Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μιας διάταξης ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού η οποία συνδέεται μέσω dc διασύνδεσης με το δίκτυο. Τη dc διασύνδεση τη δημιουργεί ένας dc πυκνωτής και από την πλευρά της μηχανής υπάρχει ένας ac/dc πλήρως ελεγχόμενος ανορθωτής ισχύος ενώ από την πλευρά του δικτύου βρίσκεται ένας dc/ac πλήρως ελεγχόμενος αντιστροφέας ισχύος. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετήσουμε θεωρητικά το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια προχωρούμε στον υπολογισμό των εξισώσεων στο χώρο κατάστασης και τέλικά προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού Matlab και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. / The present thesis deals with the study of provision of wind generator with inductive machine of which is connected via dc interconnection with the network. A dc capacitor creates the dc interconnection with the network.The aim of this work is initially to study theoretically the total system of wind generator using the transformation Park for its modelling in the d-q frame of report. Afterwards we advance in the calculation of equations in the space of situation and finally we propose a system of control which is based on PI controllers. Finally, we simulate the system with the help of the Simulink application of Matlab and studying the results, we export the proportional conclusions.

Κατά τη μελέτη ηλεκτρικών μεγεθών υπό μη ημιτονοειδείς συνθήκες ιδιαίτερο αντικείμενο μελέτης αποτελούν τα φαινόμενα που σχετίζονται με την ισχύ. Οι γνωστές προσεγγίσεις για την ισχύ σε ημιτονοειδείς καταστάσεις δεν επαρκούν και είναι εσφαλμένες. Η παρουσία ανώτερων αρμονικών, καθώς και επίσης η ασυμμετρία τάσεων και ρευμάτων μας οδηγούν σε μία διαφορετική προσέγγιση της ηλεκτρικής ισχύος. Είναι φανερό λοιπόν γιατί έχει προκύψει η ανάγκη να ορισθούν ορθά οι συνιστώσες ισχύος ώστε να: 1) Περιγράψουμε τα φυσικά φαινόμενα ισχύος και τις ιδιότητες των κυκλωμάτων παρουσία αρμονικών 2) Αντισταθμίσουμε κάποιες συνιστώσες ώστε να επιτύχουμε διόρθωση του συντελεστή ισχύος 3) Μετρηθούν κάποιες ποσότητες για τη διαμόρφωση κατάλληλου τιμολογίου ηλεκτρικής ενέργειας 4) Καθορισθούν δείκτες για την επίπτωση αρμονικών στον εξοπλισμό Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τα άνωθεν και περιλαμβάνει τα ακόλουθα κεφάλαια: Το κεφάλαιο 1 αποτελεί μια γενική εισαγωγή του θέματος που πραγματεύεται η παρούσα διπλωματική εργασία Το κεφάλαιο 2 ασχολείται με τη παρουσία αρμονικών στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Το κεφάλαιο 3 και 4 ασχολείται με την ισχύ σε ημιτονοειδή και μη ημιτονοειδή μονοφασικά κυκλώματα αντιστοίχως Τα κεφάλαια 5 έως 10 παρουσιάζουν τις κυριότερες θεωρίες ισχύος σε μονοφασικά συστήματα παρουσία αρμονικών Συγκεκριμένα, το κεφάλαιο 5 ασχολείται με τη μέθοδο BUDEANU, το κεφάλαιο 6 με τη μέθοδο FRYZE, το κεφάλαιο 7 με τη μέθοδο SHEPHERD-ZAKIKHANI, το κεφάλαιο 8 με τη μέθοδο CZARNECKI, το κεφάλαιο 9 με τη μέθοδο IEEE και τέλος το κεφάλαιο 10 με τη μέθοδο της ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ Τέλος, το κεφάλαιο 11 παρουσιάζει τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη παρούσα διπλωματική εργασία / When studying electrical quantities under nonsinusoidal conditions are particularly studied the phenomena related to the force. Major approaches to power in sinusoidal conditions are inadequate and incorrect. The presence of higher harmonics and also the asymmetry of voltages and currents lead us to a different approach of power. It is obvious, then, why the need has arisen to define correctly the power components to: 1) Describe physical phenomena and power properties of circuits in the presence of harmonics 2) Offsetting components to achieve power factor correction 3) Measure some quantities to formulate appropriate energy tariff 4) Determine the impact indicators for harmonic equipment This thesis addresses the above and includes the following chapters: Chapter 1 provides a general introduction to the topic discussed in this thesis Chapter 2 deals with the presence of harmonics in power systems Chapter 3 and 4 deal with the power in sinusoidal and non-sinusoidal single-phase circuits respectively Chapters 5 to 10 are the main theories of power in single-phase systems in the presence of harmonics Specifically, Chapter 5 deals with the method BUDEANU, Chapter 6 deals with the method FRYZE, chapter 7 deals with SHEPHERD-ZAKIKHANI, Chapter 8 deals with method CZARNECKI, Chapter 9 deals with method IEEE and finally Chapter 10 deals with method of GEOMETRIC ALGEVRA Finally, Chapter 11 presents the conclusions from this thesis

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας που κατασκευάσθηκε από το συνάδελφο Ι.Γκαρτζώνη και μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αυτός ο αντιστροφέας αποτελεί και ένα από τα κύρια τμήματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, αναλύονται οι προοπτικές σήμερα, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μονοφασικού αντιστροφέα και κυρίως στη μέθοδο παλμοδότησης, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη διαφόρων μεθόδων ελέγχου της ροής ισχύος του αντιστροφέα και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα και των μεθόδων ελέγχου που μελετήθηκαν. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / This thesis deals with the study of a 1kW wind power system, which consists of a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator (PMSG), a rectifier diode bridge in its output and is linked to the low AC voltage power network, through two voltage converters. It is mainly concerned with the construction of the main single-phase inverter which is incorporated in the said topology. This research was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering, at the Faculty of Engineering, of the University of Patras. The ultimate aim of this work is the overall construction of a two-tier arrangement in order to interconnect the wind turbine with the low voltage power network. These provisions include a first stage, where an algorithm of finding the maximum power point of the wind turbine (MPPT) is executed and is consisted by one boost converter (DC/DC), made by my colleague, I.Gkartzonis, and a second stage that converts the DC voltage to AC voltage (inverter), maintaining a constant voltage across the capacitor interface interposed between the two tiers with control of active power injected into the grid, while generating current, inphase to the grid voltage (unity power factor). Initially, the advantages and challenges in exploiting the renewable energy sources, especially wind power, are analyzed; and today’s perspectives are seen as well. We also disclose technologies of interconnecting wind turbine technologies to the high, medium and low voltage networks, aiming to provide a complete presentation of the studied subject. We then present a theoretical analysis of all involved topology units. Particular emphasis is placed on the analysis of the inverter operation and especially the monophasic pulsing method, also known as "Sinusoidal Pulse Width Modulation" (SPWM). The next step was the sizing of the entire system, the study of different methods to control the flow of the power inverter and the subsequent simulation of the single-phase inverter and the control methods that were studied. We conclude by analyzing the technical characteristics of the inverter constructed, and the circuits that consist it and describe the production process of the microcontroller programming code and the techniques used to set the pulses. We also cite oscillator graphs and measurements, obtained from the experiments conducted after the completion of the said construction in the lab.

Το μεγαλύτερο μέρος της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας από τα φωτοβολταϊκά (φβ) κύτταρα δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό αλλά σε θερμότητα, η οποία συντελεί στην αύξηση της θερμοκρασίας τους με συνέπεια την μείωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης. Η απαγωγή της θερμότητας από τα φβ πλαίσια βοηθά όχι μόνο στη μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας τους αλλά μπορεί και να αξιοποιηθεί αυξάνοντας τη συνολική ενεργειακή τους απόδοση. Τα ηλιακά συστήματα που έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν τόσο ηλεκτρική όσο και θερμική ενέργεια είναι τα υβριδικά φωτοβολταϊκά / θερμικά (φβ/θ ή PV/T) συστήματα, τα οποία αναπτύσσονται τελευταία και έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται σε επιδεικτικές εφαρμογές.Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από μία σχεδίαση ηλιακού υβριδικού φωτοβολταϊκού/θερμικού (φβ/θ ή PV/T) συστήματος, το οποίο αποτελείται από διάταξη απαγωγής της θερμότητας, με κυκλοφορία νερού. / Photovoltaic thermal hybrid solar collectors, sometimes known as hybrid PV/T systems or PVT, are systems that convert solar radiation into thermal and electrical energy. These systems combine a photovoltaic cell, which converts electromagnetic radiation (photons) into electricity, with a solar thermal collector, which captures the remaining energy and removes waste heat from the PV module. The capture of both electricity and heat allow these devices to be more overall energy efficient than solar photovoltaic (PV) or solar thermal alone. In this work the PV/T system was studied with working fluid the water.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή εργαστηριακής διάταξης για προσομοίωση συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη και η κατασκευή διάταξης με χρήση ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα και ενός τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης, για να λειτουργήσει η μηχανή σαν γεννήτρια σε υποσύγχρονες ταχύτητες. Πρόκειται για ένα σύστημα που συναντάται στις ανεμογεννήτριες και προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα και ευελιξία σε σχέση με της άλλες τοπολογίες. Αρχικά έγινε μια εκτενής μελέτη της λειτουργικής συμπεριφορά της διάταξης καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζει. Το πλήρες σύστημα της ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει την ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα με το τύλιγμα του στάτη της συνδεδεμένο στο δίκτυο και το τύλιγμα του δρομέα συνδεδεμένο με έναν μετατροπέα AC-DC-AC συχνότητας με ηλεκτρονικά ισχύος. Ο μετατροπέας AC-DC-AC αποτελείται από δύο επιμέρους ελεγχόμενους μετατροπείς, το μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου και τον μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα, και έναν πυκνωτή στη συνεχή διασύνδεση των δύο μετατροπέων. Ακόμα γίνεται καταγραφή και ανάλυση των μεθόδων ελέγχου κλειστού βρόχου, οι οποίες αποτελούν μεγάλο κομμάτι για την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Έπειτα ακολούθησε η προσομοίωση του συστήματος με χρήση του λογισμικού MATLAB/Simulink. Τα αποτελέσματα της προσομοιώσης παρουσιάζουν τη λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής σαν γεννήτρια και ειδικότερα σαν ανεμογεννήτρια. Τόσο στην προσομοίωση όσο και στα πειράματα έγινε έλεγχος ανοιχτού βρόχου αν και η κατασκευή των πλακετών έγινε με προσανατολισμό να καθιστά εφικτό μελλοντικά την υλοποίηση ελέγχου κλειστού βρόχου. Τέλος ακολουθούν οι μετρήσεις, που καταγράφηκαν, από το εργαστηριακό πείραμα και τα συμπεράσματα για την λειτουργία της κατασκευής, καθώς επίσης και τρόποι βελτίωσης της. / This thesis is focused on the design and construction of laboratory layout to simulate the conversion of wind energy into electricity with wound rotor asynchronous generator and power electronic converters. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, Faculty of Engineering, University of Patras. The main purpose of this project was to study and build a system using a wound rotor asynchronous generator and a three-phase voltage source inverter to operate the machine as a generator in subsynchronous speeds. This system is commonly used in wind turbines and offers many advantages and flexibility compared to the other topologies. Initially, an extensive study has been made on the system operation, the advantages and disadvantages. The overall wind turbine system includes the wound rotor asynchronous generator with the stator winding connected directly to the grid and the rotor winding connected to a back-to-back frequency converter with power electronics. The back-to-back converter consists of two controlled converters, the grid side converter (GSC) and the rotor side converter (RSC) and a DC-link capacitor. Furthermore, it has been made a detail analysis of the converter’s closed loop control methods. Moreover, simulation of the system has been made using the software program MATLAB/Simulink. The results of the simulations clearly show the asynchronous machine in generation mode and operate as if in wind turbines. An open loop control was applied in both the simulation and the laboratory application. The manufacturing of the hardware is oriented to make possible the implementation of closed loop control in the future. Finally follow the measurements recorded by the laboratory experiment and the conclusion for the operation of the system in the laboratory, as well as ways to improve it.

Osteoporosis is a disease of the bones. It is often called the “silent disease," because someone could have it now or be at-risk without even realizing it. As a result, bones become weak and can break from a minor fall or, in serious cases, even from simple actions, like sneezing or bumping into furniture. Breaking a bone is often the first clue that someone suffers from osteoporosis. The diagnosis of osteoporosis can be made using conventional radiography and by measuring the Bone Mineral Density (BMD). The most popular method of measuring BMD is Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DXA). In conventional methods the measurement of bone does not give information about the bone quality but for the bone quantity. A non-invasive method that will have the ability to determine the bone quality is of interest. Such a method will contribute to the prediction or even the prevention of bone malfunction. In this study, two quality parameters, that are designed to contribute to improved diagnostic methods of osteoporosis, are determined. Those bone quality parameters are the Calcium/Phosphate (Ca/P) and Hydroxyapatite/Collagen (HAp/Col) ratios. The algorithm developed allows us to trace the spectral changes which take place when an x-ray beam passes through filters based on the Lambert and Beer’s law. A large number of filters were applied to spectra so as to obtain pseudo-monoenergetic spectra. The optimum energy pair would derive from two quasi-monoenergetic spectra with sufficient number of photons which will result in the minimization of the Coefficient of Variation (CV) of the aforementioned ratios. Dual Energy x-ray method is used in order to obtain this energy pair. Both Single and Double exposure techniques are used. / Η οστεοπόρωση είναι μια ασθένεια των οστών. Συχνά αποκαλείται ως η «αθόρυβη ασθένεια», καθώς κάποιος δεν αντιλαμβάνεται ότι νοσεί από αυτή. Σαν αποτέλεσμα της ασθένειας αυτής, τα οστά αδυνατίζουν και μπορεί να σπάσουν ακόμα και με ένα πολύ μικρό πέσιμο, ή ακόμα στις πιο σοβαρές περιπτώσεις, ακόμα και με ένα φτέρνισμα ή ένα χτύπημα στα έπιπλα. Η θραύση ενός οστού είναι το πρώτο σύμπτωμα της εμφάνισης της οστεοπόρωσης. Η διάγνωση της οστεοπόρωσης μπορεί να γίνει με τη συμβατική ακτινογραφία και μετρώντας την πυκνότητα των οστικών αλάτων (BMD). Η πιο διαδεδομένη μέθοδος μέτρησης του BMD είναι η DXA. Στην παρούσα μελέτη, υπολογίστηκαν δύο ποιοτικοί παράμετροι , ο λόγος ασβεστίου-φωσφόρου (Ca/P) και ο λόγος υδροξυαπατίτη- κολλαγόνου (HAp/Col). Πραγματοποιήθηκε αλγόριθμος στον οποίο έγινε χρήση διαφόρων φίλτρων έτσι ώστε να τροποποιηθούν τα φάσματα ακτίνων-Χ και να αποκτηθούν σχεδόν μονοενεργειακά φάσματα. Επιπλέον χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές μονής και η διπλής έκθεσης.

Στο παρόν πόνημα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα έρευνας σχετικής με το σχεδιασμό, εφαρμογή και αξιολόγηση μιας διδακτικής ακολουθίας για την έννοια της ενέργειας η οποία απευθύνεται σε μαθητές/ριες της Δ΄ τάξης του ελληνικού δημοτικού σχολείου. Η διδακτική αυτή ακολουθία βασίζεται στις αρχές της «καινοτομικής» και «εποικοδομητικής» προσέγγισης για τη διδασκαλία και μάθηση των φυσικών επιστημών και εξετάζονται αφ’ ενός τα επιστημολογικά χαρακτηριστικά του εννοιολογικού περιεχομένου της ακολουθίας αυτής και αφ’ ετέρου αν μπορεί να οδηγήσει μαθητές/τριες αυτής της εκπαιδευτικής βαθμίδας να εμφανίσουν γνωστική πρόοδο στο συγκεκριμένο θέμα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, εκτιμάται ότι το «μοντέλο των ενεργειακών αλυσίδων» αποτελεί ένα επιστημολογικά έγκυρο, συμβατό προς τις γνωστικές δυνατότητες των παιδιών και διδακτικά αποτελεσματικό διδακτικό μετασχηματισμό της επιστημονικής γνώσης σε σχολική γνώση. Πιο συγκεκριμένα, παρέχονται ενδείξεις σύμφωνα με τις οποίες οι μαθητές/τριες μετά το πέρας της διδακτικής παρέμβασης είναι δυνατόν να οικοδομήσουν ένα ενεργειακό μοντέλο με το οποίο: (α) να περιγράφουν χρησιμοποιώντας την έννοια της ενέργειας, τη λειτουργία απλών τεχνολογικών συστημάτων όπου εμπλέκονται ηλεκτρικά φαινόμενα, (β) να αναγνωρίζουν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και να είναι σε θέση να τις αξιοποιούν (γ) να περιγράφουν, εξηγούν και προβλέπουν την ενεργειακή συμπεριφορά οικιακών τεχνολογικών συστημάτων. / In this thesis, the results of a research concerning the planning, application and evaluation of a teaching sequence as far as the concept of energy is concerned, are featured. This teaching sequence is addressed to forth grade pupils of Greek primary schools and it relies on the principles of ‘innovative’ and ‘constructive’ approach for the teaching and learning of science. On one hand, the epistemological features of the conceptual content of the sequence are being examined and on the other hand, it is argued whether pupils can be led to developing cognitive progress on this specific issue. According to the findings of this research, it is estimated that the ‘model of energy chains’ is scientifically valid and compatible to the cognitive capabilities of the pupils. It is an effective teaching model which transforms the scientific knowledge into school knowledge. More specifically, there are indications that the pupils, after completing this teaching course are capable of developing an energy model which is both qualitative and quantitative, so as to be able to: (a) describe the function of simple technological systems which include electrical phenomena, by using the concept of energy, (b) to recognize renewable energy and be able to utilize them (c) describe, explain and predict the energy behaviour of domestic technological systems.

Στην παρούσα διατριβή δοκιμάστηκαν καινοτόμα υλικά ως προς τις δυνατότητές τους να χρησιμοποιηθούν σε διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό. Τα συμβατικά ηλιακά στοιχεία, τα αποκαλούμενα και φωτοβολταϊκά πρώτης γενιάς, αποτελούνται από κρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο με κατάλληλες προσμείξεις παράγει ηλεκτρισμό αξιοποιώντας τη φωτοβόληση μιας επαφής p-n. Στην κατεύθυνση αντικατάστασης των συμβατικών ηλιακών στοιχείων έχει προταθεί η κατασκευή κυψελίδων με νανοδομημένα υλικά τα οποία μπορούμε να επιστρώσουμε υπό τη μορφή λεπτών υμενίων. Στην κατεύθυνση αυτή, στην παρούσα διατριβή κατασκευάστηκαν τρεις τύποι τέτοιων ηλιακών στοιχείων: Φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες, ευαισθητοποιημένες είτε μέσω οργανομεταλλικών χρωστικών είτε μέσω ανόργανων νανοκρυστάλλων (Κβαντικές τελείες), υβριδικές κυψελίδες στερεού τύπου, επίσης ευαισθητοποιημένες τόσο μέσω οργανομεταλλικών χρωστικών όσο και μέσω κβαντικών τελειών και τέλος, φωτοκυψέλες καυσίμου (PEC). Η δομή των συστημάτων αυτών σε γενικές γραμμές συμπεριλαμβάνει: (α) το ηλεκτρόδιο ανόδου (φωτοάνοδος), το οποίο αποτελείται από έναν ημιαγωγό ευρέως χάσματος, όπως η τιτάνια, και από τον ευαισθητοποιητή, (β) το ηλεκτρόδιο καθόδου (αντιηλεκτρόδιο) το οποίο εμπλέκει κατά κανόνα κάποιο ευγενές μέταλλο με μεγάλο έργο εξόδου, και (γ) τον ηλεκτρολύτη που εμπεριέχει το κατάλληλο οξειδοαναγωγικό ζεύγος. Στην περίπτωση των ηλιακών στοιχείων στερεού τύπου, ο ηλεκτρολύτης αντικαθίσταται με κάποιο άλλο υλικό, οργανικό ή ανόργανο το οποίο ολοκληρώνει τη δομή και λειτουργία της συσκευής. Καθώς το ηλιακό φως προσπίπτει στην κυψελίδα, φωτόνια απορροφούνται από τα ημιαγώγιμα στρώματα, την τιτάνια, την χρωστική ή τις κβαντικές τελείες, ανάλογα με τη δομή της κυψελίδας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την απορρόφηση των φωτονίων από τα ηλεκτρόνια, τη διέγερση των ηλεκτρονίων αυτών στη ζώνη αγωγιμότητας, την δημιουργία οπών στη ζώνη σθένους στη θέση των ηλεκτρονίων, και εν τέλει τη δημιουργία προϋποθέσεων κυκλοφορίας των iv φορέων ανάμεσα στα υλικά με στόχο την συλλογή τους εξωτερικά και την αξιοποίηση του παραγόμενου (φωτο)ρεύματος. Οι δικές μας παρεμβάσεις αφορούν στην κατασκευή και χαρακτηρισμό ηλιακών στοιχείων καθώς και στη σύνθεση και χαρακτηρισμό καινοτόμων υλικών προκειμένου να αξιοποιηθούν σε ηλιακά στοιχεία στην κατεύθυνση βελτιστοποίησης της απόδοσης αυτών. Στις ευαισθητοποιημένες μέσω χρωστικής, φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες δοκιμάστηκε η χρήση του PEDOT ως ηλεκτροκαταλύτη στην κάθοδο, με σκοπό την αντικατάσταση του Pt, υλικού σπάνιου και ακριβού. Έπειτα δοκιμάστηκε η χρήση συνδυασμού ανόργανων νανοκρυστάλλων, CdS, CdSe, ZnS για την ευαισθητοποίηση του ημιαγωγού στο ορατό φάσμα της ακτινοβολίας, αντί των οργανομεταλλικών χρωστικών. Στις κυψελίδες αυτές επίσης χρησιμοποιήθηκαν τόσο CuS όσο και CoS ως ηλεκτροκαταλύτες στην κάθοδο. Στα ηλιακά στοιχεία στερεού τύπου οι παρεμβάσεις έγιναν τόσο με την προσθήκη πρόσθετων ουσιών με σκοπό την αύξηση της κινητικότητας των φορέων όσο και στην χρήση ανόργανων ευαισθητοποιητών, παράλληλα με την προσθήκη θυσιαστήριων ουσιών προς αντιμετώπιση των φαινομένων οξείδωσης. Τέλος στις φωτοκυψέλες καυσίμου δοκιμάστηκε η χρήση πολυπυρρολίου στην κάθοδο, επικεντρώνοντας και εδώ στην αντικατάσταση του λευκόχρυσου. / In this thesis, novel materials were tested for their potential use in devices that convert solar energy into electricity. The conventional first generation photovoltaic cells consist of crystalline silicon, which with suitable impurities generates electricity utilizing a p-n contact. In the direction of replacing those conventional solar cells, has been proposed the construction of solar cells with nanostructured materials, which can be applied as thin films. In this thesis we constructed three types of such cells: photoelectrochemical cells sensitized either by organometallic dyes or through inorganic nanocrystals (quantum dots), hybrid solid state solar cells also sensitized both through organometallic dyes and through inorganic nanocrystals and finally photofuel cells (PEC). The structure of these systems generally includes: (a) the anode electrode, which consists of a wide gap semiconductor such as titania or zinc oxide and the sensitizer (b) the cathode (counter electrode) which is normally a noble metal with a large work function, and (c) the electrolyte, which comprises a suitable redox couple. In the case of the solid type solar cells, the electrolyte is replaced with a solid state hole conductor, organic or inorganic, which completes the structure and operation of the device. As sunlight falls on the cell, photons are absorbed by the semiconductor layer, titania, the dye or the quantum dots depending on the structure of the cell. This results in the absorption of photons by the electrons, the excitation of these electrons in the conduction band, creating holes in the valence band, ,and ultimately the creation of charge mobility conditions for the carriers between the combined materials with the purpose to collect them externally and to utilize the produced (photo) current. Our own interventions were related with the test of novel materials in the mentioned solar cells in the direction of the optimization of their performance. In the case of dye sensitized solar cells, PEDOT was tested as the cathode electrocatalyst, towards the replacement of Pt, a rare and expensive material. Then we tried to use a combination of inorganic nanocrystals, CdS, CdSe, ZnS to sensitize the semiconductor in the visible range of radiation in substitution of the organometallic dyes. In the case of quantum dot sensitized solar cells, we also used both CuS and CoS as cathode electrocatalysts. In hybrid solid state solar cells, interventions were made by adding additives in the direction of increasing the mobility of carriers. We also used inorganic sensitizers while adding sacrificial substances to deal with oxidation phenomena. Finally in Photo fuel cells we tested polypyrrole as electrocatalyst in the cathode, focusing again in replacing platinum.

Η διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, στους καιρούς μας, σε συνδυασμό με τη ραγδαία κλιματική αλλαγή, οδηγούν στην ανάγκη αναζήτησης οικονομικών, άφθονων και καθαρών πηγών για την παραγωγή της. Συνεπώς η αιολική ενέργεια κερδίζει έδαφος στις επιλογές των κρατών ανά τον κόσμο. Στην παρούσα διπλωματική θα αναλυθεί μια διάταξη ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και ένα φίλτρο RL από την πλευρά του δικτύου. Με την επιλογή μας να χρησιμοποιήσουμε σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη κερδίζουμε σε αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Σκοπός την εργασίας αυτής είναι αφενός η μελέτη και η ανάλυση του πλήρους συστήματος στο d-q στρεφόμενο σύστημα καθέτων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και αφετέρου η εφαρμογή του κατάλληλου σχεδιασμού ελέγχου, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη απομάστευευση ισχύος από τον άνεμο. Αυτό θα πραγματοποιηθεί λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς που θέτουν τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας και οι απαιτήσεις του δικτύου. Η προσομοίωση του συνολικού συστήματος θα γίνει στο περιβάλλον του Matlab/Simulink. Μέσω της προσομοίωσης αυτής θα προκύψουν οι αποκρίσεις των βασικών μεγεθών του συστήματος, από τα οποία θα εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητα των επιλογών μας. / The increasing demand for electricity, in our times, combined with the rapid climate change, leads to the need of economical, abundant and clean sources of production. Therefore, wind energy is gaining ground around the world. In this thesis a wind turbine topology will modeled and analyzed. It consists of a permanent magnet synchronous generator (PMSG), a frequency back-to-back converter and an RL filter from the network side. By using a permanent magnet synchronous generator the model becomes efficient and reliable. The initial purpose is studying an analyzing the complete system, using d-q rotating vertical shaft system with Park transformation. Implementation of the appropriate control design will follow, in order to achieve maximum wind power extraction. Constrains, which are posed by the generator contraction characteristics and network requirements, must and will be considered. The simulation of the complete system will take place in Matlab/Simulink computing environment. The responses of the fundamental units will be presented and valuated, in order to extract conclusions regarding the quality of different control methods.

Η ηλιακή ενέργεια και το νερό είναι δύο φυσικοί πόροι που παίζουν σημαντικό ρόλο στις αποδόσεις των ενεργειακών καλλιεργειών για την παραγωγή βιοκαυσίμων και επομένως η ορθολογική διαχείριση τους είναι σημαντική για το περιβάλλον. Η παραγόμενη βιομάζα από τις ενεργειακές καλλιέργειες - ως προϊόν φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτών - εξαρτάται από την αθροιζόμενη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει σε ένα τόπο και το ποσοστό αξιοποίησης της από τη φυτική κόμη της καλλιέργειας. Επίσης εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα του νερού στο έδαφος προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες της καλλιέργειας σε νερό. Ο βαθμός αξιοποίησης και των δύο φυσικών πόρων υπολογίζεται με δύο δείκτες. Το συντελεστής αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας (Radiation Use Efficiency, RUE) και το συντελεστή αξιοποίησης του νερού (Water Use Efficiency, WUE). Αντικείμενο της εργασίας θα είναι ο υπολογισμός των δύο δεικτών του βαθμού αξιοποίησης των δύο ανωτέρω φυσικών πόρων σε πειραματική καλλιέργεια γλυκού σόργου στο Πανεπιστήμιο Πατρών. Επίσης είναι σημαντικό να εκτιμηθεί η κατανάλωση νερού καλλιέργειας γλυκού σόργου λόγω του φαινομένου της εξατμισοδιαπνοής. Προς τούτο θα υπολογισθεί η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς κατά FAO με βάση τη σχέση Penman-Monteith. / -