Aurinkoenergialla toimivan vesistöjen hapetuslaitteen kehittäminen

Thumbnail Image

Files

master_Hyvärinen_Henry_2025.pdf (2.67 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-09-29

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering
Konetekniikan maisteriohjelma
Magisterprogrammet i maskinteknik

Language

fi

Pages

68

Series

Abstract

The well-being of lakes is a globally significant issue. One of the issues faced by the lakes is low oxygen levels, which can lead to other issues, like fish deaths. Many factors affect the oxygen levels, such as eutrophication and warming of the lake. To increase oxygen levels in water bodies, various aeration devices have been used, although these devices are generally not consumer-friendly. For example, these devices can be demanding to install, expensive to maintain, or acquire. For this reason, research on the development of a solar energy-powered water aeration device is conducted. The main objective of the development was to make it suitable for private consumers and cost-effective. The purpose of this work was to develop a concept for an aeration device and determine its functionality. The most important research question was to find a suitable aeration method. The problem was first addressed by conducting a literature review on the background of lake aeration. Based on the literature review, an aeration device concept was designed using basic product development methods. At the end of the work, the functionality of the concept was evaluated using a miniature model of the device. The final aeration device concept was defined as a floating aeration device utilizing an artificial mixing aeration method, which is powered by solar panels. The mixing aeration is carried out using a hyperboloid-shaped mixer, which is situated at the bottom layer of the water. The flow pattern caused by the hyperboloid mixer was tested with a miniature version of the mixer. The resulting flow pattern coincides with the hypothesis, indicating that the mixer primarily generates horizontal flow. This way, the flow is not directly pointed towards the bottom sediment, potentially resulting in fewer nutrients being drawn into the surface water. The effect of the mixer on the oxygen content of the test tank was also tested. The results of this test showed that mixing accelerates oxygen transfer compared to natural oxygen transfer. The test also indicated that the hyperboloid mixer can transfer oxygen-rich surface water to the bottom. However, the tests performed in this study are not enough to prove the practical functionality of the aeration device concept. Proving the functionality of the concept requires further research and testing.

Vesistöjen hyvinvointi on globaalisti merkittävä ongelma. Eräs vesistöjen kohtaamista ongelmista on alhainen happipitoisuus, joka voi johtaa muihin ongelmiin, kuten kalakuolemiin. Veden happipitoisuuteen vaikuttavat monet tekijät, kuten vesistön rehevyys ja lämpeneminen. Vesistöjen happipitoisuuden nostamiseksi on jo pitkään käytetty erilaisia hapetuslaitteita, jotka eivät yleisesti ole erityisen kuluttajaystävällisiä. Laitteet voivat olla esimerkiksi vaativia asentaa, kalliita ylläpitää tai hankkia. Tästä syystä tutkimuksessa lähdettiin selvittämään aurinkoenergialla toimivan vesistöjen hapetuslaitteen kehittämistä. Hapetuslaitteen kehittämisen lähtökohtina olivat sen soveltuvuus yksityisille kuluttajille ja kustannustehokkuus. Työn tarkoituksena oli kehittää varteenotettava hapetuslaitteen konsepti ja arvioida sen toimivuutta. Tärkein tutkimusongelma oli löytää esitettyihin lähtökohtiin sopiva hapetusmenetelmä. Ongelmaa lähdettiin ratkaisemaan tekemällä ensin kirjallisuuskatsaus vesistöjen hapetuksen taustoista. Kirjallisuuskatsauksen pohjalta suunniteltiin hapetuslaitekonsepti käyttäen hyödyksi tuotekehitysmenetelmiä. Työn lopuksi konseptin toimivuutta arvioitiin hapetuslaitteesta tehdyllä pienoismallilla. Lopulliseksi hapetuslaitekonseptiksi muodostui kierrätyshapetusmenetelmää hyödyntävä kelluva hapetuslaite, joka saa käyttövoimansa aurinkopaneeleista. Kierrätyshapetus toteutetaan hyperboloidin muotoisella sekoittimella, joka upotetaan veden pohjan läheisyyteen. Hyperboloidisekoittimen tuottamaa virtausta testattiin pienoismallilla. Virtaustestien tulokset vastasivat odotuksia eli sekoitin tuottaa pääasiassa vaakasuuntaisen virtauksen. Näin virtaus ei suoraan kohdistuisi pohjan sedimenttiin, jolloin pohjasta saattaa nousta vähemmän ravinteita pintaveteen. Sekoittimen vaikutusta testialtaan happipitoisuuteen testattiin myös. Tämän testin tuloksena oli, että sekoittaminen nopeuttaa hapensiirtoa testialtaaseen verrattuna ilman sekoitusta tapahtuvaan hapensiirtoon. Lisäksi saatiin näyttöä sille, että sekoitin kykenee siirtämään pohjalle hapekasta pintavettä. Kuitenkaan työssä tehdyt testit eivät riitä todentamaan hapetuslaitekonseptin toimivuutta käytännössä, vaan asia vaatii jatkotutkimusta.

Description

Supervisor

Kuosmanen, Petri

Thesis advisor

Ukkonen, Petri

Keywords

hapetus, vesistöjen kunnostus, aurinkoenergia, tuotekehitys, ilmastus, kestävä energia

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512169359

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG