- / -

Η διπλωματική μεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης παρουσιάζει μελέτη σε φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζεται βιβλιογραφική ανασκόπηση των φωτοβολταϊκών κυττάρων και γίνεται εμβάθυνση στον μηχανισμό λειτουργίας των φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων με χρωστική ουσία (Dye-sensitized Solar Cells, DSSC). Αναλύονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση του ηλιακού κυττάρου: υποστρώματα από Indium-Tin Oxide (ITO), υμένιο από νανο-κρυσταλλικό διοξείδιο του τιτανίου (TiO2), οργανικές χρωστικές ουσίες, υγρός/στερεός ηλεκτρολύτης ιωδίου και αντιηλεκτρόδιο. Επιπλέον, περιγράφονται πειραματικές διατάξεις από ελληνικά και διεθνή εργαστήρια τα οποία παρουσιάζουν τις νέες εξελίξεις στον τομέα των φωτοευαίσθητων φωτοβολταϊκών. Στο πειραματικό μέρος περιγράφεται η διαδικασία σύνθεσης φωτοευαίσθητων ηλιακών κυττάρων στο εργαστήριο. Γίνεται μελέτη των επιμέρους υλικών και σύνθεση νέων ηλιακών κυττάρων, έτσι ώστε να επιτευχθεί αύξηση της απόδοσης και της σταθερότητας των υποστρωμάτων τους. Σύμφωνα με την θεωρία Shockley–Queisser, η μέγιστη θεωρητική απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου φτάνει το 30% και με επόμενες παρόμοιες μεθόδους υπολογίσθηκε ότι μπορεί να φτάσει το 68%. Παρουσιάζονται επιπλέον, πειραματικές διατάξεις με εφαρμογή χαμηλοδιάστατου ημιαγωγού, με σκοπό την αύξηση της απόδοσης και ταυτόχρονα την μείωση του υλικού και του κόστους του φωτοβολταϊκού. Η μελέτη και ο χαρακτηρισμός των επιμέρους υλικών έγινε με την χρήση τεχνικών οργάνων, όπως: XRD, UV, PL, SEM. Η μέτρηση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων πραγματοποιήθηκε σε εσωτερικό σκοτεινό χώρο με προσομοίωση του ηλιακού φωτός με την χρήση του ηλεκτρομέτρου και υπολογίστηκαν οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών κυττάρων. / The present master thesis presents a study on photo-sensitized solar cells, which convert solar radiation into electricity. The theoretical part includes a literature of relevant works on solar cells and a description of the operation mechanism of photo-sensitized solar cells using pigment (Dye-sensitized solar cells, DSSC). The materials used for the fabrication of solar cell were Indium-Tin Oxide (ITO) for the substrate, thin film from nanoparticles of titanium dioxide (TiO2), organic pigments, liquid/solid iodide electrolyte and counter electrode. In addition, testing devices and cell fabrication procedures, from national and international laboratories covering the developments in the field of photosensitive solar cells, are also included. In the experimental part, the procedure for the synthesis of photo-sensitized solar cells is extensively described. The used materials and the synthesis mode to achieve new cell types with increased efficiencies and substrate stability are presented. According to Shockley-Queisser theory, the theoretically maximum efficiency of solar cell is up to 30%, which in other methods it has been extended to 68%. In the same part, experimental procedures for other semiconductor application are additionally presented, aiming to a reduction in material and cost. The study and the characterization of the used materials were performed by using suitable equipment as XRD, UV, PL and SEM. The solar cell efficiency was measured in a dark room using electrometer and the efficiency were obtained.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η θεωρητική μελέτη φωτοβολταϊκών πλαισίων χρησιμοποιούμενων σε διαστημικές εφαρμογές, περιγράφοντας την τεχνολογία και τη λειτουργία τους, καθώς και την ιστορική εξέλιξη τους τις τελευταίες δεκαετίες από το 1950 έως σήμερα. Στα πλαίσια αυτά περιγράφονται οι ηλιακές συστοιχίες για διαστημικές εφαρμογές, οι συνηθισμένοι τύποι ημιαγωγικών υλικών για τα πλαίσια, όπως το πυρίτιο Si και το αρσενιούχο γάλλιο GaAs και οι απαιτήσεις των. Αρχικά, μελετάται ποιες παράμετροι επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών κυττάρων στο διάστημα και επιπλέον οι επιπτώσεις της διαστημικής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας στην λειτουργία των πλαισίων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα προηγμένα ηλιακά κύτταρα πυριτίου Si και τα υψηλής απόδοσης άμορφου πυριτίου που παρουσιάζουν βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση του πλαισίου. Οι βέλτιστες παράμετροι των δομών για τις διαστημικές εφαρμογές, φαίνεται πλέον να επιτυγχάνονται με τα ευρέως χρησιμοποιούμενα ηλιακά κύτταρα πολυεπαφών multijunction MJ, που είναι κύτταρα ιδιαιτέρου τρόπου σχεδιασμού. Οι παράμετροι επηρεασμού της απόδοσης τους αναλύονται καθώς και οι επιπτώσεις των εξωτερικών συνθηκών. Μεγάλης σημασίας θεωρείται ο σχεδιασμός της ηλιακής συστοιχίας στο διάστημα και οι απαιτήσεις σχεδίασης για αξιόπιστη απόδοση και μεγάλη διάρκεια ζωής. Στη μελέτη αυτή αναλύουμε και τις δομές εκείνες που μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση των διαστημικών ηλιακών κυττάρων. Οι πιο ελπιδοφόρες και πιο πολλά υποσχόμενες δομές είναι αυτές των μεταμορφικών «metamorphic» και ανεστραμμένων μεταμορφικών «inverted-metamorphic» ηλιακών κυττάρων σε σχέση με τα κλασικά "latticed matched" ηλιακά κύτταρα και αυτες οι δομές θα συνεχίσουν να βρίσκονται στο επίκεντρο για τις επόμενες δεκαετίες. Επιπλέον προϊόν της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου m-Si ισχύος αιχμής 80 W σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας στη γη, υπό την επίδραση διαφόρων εξωτερικών παραγόντων, όπως προσπίπτουσα ακτινοβολία, θερμοκρασία και γωνία κλίσης. Με στόχο την εκτίμηση της ενεργειακής απόδοσης και της ανίχνευσης της βέλτιστης τιμής αυτής πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με την βοήθεια του PVPM στη διάρκεια του έτους 2009 – 2010. Συγκεκριμένα περιλαμβάνονται δυο περίοδοι μετρήσεων: α) Απρίλιος 2009 έως Ιούλιος 2009, όπου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ανά μια ώρα για όλες τις γωνίες κλίσης 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80ο (μια ημέρα κάθε εβδομάδα) με την βοήθεια της ρυμθιζόνεμης βάσης και β) Αύγουστος 2009 έως Μάρτιος 2010, όπου πραγματοποιήθηκαν ολοήμερες μετρήσεις ανά 5 λεπτά, κάθε εβδομάδα με την βοήθεια φορητού υπολογιστή σε συγκεκριμένη κλίση 38ο, που αντιστοιχεί στο γεωγραφικό πλάτος της περιοχής της Πάτρας. Όλα αυτά οδηγούν σε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής συμπεριφοράς και απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου μας καθώς και των συνθηκών που οδηγούν σε βέλτιστες φωτοβολταϊκές ιδιότητες Η ετήσια αποδιδόμενη ενέργεια υπολογίστηκε ελαφρώς υψηλότερη από μετρήσεις γενικά αναφερόμενες από το ΚΑΠΕ. Αυτό θεωρούμε ότι οφείλεται στο γεγονός ότι η διάταξη μας δεν κατέγραφε μετρήσεις καθ όλη τη διάρκεια του έτους με αποτέλεσμα να μην είναι ακριβής η διάρκεια της ημέρας και η τιμή της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Μέσω του PVsyst προγράμματος προσπαθήσαμε να προσομοιώσουμε την ενεργειακή απόδοση του πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου υπολογιστικά τόσο με τα πειραματικά μετεωρολογικά δεδομένα όσο και με τα μετεωρολογικά δεδομένα μέσω του προγράμματος Meteonorm και να την συγκρίνουμε με την πειραματική και επιπλέον να βρούμε την βέλτιστη απόδοση του ανάλογα με την κλίση και τον προσανατολισμό του. Η εξομοίωση με δεδομένα του προγράμματος Meteonorm 6.1 έδωσε τη διαφορά της αποδιδόμενης ενέργειας κάθε περίπτωσης, μεταξύ αυτής και της προηγούμενης μεθόδου. / The purpose of this thesis, is the theoretical study of solar modules used in space applications, together with the description of their technology and operation, and the historical development in recent decades from 1950 to today. In this context we analyzed the solar arrays for space applications, the requirements of materials for solar cells and the common types of semiconductor materials for modules, such as silicon Si and gallium arsenide GaAs. Initially, we studied what external factors affect the performance of solar cells in space and also the effects of space radiation and temperature. Further, we described the advanced silicon solar cells and the high-efficiency amorphous silicon solar cells, that improve the energy efficiency significant. For the optimal solution for space applications, we then analyzed thoroughly the most widely used in space multijunction MJ solar cells and their design, the performance parameters and the effects of external factors. To summarize the theoretical study, we studied the design of the solar array in space and the design requirements for reliable performance and longevity. Finally, there are many ways we can improve the performance of space solar cells. The most promising methods are those of metamorphic «metamorphic» and reverse metamorphic «inverted-metamorphic» solar cells compared to the classic "latticed matched" solar cells and will continue to be in the forefront for decades to come. Additional to the subject of this thesis, is the experimental study of the behavior of a photovoltaic monocrystalline silicon module m-Si 80 W peak power at real operation conditions under the influence of various external factors such as incident radiation, temperature and tilt. In order to estimate the energy efficiency we took measurements with the help of PVPM in the year 2009 - 2010. Specifically, it consists of two measurement periods: a) April 2009 to July 2009, when measurements were taken every hour for all angles 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 every week with the help of special structure and b) August 2009 to March 2010, when measurements were made all day, every five minutes, each week with a notebook in a particular inclination 38ο, corresponding to the latitude of the region of Patras. All these help us to gain a comprehensive idea of their behavior and performance of our photovoltaic modules. We also observed variation in the results in comparison with CRES databases due to the fact that we could not continuously conduct every day of the year. Using PVsyst we tried to verify our experimental results and find the best solutions for the tilt and orientation of the PV modules. With the program PVsyst we tried to simulate the performance of monocrystalline silicon solar cell using computational frameworks and to compare them with the experimental results. Finally it was also simulated with the data given from the database of the program Meteronorm 6.1 so as to compare both methods.

- / -

Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι να εξεταστεί η ποιότητα ισχύος ενός μονοφασικού φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Αρχικά αναλύονται οι βασικές μονάδες από τις οποίες αποτελείται το φωτοβολταϊκό σύστημα και στη συνέχεια ακολουθεί ο σχεδιασμός και η εξομοίωσή του χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή σχετικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την ανάγκη χρησιμοποίησης τους και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα, σε σχέση με τις υπόλοιπες πηγές που υπάρχουν διαθέσιμες σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ηλιακή ακτινοβολία. Δίνονται στοιχεία για τον ήλιο και το ηλιακό δυναμικό της χώρας μας, ενώ στη συνέχεια εξηγούνται κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Παρουσιάζεται αρχικά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, ενώ στη συνέχεια γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των ηλιακών κυττάρων, καθώς και της ομαδοποίησης αυτών που οδηγεί στη δημιουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων και κατ’ επέκταση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι αντιστροφείς, οι οποίοι συνδέουν τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με το δίκτυο. Αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας τους και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους, δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στην ημιτονοειδή διαμόρφωση πλάτους παλμών που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η μελέτη και ο σχεδιασμός του φωτοβολταϊκού συστήματος. Καθορίζονται τα μεγέθη και τα χαρακτηριστικά των κυριότερων στοιχείων από τα οποία αποτελείται, ενώ γίνεται αναφορά και στις απαιτήσεις, όσον αφορά την ποιότητα ισχύος, για την σύνδεση με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται όλη η διαδικασία εξομοίωσης του φωτοβολταϊκού συστήματος, χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink. Αφού γίνει μία εισαγωγή στο λογισμικό, αναλύεται ο τρόπος δημιουργίας κάθε μέρους από το οποίο αποτελείται το φωτοβολταϊκό σύστημα, δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο το τελικό ολοκληρωμένο μοντέλο εξομοίωσης. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η εξομοίωση και παρουσιάζονται τα αποτελέσματά της. Σε κάθε στάδιο της εξομοίωσης γίνεται μεταβολή κάποιων σημαντικών παραμέτρων του συστήματος, όπως η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, ο DC πυκνωτής, το φίλτρο εξόδου, το φορτίο και το μήκος της γραμμή διανομής, ενώ παρουσιάζονται και τα αποτελέσματα των μεταβολών αυτών, όσον αφορά την ποιότητα ισχύος. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια συμπεράσματα και παρατηρήσεις, με βάση τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. / The purpose of this thesis is to examine the power quality of single-phase grid-connected photovoltaic system. At first, the basic units of which it is consisted are analysed and then, the whole photovoltaic system is designed and simulated using the software MATLAB/Simulink. The first chapter contains an introduction to renewable energy sources, the reason why they are necessary and the advantages of the photovoltaic systems, in comparison to the other renewable energy sources that are available nowadays. The second chapter deals with solar energy. It is referred to the sun and the high solar potential of Greece, while some typical parameters of solar radiation are explained. The third chapter contains an analysis of a photovoltaic generator. The photovoltaic effect is described, while there is also a detailed description of solar cells and how they are grouped in order to form the photovoltaic panel. The fourth chapter focuses on the inverters, which connect the photovoltaic generator to the grid. It includes an analysis of the way they work and their functional parameters, giving more importance to the sine-wave pulse width modulation (PWM), which was mainly implemented on this thesis. The fifth chapter constitutes the study and design of the photovoltaic system. The values and the parameters of the main parts of which it consists are determined. In addition, the necessary requirements of power quality that should be met, in order to establish a grid connection, are mentioned. The sixth chapter describes the simulation procedure of the photovoltaic system, using the software MATLAB/Simulink. It contains an introduction to the software and an analytical description of the way each part of the photovoltaic system was created, in order to form the complete simulation model. The seventh chapter contains the simulation and its results. The simulation includes various stages, on which critical parameters of the photovoltaic system, such as the solar radiation, the DC capacitor, the output filter, the load and the length of distribution line are changed, in order to see how these changes affect the power quality. The eighth chapter includes some comments and conclusions, regarding the results of the simulation.