The entire thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file; a non-technical public abstract appears in the public.pdf file. Title from PDF of title page (University of Missouri--Columbia, viewed on November 13, 2009). Thesis advisor: Dr. Patrick S. Market Includes bibliographical references.

Ήδη από τις αρχές του 1950 έκανε δειλά την εμφάνισή του, με μορφή φιλοσοφικού στοχασμού το ενεργειακό πρόβλημα. Παρά το γεγονός ότι το 1950 τα εκτιμώμενα εκμεταλλεύσιμα αποθέματα είχαν επάρκεια 20 χρόνων, επικρατούσε κάποια νηφαλιότητα σε σχέση με την ενεργειακή τροφοδότηση. Με την εμφάνιση της ενεργειακής κρίσης του 1973 άρχισε και η συνειδητοποίηση του ενεργειακού προβλήματος. Μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική αντιμετώπισης του ενεργειακού προβλήματος είναι η εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για συνδυασμένη παραγωγή ενέργειας και υδρογόνου. Αυτή η οικονομία «καθαρής ενέργειας»-υδρογόνου, στοχεύει στην όσο το δυνατόν συντομότερη αντικατάσταση των συμβατικών ορυκτών καυσίμων από το υδρογόνο. Τα οφέλη θα είναι πολλαπλά. Ενεργειακή αυτάρκεια, οικονομική απεξάρτηση από την οικονομία των υδρογονανθράκων, ενεργειακή αποκέντρωση και προστασία του περιβάλλοντος. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι να παρουσιάσει τις εξελίξεις στην τεχνολογία του υδρογόνου, ως φορέα ενέργειας, την συνδυασμένη παραγωγή του από συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τις προοπτικές που ανοίγονται στο μέλλον από την οικονομία υδρογόνου. Στοχεύουμε η διπλωματική αυτή να είναι ακόμα μια ενίσχυση στις στρατηγικές για ταχύτερη ενεργειακή απεξάρτηση από τους υδρογονάνθρακες και την είσοδο σε μια οικονομία καθαρής ενέργειας. Η διπλωματική εργασία απευθύνεται σε άτομα τα όποια αναζητούν μια συνολική εικόνα των τεχνικών λύσεων στην τεχνολογία υδρογόνου και την συνδυασμένη παραγωγή του από συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται γενικά στοιχεία για το υδρογόνο. Παρουσιάζεται η ιστορική διαδρομή της ανακάλυψης και της τεχνολογικής έρευνας του υδρογόνου και αναλύονται οι φυσικές και χημικές του ιδιότητες. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται συνοπτικά η χρησιμοποίηση του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας και γίνεται μια πρώτη προσέγγιση στην οικονομία του υδρογόνου. Συνοπτικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και οι τομείς που η έρευνα για το υδρογόνο εξελίσσεται. Στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσσονται και αναλύονται όλες οι εφαρμοσμένες αλλά και μελλοντικές μέθοδοι για την παραγωγή υδρογόνου. Αφού γίνει μια αναλυτική αναφορά στις μεθόδους παραγωγής από τους υδρογονάνθρακες, το τρίτο κεφάλαιο επικεντρώνεται κυρίως σε καθαρούς και καινοτόμους τρόπους παραγωγής υδρογόνου, όπως η ηλεκτρόλυση, η αναμόρφωση βιομάζας, η φωτοβιολογική και φωτοχημική παραγωγή. Στο τέλος του κεφαλαίου δίνεται μια σύγκριση κόστους μεταξύ των τρόπων παραγωγής υδρογόνου. Το τέταρτο κεφάλαιο είναι μια ανάλυση των εφαρμοσμένων τρόπων αποθήκευσης και μεταφοράς του υδρογόνου. Διακρίνονται οι τρεις βασικές μέθοδοι αποθήκευσης και μεταφοράς υδρογόνου: α) ως συμπιεσμένο αέριο, β) ως υγρό, γ) ως στερεό. Στη συνέχεια συγκρίνονται οι μέθοδοι ως προς την ασφάλεια, την χρησιμότητα, τις τεχνικές δυσκολίες και το κόστος. Τέλος γίνονται κάποιες προτάσεις για μελλοντική εξέλιξη και βελτίωση αυτών των μεθόδων. Στο πέμπτο κεφάλαιο εκθέτεται μια αναλυτική αναφορά στην χρησιμοποίηση του υδρογόνου για παραγωγή ενέργειας. Περιγράφονται τα κύτταρα καυσίμου, η αρχή λειτουργίας του και οι εφαρμογές τους. Στη συνέχεια αναπτύσσεται η λειτουργία των μηχανών εσωτερικής καύσης με υδρογόνο ως καύσιμο. Περιγράφονται επίσης οι κινητήρες υδρογόνου των πυραύλων και οι προοπτικές για την μετατροπή των τουρμπίνων των αεροπλάνων ώστε να δέχονται ως καύσιμο υδρογόνο. Τέλος μελετάται η σύνδεση των κυττάρων καυσίμου με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Το έκτο κεφάλαιο κάνει μια εισαγωγή στα δυο βασικά συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και στη συνέχεια αναπτύσσει τη δυνατότητα να συνδυαστούν για παραγωγή υδρογόνου. Συγκεκριμένα αναπτύσσει το αιολικό και το ηλιακό σύστημα και προχωράει στην ανάλυση των υβριδικών αντίστοιχων συστημάτων για παραγωγή υδρογόνου. Αναφέρει και κάποια πειραματικά δεδομένα πάνω στην εφαρμογή των υβριδικών συστημάτων και τις προοπτικές βελτίωσής τους. Αναλύει τις προοπτικές για την Ελλάδα σε αυτόν τον τομέα και αναφέρει τις κινήσεις και τις εφαρμογές που γίνονται προς αυτή την κατεύθυνση. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο παρατίθενται τα γενικά συμπεράσματα και γίνεται μια περιληπτική γεωπολιτική μελέτη γύρω από την οικονομία του υδρογόνου και τις προοπτικές της. / Already from the beginning of 1950 energy problem, made its appearance slowly, first as a philosophical thought. Although the fact that in 1950 the estimated exploited reserves had sufficiency for 20 years, there was some soberness about the energy supplying. By the appearance of energy crisis in 1973, began the awareness of the energy problem. One promising strategy to solve the energy problem is to exploit the renewable energy sources for combined production of energy and hydrogen. This “clean energy”-hydrogen economy, targets in the replacement of the conventional mineral fuels, as soon as possible. The benefits are multiple such as energy sufficiency, economical independence from hydrocarbons economy, economic decentralization and protection of the environment. The purpose of this work is to present the evolutions in hydrogen technology, as an energy carrier, the combined production of hydrogen from systems of renewable energy sources and the perspectives which will be opened in the future from hydrogen economy. We seek this work to be one more aid to the strategies for faster economical independence from hydrocarbons and the entrance into a clean energy economy. This work is addressed to the people who search a total image of the technical solutions in hydrogen technology and its combined production from the systems of renewable energy sources. In the first chapter general information for hydrogen are reported. The historical route of the discovery and the technological investigation is being presented and hydrogen’s physicals and chemicals attributes are being analyzed. In the second chapter it is described concisely, the utilization of hydrogen as energy carrier and one first approach in hydrogen economy is being tried. Concisely they are presented the advantages, the disadvantages and the sectors in which the investigation of hydrogen is being developed. In the third chapter are being developed and analyzed all the applied and future methods of hydrogen production. After an analytical report in hydrogen production methods from hydrocarbons, the third chapter is centralized basically in clean and innovator ways of hydrogen production, like electrolysis, biomass reformation, photo biological and photochemical production. In the end of the chapter it’s given one cost’s comparison between the hydrogen production ways. The forth chapter is an analysis of the applied ways of hydrogen storage and transportation. The three basic methods of hydrogen storage and transportation are being distinguished: a) as compressed gas, b) as liquid, c) as solid. In continuity these methods are compared to the security, the usefulness, the technical difficulties and the cost. At last they are being made some propositions for future evolution and improvement of these methods. In the fifth chapter it‘s being exhibited an analytic report for the use of hydrogen in energy production. The fuel cells, their principle of operation and their application are described in this chapter. In continuity it is developed the operation of hydrogen internal combustion engines. Also they are described the hydrogen engines of spacecrafts and the prospects for the transformation of airplane’s turbines, so to take hydrogen as fuel. At last it is studied the connection of fuel cells with the electrical energy net. The sixth chapter makes an introduction in the two basic systems of renewable energy sources and in continuity it develops the possibility of them to be combined for hydrogen production. Concretely it develops the wind and the solar system and it continues to the analysis of the corresponding hybrid systems for hydrogen production. It reports also some experiments data at applications of the hybrid systems and it presents their prospects for improvement. It analyses the prospects in Greece at this sector and it reports the movements and the applications which are being done at this direction. Lastly at the seventh chapter are mentioned the general conclusions and one comprehensive geopolitical analysis is being made, about the hydrogen economy and its prospects.

Η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και το ενδεχόμενο ενεργειακό αδιέξοδο σε συνδυασμό με τη δυνατότητα παραγωγής ενέργειας από ανεξάντλητες πηγές χωρίς επιβάρυνση στο περιβάλλον έχουν οδηγήσει τους τομείς έρευνας προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ένα άλλο μεγάλο πρόβλημα είναι αυτό της εξάντλησης του νερού. Έτσι έχει αναπτυχθεί η έρευνα για την αξιοποίηση των αλμυρών ή υφάλμυρων αποθεμάτων νερού της Γης μέσω της τεχνολογίας αφαλάτωσης. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η οικονομική αξιολόγηση ενός συστήματος αφαλάτωσης το οποίο τροφοδοτείται απο υβριδικό σύστημα φωτοβολταϊκών πλαισίων και ανεμογεννητριών. Για τη διαστασιολόγηση χρησιμοποιήθηκαν γενετικοί αλγόριθμοι οι οποίοι αποτελούν εργαλεία επίλυσης προβλημάτων βελτιστοποίησης. / The depletion of mineral fuels and the potential future energy issues, conbined with the ability to produce energy from alternative sources of practically infinite capacity without causing environmental damage, has driven research towards exploring renewable energy sources. A major issue is also the issue of water depletion, driving research towards the development of desalination technologies that use seawater or brackish water. In this thesis we explore the potential and we perform the economic evaluation of a desalination system, which is powered by a hybrid system of photovoltaics and wind turbines. The parameters of the proposed implementation are optimized using genetic algorithms.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα, στις διάφορες μορφές ενέργειας, στα διάφορα είδη μετατροπέων και τα είδη ελέγχου. Πιο συγκεκριμένα, ασχολούμαστε με τον έλεγχο σε μετατροπείς από την πλευρά του δικτύου που χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες. Επιπλέον, εξομοιώνουμε έναν μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου για να ρυθμίσουμε την DC τάση. Πιο συγκεκριμένα : Στον κεφάλαιο 1, θα ασχοληθούμε με το ενεργειακό πρόβλημα και την κλιματική αλλαγή, τα οποία αποτελούν δύο από τα πιο σοβαρά προβλήματα του πλανήτη. Ακόμα, θα αναφερθούμε στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως στην αιολική. Επίσης, θα γίνει μία μικρή αναφορά με βάση διαγράμματα για τους κανονισμούς που ισχύουν σε διάφορες χώρες της Ευρώπης όσον αφορά τη λειτουργία των Εγκαταστάσεων Αιολικής Ενέργειας. Στον κεφάλαιο 2, γίνεται αναφορά στον τριφασικό διπλό μετατροπέα τάσης, στη λειτουργία του, στο μοντέλο του καθώς και στις κατάλληλες εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα. Στο κεφάλαιο 3, γίνεται περιγραφή του ελέγχου με διπλούς βρόγχους, γίνεται μία σύντομη αναφορά στο PLL και δίνονται οι κατάλληλες εξισώσεις. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη περιγραφή του μοντέλου που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία καθώς και η διαμόρφωση των θεωρητικών εξισώσεων για εφαρμογή στο συγκεκριμένο μοντέλο. Στο κεφάλαιο 4, θα αναφερθούμε στις δομές μετατροπέων για διασύνδεση με ανεμογεννήτριες, καθώς επίσης και στον έλεγχο από την πλευρά της γεννήτριας. Τέλος, γίνεται μια μικρή αναφορά στον έλεγχο ισχύος. Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζουμε το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε με το πρόγραμμα matlab/simulink, τις παραμέτρους καθώς επίσης και γραφικές παραστάσεις που δείχνουν την επίδραση αλλαγών στα διάφορα μεγέθη του μοντέλου, αλλαγών όπως για παράδειγμα η εισαγωγή θορύβου στην dc πηγή ρεύματος ή μια πτώση τάσης του δικτύου. / -

Τα τελευταία χρόνια έχει δημιουργηθεί επιτακτική ανάγκη ανάπτυξης νέων μεθόδων για την παραγωγή ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Οι ενεργειακές απαιτήσεις που καλύπτονται από τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία περιέχουν άνθρακα, έχει σαν αποτέλεσμα την αυξανόμενη απελευθέρωση CO2, γεγονός που ευνοεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την όξινη βροχή. Η εξάρτηση λοιπόν από τις εξαντλήσιμες πηγές ενέργειας, αφού οι ποσότητες των ορυκτών καυσίμων είναι περιορισμένες, και η ρύπανση του περιβάλλοντος, αποτελούν κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη και εκμετάλλευση νέων εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, κατασκευή και υλοποίηση ενός αυτόνομου υβριδικού συστήματος παραγωγής υδρογόνου, ως μια ανανεώσιμη μορφή ενέργειας (ΑΠΕ), εκμεταλλευόμενο την πλεονάζουσα ενέργεια από ΑΠΕ. Το σύστημα περιλαμβάνει μια ανεμογεννήτρια και μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, οι οποίες αποτελούν τις κύριες ενεργειακές πηγές, ενώ μια υδρογονογεννήτρια (ηλεκτρόλυσης) χρησιμοποιείται για τη πλήρωση με υδρογόνο των φιαλών που περιέχουν μεταλλικά υδρίδια. Το αποθηκευμένο υδρογόνο των φιαλών τροφοδοτεί την κυψέλη καυσίμου τύπου PEM. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από το αποθηκευμένο υδρογόνο καλύπτει τις ανάγκες φορτίου τις ώρες αιχμής. Ως εξομοιωτής φορτίου χρησιμοποιήθηκε ρυθμιζόμενη ωμική αντίσταση ισχύος. Συγκεκριμένα στο 1° κεφάλαιο, «Τεχνολογία ΑΠΕ», γίνεται μία γενική αναφορά γύρω από τη διεσπαρμένη παραγωγή, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και το έντονο ενδιαφέρον που έχει παρατηρηθεί τα τελευταία χρόνια παγκοσμίως σε αυτόν τον τομέα. Εξετάζονται οι χρήσεις τους, τα πλεονεκτήματα - μειονεκτήματά τους και η κατάσταση που επικρατεί. Επίσης, παρουσιάζονται οι αρνητικές επιπτώσεις από τη καύση των υδρογονανθράκων, που αποτελούν κύρια πηγή ενέργειας τη σημερινή εποχή. Στο 2ο κεφάλαιο, «Ενέργεια υδρογόνου», γίνεται αρχικά μια σύντομη αναφορά στις ιδιότητες του υδρογόνου όσο και στις τεχνολογίες για την παραγωγή του, δίνοντας έμφαση στην παρασκευή μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, αφού αυτή η μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί. Στη συνέχεια γίνεται παρουσίαση των τρόπων μεταφοράς-διανομής και σύγκριση του υδρογόνου έναντι άλλων συμβατικών πηγών ενέργειας. Τέλος εξετάζονται οι κίνδυνοι που ενέχει ως καύσιμο και τα πλεονεκτήματα του έναντι των μπαταριών ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας. Στο 3ο κεφάλαιο, «Αποθήκευση του υδρογόνου», γίνεται αναφορά σε όλες τις τεχνολογίες αποθήκευσης και δέσμευσης του υδρογόνου, όπως υγροποίηση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, αποθήκευση σε δοχεία υπό υψηλή πίεση και με εισχώρηση σε μεταλλικά υδρίδια. Συγκεκριμένα αναλύεται η χρήση προηγμένων υλικών (μεταλλικά υδρίδια) που είναι το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο 4ο κεφάλαιο, «Κυψέλες καυσίμου», παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου. Ακολουθεί η διάκριση ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη που διαθέτουν καθώς και σύγκριση όλων των τύπων. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην εμπορευματοποίησή τους ανάλογα τον τύπο τους και τέλος παρουσιάζονται οι εφαρμογές τους στη βιομηχανία. Στο 5ο κεφάλαιο, «Αυτόνομο υβριδικό υπό μελέτη σύστημα», γίνεται μια εισαγωγή στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας και στη συνέχεια ακολουθεί μια πιο λεπτομερής περιγραφή στα κύρια στοιχεία του συστήματος (γεννήτρια υδρογόνου, κυψέλη καυσίμου, αντίσταση φορτίου, φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου και εναλλάκτης θερμότητας) που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της εργασίας. Παρακάτω περιγράφεται συνοπτικά η αρχή λειτουργίας ενός τέτοιου υβριδικού συστήματος. Εάν τα φωτοβολταϊκά και η ανεμογεννήτρια παράγουν αρκετή ισχύ, το σύστημα υποστηρίζεται εξολοκλήρου από αυτά. Στην περίπτωση που η ισχύς εξόδου τους ξεπερνάει την επιθυμητή, η πλεονάζουσα ισχύς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή Υδρογόνου, το οποίο μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρξει ανάγκη, στις κυψελίδες καυσίμου. Σε περίπτωση χαμηλού ανέμου και ηλιοφάνειας, ένα μέρος της ισχύος μπορεί να συμπληρωθεί από την ενέργεια που προέρχεται από τις κυψελίδες καυσίμου. Προφανώς, σε τέτοια υβριδικά συστήματα ανεμογεννητριών φωτοβολταϊκών - κυψελίδων καυσίμου, σαν αυτά που μελετώνται στην παρούσα εργασία, οι κυψελίδες καυσίμου λειτουργούν με μεταβλητό ρεύμα. Τέτοιες κυψελίδες καυσίμου, ακόμα δεν διατίθενται στο εμπόριο. Στο τελικό στάδιο της Διπλωματικής εργασίας και συγκεκριμένα στο 6ο κεφάλαιο, «Επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων», υπάρχουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των διαγραμμάτων που προέκυψαν από τις πειραματικές μετρήσεις, καθώς και τα τελικά συμπεράσματα που προκύπτουν. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παρατηρήθηκε ότι το μεταλλικό υδρίδιο κατά την πλήρωση του με υδρογόνου αντιδρά εξώθερμα με συνέπεια να έχουμε αύξηση θερμοκρασίας στη φιάλη (μέγιστο 43 οC). Κατά την απελευθέρωση του υδρογόνου από τη φιάλη υπάρχει ενδόθερμη αντίδραση και ελάττωση της θερμοκρασίας της φιάλης (ελάχιστο -13.2 οC). Τα κυριότερα λοιπόν προβλήματα του συστήματος που παρατηρήθηκαν είναι τα παρακάτω: α) μεγάλες αυξομειώσεις θερμοκρασίας είχαν αρνητικές συνέπειες στην απόδοση του συστήματος β) η μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας υπερβαίνουν τα όρια θερμοκρασιών ομαλής λειτουργίας. Συνεπώς κρίθηκε απαραίτητο (συστήνεται από τον κατασκευαστή) να κατασκευαστεί ένα σύστημα ψύξης (εναλλάκτης θερμότητας) των φιαλών, ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν πιο σταθερό εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας του συστήματος και να αποφευχθούν τα παραπάνω μειονεκτήματα. Το εύρος θερμοκρασιών που επιτεύχθηκε με το σύστημα ψύξης είναι: ελάχιστο 10.3 οC - μέγιστο 29 οC. Επιπλέον διαπιστώθηκε πως με ίδιες αρχικές συνθήκες (φορτίο, πίεση φιάλης, κλπ.) κατά την λειτουργία με τον εναλλάκτη, η κυψέλη καυσίμου παρήγαγε την ίδια ισχύ άλλα για περισσότερη ώρα. Αυτό δεν σημαίνει πως έχουμε μεγαλύτερη ποσότητα υδρογόνου στην φιάλη, άλλα σταθεροποιώντας την θερμοκρασία, επιτυγχάνεται μια πιο ομαλή λειτουργία του συστήματος και κυρίως πιο σταθερή παροχή υδρογόνου στην κυψέλη καυσίμου, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η απόδοση της. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η ταχύτητα απορρόφησης άλλα όχι και η ποσότητα του υδρογόνου που απορροφάται. / During the last years an urgent need to develop new methods for the production of renewable energy was created. The energy requirements covered by the fossil fuels, which contain carbon, result in the increase of the CO2 releases in the atmosphere, a fact that favors the greenhouse effect and acid rain. So the dependence on depletable energy sources like fossil fuels that are limited as well as the pollution of the environment, are driving forces for the development and exploitation of new alternative energies. This thesis deals with the design, construction and implementation of an autonomous hybrid system producing hydrogen as a renewable energy source (RES), exploiting the excess energy from RES. The system includes a wind turbine and a photovoltaic generator, which are the main energy sources, while a hydrogen generator (electrolysis) is used to fill the bottles with hydrogen containing metal hydrides. The bottles of stored hydrogen feeds fuel cell type PEM. The electricity generated from the stored hydrogen meets the needs of the load during peak hours. Simulator was used as load power adjustable resistor. Specifically, in chapter 1, "Technology RES" is a general discussion around the dispersed production, renewable energy sources (RES) and the strong interest that has been observed during the recent years worldwide in this field. As well this chapter considers the uses, advantages - and disadvantages of the situation. It also shows the negative impact from the combustion of hydrocarbons, which are the main source of energy today. In chapter 2, "Hydrogen Energy", as a start, a short report on the properties of hydrogen and technologies for its production, and it emphasizes on the production by electrolysis of water, since this method will be used. Then we present a modal distribution of hydrogen compared to other conventional energy sources. Finally we consider the risks of fuel and its advantages over batteries as energy storage is medium. In chapter 3, "Hydrogen Storage" we refer to all storage technologies and hydrogen binding as liquefaction at very low temperatures, storage containers under high pressure and penetration in metal hydrides. It specifically analyzes the use of advanced materials (metal hydrides) which is the subject of this thesis. In chapter 4, "Fuel Cells" the principle for the operation of fuel cells is presented. Here a distinction is made according to the type of electrolyte and features as well as comparison of all types. Then we refer to the commercialization according to their type and finally present their applications in industry. In chapter 5, "Autonomous hybrid system under study" we introduce to hybrid power systems, followed by a more detailed description of the main elements of the system (hydrogen generator, fuel cell, load resistance, hydrogen storage cylinders and heat exchangers) used for the needs of the job. After that, it summarizes the operating principle of such a hybrid system. If the solar panels and wind turbines generate enough power, the system is supported entirely by them. If the output power exceeds the desired, the excess power can be used to produce hydrogen, which can be stored and used when there is need, in fuel cells. In case of low wind and sunshine, a place of power may be supplemented by the energy from the fuel cells. Obviously, in such hybrid systems, solar wind - fuel cells, such as those studied in this paper, fuel cells operate at variable current. Such fuel cells, is not yet commercially available. In the final stage of the thesis and specifically in Chapter 6, "Processing experimental measurements", we present the results of measurements with the maps and interpretation of charts derived from experimental measurements, and the final conclusions drawn. During the experiments it was observed that the metal hydride during the filling with hydrogen reacts exothermically with the result to have an increase in temperature in the flask (43 ° C maximum). The release of hydrogen from the bottle is an endothermic reaction and it reduces the temperature of the bottle (minimum -13.2 ° C). So the main problems of the system observed are: a) The large temperature fluctuations had a negative impact on system performance b) The maximum and minimum operating temperatures exceed the temperature limits of normal operation. It was therefore necessary (recommended by manufacturer) to construct a cooling system (heat exchanger) for the bottles in order to have as far as possible stable operating range of the system and to avoid the above disadvantages. The temperature ranges that were achieved with the cooling system are: minimum 10.3 ° C and maximum 29 ° C. Furthermore it was found that with the same initial conditions (load, pressure bottle, etc.) during operation with the alternator, the fuel cell produced the same effect but for longer. This does not mean that we have a greater amount of hydrogen in the bottle, but by stabilizing the temperature, a more smooth operation of the system and especially more stable supply of hydrogen in the fuel cell is achieved, thereby increasing the performance. In this way, we improve the rate of absorption but not the amount of hydrogen absorbed.

Made available in DSpace on 2016-05-17T16:51:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-10-20. Added 1 bitstream(s) on 2016-05-17T16:55:28Z : No. of bitstreams: 1 000864141.pdf: 2474920 bytes, checksum: 0df8cf23c83271ed498848b27a4c4cdc (MD5) / Com a motivação existente pela necessidade de crescimento das novas fontes de energia alternativas, bem como pelos avanços das tecnologias para os sistemas de conversão de energia, o presente estudo propõe a utilização do conversor integrado três estados Buck-Boost monofásico para o aproveitamento da energia proveniente dos sistemas solares fotovoltaicos. Os sistemas de painéis fotovoltaicos fornecem tensões contínuas, contudo, a grande maioria de aparelhos ou cargas de uso domiciliar necessita de tensões alternadas, com valores eficazes nominais de 127 V ou 220 V, no Brasil. Isso leva à necessidade do estudo de estruturas conversoras CC-CA, conhecidas como inversores. Considerando que as tensões alternadas fornecidas pelos inversores encontram-se dependentes do valor máximo da tensão de entrada, é indispensável a inclusão de um estágio elevador no sistema geral, antes de fornecer energia para as cargas, resultando, assim, em uma redução no rendimento, devido à quantidade de componentes, ao aumento de peso e ao volume. Nesta dissertação, o inversor estudado realiza, em uma única estrutura, a função do estágio elevador ou redutor, garantindo níveis reduzidos de distorção harmônica na corrente injetada e tensão de saída no modo ilhado, com um bom rendimento, fornecendo energia para cargas conectadas em modo de operação ilhado ou conectado à rede. Neste conversor, o sistema de chaveamento de três estados proporciona uma melhora das características dinâmicas. A adição do terceiro estado simplifica o controle por modo tensão, na medida em que elimina o zero presente no semiplano direito da função de transferência do conversor Buck-Boost convencional. Para o desenvolvimento das estratégias de controle, adotou-se o modelo matemático por valores médios instantâneos, em espaço de estados. Adicionalmente, foi realizada uma revisão e avaliação de alguns dos algoritmos de MPPT (Maximum Power Point... / The current motivation of growing need for new alternative energy sources, as well as by improvements in technologies for energy conversion systems, this study proposes the use of the single-phase tri-states Buck-Boost integrated converter for the use of energy from solar photovoltaic systems. Photovoltaic systems provide DC voltages and, on the other hand, the large majority of machines or domestic use loads require alternating voltage with RMS values of 127 V or 220 V in Brazil. This points out to the need to study of DC-AC converter structures, known as inverters. Due to the limitation that the alternating voltage supplied by the inverters are dependent on the maximum value of the input voltage, the inclusion of an elevator stage in the general system is necessary, before providing power to the load, thus resulting in a reduction in the performance by the number of components, increased weight and volume. In this dissertation, the studied inverter performs, in a single structure, the functions of the elevator stage or reducer stage, also performs the continues in alternating voltage conversion function, ensuring reduced levels of harmonic distortion in the current injected to the main grid and the output voltage in islanding mode, with an increase performance in the output voltage, and that should provide power to loads connected in both modes islanding or grid connected. In the presented converter, the switching system of three states has improved the behavior of dynamic characteristics due to the addition of the third estate, simplifying the control by eliminating the zero present in the right half-plane of the transfer function of Buck-Boost inverter, controlled in voltage mode. For the development of control strategies is adopted the mathematical model for instantaneous average values. The modeling of the structure is made by the mean values method in the state spaces. Additionally, is carried out a review and assessment of some ...

Over the last 4 years, perovskite solar cells emerged as an attractive, highly efficient, and low-cost alternative to established, conventional photovoltaic technologies. The power conversion efficiency of these devices recorded an unprecedented rise, currently exceeding certified values of 20%. This thesis covers a number of technological advancements which lead to improved photovoltaic performance, as well as vital insight into some more fundamental aspects of the perovskite device operation. The focus of this body of work is primarily directed towards the electric contact in the PV stack which is responsible for electron collection. The motivation of the study presented here is given in Chapter 1, and includes a brief summary of the current energy landscape. Chapter 2 introduces the theoretical background of photovoltaic technology, starting from the basics of semiconductor physics, through to the principles of solar cell operation, as well as some characteristic properties of the perovskite materials. Details of the experimental methods used in this study are reported in Chapter 3. Chapter 4 reports the development of a low temperature process (sub-150 °C) for the manufacture of perovskite solar cells. Dispersions of pre-synthesised, highly crystalline TiO2 nanoparticles were used as an electron selective contact, which eliminated the high temperature sintering step. Chapters 5, 6 and 7, report the interface modification of an n-type contact, resulting in a substantially improved device operation and suppression of hysteresis phenomenon which is characteristic of perovskite photovoltaics. Fullerene-based materials have been found to make excellent electronic contact with halide perovskite materials, and are shown to be far superior to commonly used metal oxides. The facilitated electron collection allows enhancements in the photovoltaic performance of these devices. Furthermore, the organic layers used in this study can be processed at low temperatures. Finally, the development of transparent conductive electrodes based on silver nanowires is presented in Chapter 8. The fabricated electrodes exhibit low sheet resistance, high degree of transparency, and can be processed at low temperatures, allowing them to be compatible with processing on flexible substrates and multi-junction architectures. The application of silver nanowires in different perovskite solar cell architectures is also reported.

This thesis describes the research undertaken to formulate a systematic chemical kinetic mechanism reduction scheme to generate compact yet comprehensive chemical kinetic models for diesel and biodiesel fuels, for multi-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) applications. The integrated mechanism reduction scheme was formulated based on the appraisal of various existing mechanism reduction techniques. It consists of five stages including Directed Relation Graph (DRG) with Error Propagation method using Dijkstra’s algorithm, isomer lumping, reaction path analysis, DRG method and adjustment of reaction rate constants. Consequently, a single-component diesel surrogate fuel model with only 79 species (i.e. n-hexadecane (HXNv2)) and a multi-component biodiesel surrogate fuel model (i.e. methyl decanoate/methyl-9-decenoate/n-heptane (MCBSv2)) with only 80 species were successfully derived from their respective detailed mechanisms, which contain thousands of species and elementary reactions. Here, both auto-ignition and jet-stirred reactor (JSR) conditions were applied as the data source for mechanism reduction. An overall 97 % reduction in mechanism size in terms of total number of species as well as an average 97 % reduction in computational runtime in zero-dimensional (0-D) chemical kinetic simulations was achieved. Both HXNv2 and MCBSv2 were also comprehensively validated in 0-D simulations in terms of ignition delay (ID) timings and species concentration profiles. Good agreement between the predictions and measurements was obtained throughout the test conditions. Subsequently, HXNv2 and MCBSv2 were integrated into the OpenFOAM-2.0.x solver to simulate spray combustion in a constant volume combustion chamber. The simulation results were validated against the experimental data of no.2 Diesel Fuel (D2) for diesel combustion and Soy Methyl Ester for biodiesel combustion. It was found that MCBSv2 was able to capture the combustion and soot formation events reasonably well. However, further refinement on HXNv2 was essential to improve the complex soot formation predictions. Fuel blending was then suggested to match the diesel fuel kinetics and compositions. As a result, two different versions of multi-component diesel surrogate fuel models were produced in the form of MCDS1 (HXNv2 + 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonane (HMN)) and MCDS2 (HXNv2 + HMN + toluene + cyclohexane). All the fuel constituent reduced mechanisms and the integrated mechanisms were extensively validated in 0-D simulations under a wide range of shock tube and JSR conditions. Successively, the fidelity of the multi-component diesel surrogate fuel models was evaluated in two-dimensional spray combustion simulations. The computations were compared with the experimental data of D2 fuel. MCDS1 was found to be useful for simulations with less aromatic chemistry effects. In contrast, MCDS2 was a more appropriate surrogate model for fuels with aromatics and cyclo-paraffinic contents. Following that, fidelity of MCDS2 and MCBSv2 was further assessed in three-dimensional internal combustion engine simulations. The performance of the surrogate models was compared under the same operating conditions in a light-duty, direct injection diesel engine. The computed peak pressure and heat-release rate for biodiesel combustion were lower than diesel owing to the advanced ignition timing. The soot formation of biodiesel was also found to be 1.4 times lower than diesel due to oxygenated effects. Overall, the integrated reduction scheme proves to be an attractive approach for large-scale mechanism reduction to reduce the computational time-cost as well as to expedite multi-dimensional CFD computations.

Public support for renewable energy projects is important in transitioning towards a more sustainable energy system. However, the literature investigating local energy acceptability has predominantly focused on understanding local opposition to single (wind) energy projects. As a result, it has relatively little to say about the construction of support for such projects, and about the relative acceptability of other local contributions to sustainability. Also, by focusing on oppositional responses to energy projects, the willingness and ability of local communities to contribute constructively to the design of locally-supported energy developments has also been overlooked by many previous studies. In response to these limitations, this research adopted a focus on early stage ‘upstream’ deliberation of multiple local energy alternatives, using the British island of Guernsey as a case study. Informed by social representations theory, three studies investigated how potential future offshore wind, tidal and wave energy projects were represented by Guernsey residents to threaten, enhance or fit place-related values and meanings associated with Guernsey and its coast and sea. Working collaboratively with the Guernsey government’s Renewable Energy Team, a mixed methods approach with a focus on participatory, visual methods was adopted, including auto-photography (Study 1), deliberative focus groups (Study 2) and a questionnaire survey (Study 3). The research found Guernsey and its coast and sea to be meaningful to local residents in many ways and at different scales, including as a unique island in need of more independence, with a coast that is valued for its quietness, wildlife, leisure opportunities, tides, natural beauty and as a space for exploration. Public understandings of tidal and wave energy as a local energy option were highly diverse, and subsequently some but not all local offshore renewable energy options were represented as ‘fitting’ these place-related meanings. In particular, the notion of Guernsey’s local distinctiveness was found to be important; tidal energy projects were represented as enhancing this distinctiveness, while offshore wind energy was instead portrayed as making Guernsey more like everywhere else. Overall, local energy acceptance at such an upstream stage was found to depend to a substantial extent on the technology chosen, the selected site for the project, and on how the project is interpreted relationally within a context of wider energy systems, policies and the perceived availability of (more appealing) local alternatives. This thesis suggests that adopting an upstream, visual, place-based approach could be one way to both achieve a better academic understanding of the acceptability of local energy projects, and to contribute to the development of more acceptable energy development practices in the future.

The depletion of fossil fuels and the increasing energy demand for energy has led to the search for better and improved technologies with special focus renewable energy, especially solar cells. The first generation solar cells based on silicon are expensive, hence dye sensitized solar cells come in as a better alternative as these solar cells are environmental friendly, they have moderately good conversion efficiency and they are relatively cheap to produce. Dithiocarbamate ligands have been widely used in many research fields, as these are versatile ligands. Coordination of dithiocarbamates with metals such as ruthenium has produced high conversion efficiency and have the ability to extend the MLCT absorptions, and this can further extend their wavelength. In this study five dithiocarbamate sodium salt ligands were prepared and were coded as FL1= Aniline, FL2= p- toluidine, FL3= p- anisidine, FL4=dibenzyl, FL5=diphenyl. These ligands were used to synthesize Ru(II) metal complexes which were formulated as [Ru(FLx)(dcbpy)(NCS)] and [Ru(FLx)2(dcbpy)] where FLx is the dithiocarbamate ligand and dcbpy is 2,2-bipyridine-4,4’-dicarboxylic acid and the complexes were coded as FCx. The synthesized compounds were characterized using techniques such as the melting point, molar conductivity, FT-IR and NMR spectroscopy. For spectroelectrochemical studies of the metal complexes, techniques such as UV-Vis and photoluminescence spectroscopy were carried out. Furthermore, redox properties of the complexes were analyzed using cyclic and square wave voltammetry. The FT-IR displayed all the expected peaks of interest both in the dithiocarbamate ligands and in the metal complexes. The electronic spectra confirmed the successful coordination of ligand to the metal centre, the electronic spectra of the complexes also confirmed the six coordinate octahedral geometry of the complexes. The complexes exhibited some photoluminescence properties that are suitable for dye sensitization. The cyclic voltammogram of the complexes displayed more reduction potentials that could be attributed to the π-conjugation in the ligands incorporated during synthesis. The square wave voltammogram of the complexes is in agreement with the results obtained in cyclic voltammetry.