkkä optimoitu antiheijastuspinnoite. Teksturointia paremmin toimivaa kennon etupinnalla olevaa plasmonista nanorakennetta ei ole pystytty esittämään. Kennon takapinnalla olevan plasmonisen nanorakenteen, yhdistettynä Mie-sirottajaan kennon etupinnalla on osoitettu toimivan teollisuudessa käytettyä Asahi U -tekstuuria paremmin ultraohuissa amorfisen piin aurinkokennoissa. Laskennallisesti optimoitujen, a-Si:H-ohutkalvoaurinkokennojen etupinnalle valmistettujen Ag- ja Al- nanohiukkashilojen vaikutusta laitteen toimintaan tutkittiin kokeellisesti. Nanorakenteet paransivat laitteen ulkoista kvanttihyötysuhdetta pitkillä aallonpituuksilla ja heikensivät sitä lyhyillä. Hopeananohiukkasrakenne paransi oikosulkuvirtaa 4,6 % verrattuna parhaaseen mitattuun tasaiseen pelkällä antiheijastuspinnoitteella varustettuun kennoon, alumiininanohiukkasrakenne 3,4 %. Kirjallisuudesta ei löytynyt viitettä kokeellisesti osoitetusta aurinkokennon oikosulkuvirran paranemisesta alumiininanohiukkasrakenteella. Kiteisen piin aurinkokennot suunniteltiin metallisilla ja eristenanohiukkasrakenteilla tapahtuvaa tulevaa tutkimusta varten. Kennot perustuvat IBC-heteroliitosarkkitehtuuriin, ne prosessoidaan mekaanis-kemiallisesti kiillotetuille FZ-yksikiteisille piikiekoille, ja niiden pintapassivointi toteutetaan piinitridillä metallisten nanohiukkasten tapauksessa ja amorfisella piillä eristenanohiukkasten tapauksessa

Kattojen kuntokartoitusprosessin kehittäminen rivitaloyhtiössä

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää, kuinka kattojen kuntokartoitusprosessi voisi vastata isännöitsijöiden ja taloyhtiöiden tarpeita paremmin. Markus Kauhanen Oy:llä oli tarve parantaa tietämystään rivitaloasukkaiden ja isännöitsijöiden näkemyksestä kattojen kuntokartoituksen prosessista. Sen vuoksi yritys antoi Savonia-ammattikorkeakoululle toimeksiannon, jossa selvitettäisiin tätä asiaa. Tutkimuksessa käytettiin Webropol-kyselyä. Kyselyssä oli 20 kysymystä liittyen kattojen kuntokartoitukseen ja kuntoon. Kysely lähetettiin sähköpostitse ympäri Suomea isännöitsijöille ja taloyhtiönpuheenjohtajille. Kyselyyn vastasi 18 isännöitsijää ja 4 taloyhtiön edustajaa. Kysely lähetettiin kymmenille isännöitsijöille. Tutkimuksen perusteella Suomessa taloyhtiöiden katoista pidetään enimmäkseen hyvää huolta. Kuntokartoitusraporttia haluttaisiin selkeämmäksi ja paremmin kustannuksia avaavaksi. Harjakatto todettiin Suomen olosuhteissa suosituimmaksi kattotyypiksi. Älykatot koetaan vielä vaikeakäyttöisiksi ja niiden kustannukset eivät vastaa hyötyjä. Tutkimuksen tulosta käytetään lisäämään tietoa asukkaille ja isännöitsijöille katonhuollon ja säännöllisen kartoittamisen merkityksestä asumisessa