Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια από τις κύριες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Μπορεί να αξιοποιηθεί είτε μετατρεπόμενη σε ηλεκτρισμό είτε σε θερμότητα. Για τη μετατροπή της σε ηλεκτρισμό η κύρια τεχνολογία που χρησιμοποιείται είναι η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών. Αντίστοιχα, για την μετατροπή της σε θερμότητα χρησιμοποιούνται ευρέως οι τεχνολογίες των επίπεδων θερμικών ηλιακών συλλεκτών και των θερμικών συλλεκτών σωλήνων κενού. Βασικό ζητούμενο και στις δύο περιπτώσεις αποτελεί η μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας τους. Μια από τις μεθόδους που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της αποδοτικότητας μιας ηλιακής συσκευής είναι η χρήση ενισχυτικών ανακλαστήρων. Επίσης, στις συνήθεις τεχνολογίες φωτοβολταϊκών που εφαρμόζονται σήμερα, η μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας τους βελτιώνει την απόδοση τους. Η διπλωματική ερευνητική εργασία που ακολουθεί περιλαμβάνει τη συγκριτική μελέτη φωτοβολταϊκών διατάξεων, επίπεδων θερμικών συλλεκτών και συλλεκτών σωλήνων κενού. Μελετήθηκαν συστήματα φωτοβολταϊκών με τη χρήση διαφόρων μεθόδων ψύξης, ενεργητικών και παθητικών. Επίσης μελετήθηκε η αύξηση της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ενέργειας των φωτοβολταϊκών με χρήση ενισχυτικών ανακλαστήρων (ημικατοπτρικός ανακλαστήρας, ανακλαστήρας αλουμινίου (ματ), λευκός ανακλαστήρας). Υλοποιήθηκαν συνδυαστικά συστήματα με ταυτόχρονη ψύξη και χρήση ενισχυτικού ανακλαστήρα και μελετήθηκε η συμπεριφορά τους. Ακόμα, μελετήθηκε η αύξηση της αποδιδόμενης θερμικής ενέργειας επίπεδου ηλιακού θερμικού συλλέκτη με προσθήκη ενισχυτικών ανακλαστήρων (καθρέπτης, ανακλαστήρας αλουμινίου και λευκός ανακλαστήρας). Τέλος, κατασκευάστηκε διάταξη θερμικού συλλέκτη σωλήνα κενού με επίπεδη ανακλαστική επιφάνεια. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με την προσθήκη ενισχυτικών ανακλαστήρων (ημικατοπτρικός ανακλαστήρας, ανακλαστήρας αλουμινίου και λευκός ανακλαστήρας) και μελετήθηκε η αύξηση της θερμικής απόδοσης του συλλέκτη. Με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων, εξάγονται αντίστοιχα συμπεράσματα και παρατίθενται προτάσεις σχετικά με τις διατάξεις αυτές. / Solar energy is one of the main Renewable Energy Sources (RES). It can be utilized by being transformed into electricity or heat. The main technology used to transform solar energy into electricity is photovoltaics. Respectively, flat plate solar thermal collectors and evacuated tube solar thermal collectors are the technologies mostly used to transform solar energy into usable heat. One of the main concerns on both cases, is the maximization of their performance. The use of booster reflectors is one of the methods that can be implemented in order to increase the performance of a solar device. Also, a method to increase the performance of the main photovoltaic technologies used at the moment, is to cool them. The following diploma – research thesis includes the comparative study of photovoltaic systems, flat plate solar thermal collectors and evacuated tube solar thermal collectors. Photovoltaic systems with the use of various cooling methods, active and passive, were studied. The increase of the photovoltaic electrical output using booster reflectors (semi specular, aluminum reflector and white reflector) was also studied. Combined systems were implemented, with simultaneous cooling and usage of booster reflector, and their behavior was observed. In addition, the increase of the thermal output of a flat plate collector by using booster reflectors (mirror, aluminum reflector and white reflector) was studied. Finally, an evacuated tube solar thermal collector system with an embedded reflective surface was implemented. Experiments were carried out with the addition of booster reflectors (semi specular, aluminum reflector and white reflector) and the increase of the collector’s thermal output was measured. Based on the experimental results, conclusions and suggestions are made about these systems.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν αρχιτεκτονικές χρονοπρογραμματισμού διεργασιών σε κόμβο ασύρματου δικτύου αισθητήρων, ο οποίος έχει πηγή περιορισμένης και μεταβλητής ισχύος. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από κόμβους που επικοινωνούν και ανταλλάσουν δεδομένα μεταξύ τους. Κάθε κόμβος πρέπει να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας και μικρή κατανάλωση ενέργειας. Στην εργασία αυτή προσομοιώθηκε ένα μοντέλο ενός κόμβου με πηγή ενέργειας την ηλιακή ισχύ, καθώς και ένα σύνολο διεργασιών με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και προθεσμίες εκτέλεσης. Εξετάστηκε η βέλτιστη διαχείριση της ενέργειας για την επιτυχή εκτέλεση των διεργασιών. Αρχικά μελετήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού των διεργασιών του κόμβου (task scheduling), προσομοιώθηκε ένας βέλτιστος αλγόριθμος πραγματικού χρόνου (Lazy Scheduling Algorithm), μελετήθηκε και συγκρίθηκε η συμπεριφορά του. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάσθηκε μία αρχιτεκτονική για τον αλγόριθμο αυτό και υλοποιήθηκε με τη γλώσσα VHDL. Το υλικό, που προέκυψε με διαδικασία σύνθεσης της περιγραφής VHDL, προσομοιώθηκε και διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας του. Στο τελικό στάδιο βελτιώθηκε η αρχιτεκτονική του υλικού και μειώθηκε ακόμη περισσότερο η κατανάλωση ενέργειας. / -

Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να συμβάλει στην αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος, με την ευρεία αξιοποίηση των φωτοβολταϊκών και των θερμικών ηλιακών συλλεκτών. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα που συνδυάζονται με θερμικές μονάδες κυκλοφορίας νερού ή αέρα, για την απολαβή της θερμότητας από αυτά και την ικανοποιητική διατήρηση της απόδοσής των, αποτελούν τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα (φβ/θ). Τα συστήματα αυτά παράγουν ηλεκτρική και θερμική ενέργεια ταυτόχρονα, αυξάνοντας την ολική παραγόμενη ενέργεια. Με τη χρήση ορισμένων διατάξεων βελτίωσης της απολαβής της θερμότητας από τα φωτοβολταϊκά και της αύξησης της αποδιδόμενης ενέργειας των φωτοβολταϊκών και των θερμικών ηλιακών συλλεκτών, είναι δυνατή η βελτίωση της αποδοτικότητας των συσκευών αυτών, για μια πιο αποτελεσματική εφαρμογή τους στα κτήρια. Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί περιλαμβάνει τη μελέτη φωτοβολταϊκών, υβριδικών φωτοβολταϊκών και θερμικών ηλιακών συσκευών. Πραγματοποιήθηκε μελέτη υβριδικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος αέρα με διάφορες βελτιώσεις της αποδοτικής λειτουργίας του και με την προσθήκη μεταλλικών φύλλων ή σωλήνων ροής νερού στον αεραγωγό. Ακόμη, μελετήθηκε επίπεδος ηλιακός θερμικός συλλέκτης με προσθήκη διάφορων τύπων ανακλαστήρων (λευκή επιφάνεια, γαλβανιζέ μεταλλικό φύλλο και καθρέφτης). Πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα με σωλήνα κενού, ο οποίος συνδυάστηκε με ανακλαστήρες για την αύξηση της προσλαμβανόμενης ηλιακής ακτινοβολίας και βελτίωση της αποδιδόμενης θερμότητας. Με βάση τα αποτελέσματα παρατίθενται συμπεράσματα και προτάσεις σχετικά με τις σύνθετες διατάξεις που αναφέρθηκαν. / Solar energy systems can contribute to energy demand by the proper synergy of photovoltaics and solar thermal collectors. The PV modules which are combined with thermal units and circulating water or air to extract the heat from them, constitute the hybrid photovoltaic/thermal systems (PV/T). These systems provide electrical and thermal energy simultaneously, increasing the total energy output. Adapting some effective heat extraction elements to PV modules and applying devices to have solar radiation increase by the absorbing surfaces of PV and of thermal collectors, an improvement of operation and performance of these systems can be achieved regarding their application to buildings. The thesis that follows includes a study of photovoltaics, hybrid photovoltaic/ thermal systems and solar thermal collectors. More specifically, a study of an air heating hybrid photovoltaic/thermal system was performed, improving suitably the heat extraction by inserting corrugated metallic sheets or water pipes, inside the air channel that is attached to rear surface of PV modules. In addition, a solar thermal collector was studied, by applying several types of reflectors (white plate reflector, galvanized iron plate reflector and specular reflector). Furthermore, a vacuum tube type collector was tested, combined also with reflectors to increase input solar radiation and increase thermal performance. Finally, conclusions and suggestions for a further study, on the above mentioned solar energy systems is included, based on the reported experimental results.

H ιδέα της παρούσας μεταπτυχιακής ερευνητικής εργασίας βασίζεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοαποικοδόμηση οργανικών ρύπων, μέσω φωτοηλεκτροχημικών κυψελίδων(PECs). Mε τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η κατανάλωση των οργανικών ουσιών και η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο σκοπός της εργασίας ήταν η παρασκευή, ο χαρακτηρισμός, η μελέτη φωτοευαίσθητων ηλεκτροκαταλυτών και η μορφοποίηση τους σε ηλεκτρόδια, των οποίων εξετάστηκε και αναλύθηκε η φωτοηλεκτροχημική τους συμπεριφορά. Η φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα αποτελείται από τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου, τα οποία φέρουν το φωτοκαταλύτη και τον ηλεκτροκαταλύτη αντίστοιχα. Εξαιτίας του n-τύπου ημιαγωγού που φέρει η φωτοάνοδος καθώς και της πρόσπτωσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πάνω στον ημιαγωγό, παρατηρείται η απορρόφηση φωτονίων και ο σχηματισμός ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών. Η διαδικασία απορρόφησης ενός φωτονίου,για τη δημιουργία φωτοφορέων,απαιτεί το ποσό ενέργειας του φωτονίου να είναι μεγαλύτερο ή ίσο από/με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. O ρυθμός επανασύνδεσης των φωτοπαραγόμενων ηλεκτρονίων και οπών περιορίζεται, με τη χρήση «θυσιαζόμενων ενώσεων», οι οποίες μπορεί να είναι δέκτες ή δότες ηλεκτρονίων. Με τον τρόπο αυτό προκαλούνται στην επιφάνεια του ημιαγωγού μη αντιστρεπτές αντιδράσεις, όπως οξείδωση των φωτοπαραγόμενων οπών, ώστε οι διαθέσιμοι φορείς φορτίου να ξεκινήσουν τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Παράδειγμα, τέτοιων θυσιαστήριων ενώσεων αποτελεί η μεθανόλη, η οποία χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη ερευνητική εργασία. Ως φωτοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν η νανοκρυσταλλική τιτανία, TiO2 και ο σύνθετος ημιαγωγός TiO2/CdS, ο οποίος και παρασκευάστηκε με τη μέθοδο SILAR. Συγκεκριμένα το διοξείδιο του τιτανίου είναι η εμπορικά διαθέσιμη Degussa P-25, με αναλογία ανατάση:ρουτηλίου 3:1. Ως ηλεκτροκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικός καταλύτης Pt (30%)/C, πάνω σε αγώγιμο ύφασμα άνθρακα (Carbon Cloth). Η μελέτη των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε σε κατάλληλους φωτοηλεκτροχημικούς αντιδραστήρες, που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν από τον κ. Λιανό για το σκοπό αυτό, ενώ έγινε χρήση λαπτήρα προσομοίωσης ορατής και υπεριώδους ακτινοβολίας. Η νανοκρυσταλλική τιτανία (ΤiO2) ως φωτοκαταλύτης, έχει ενεργειακό χάσμα 3,2eV και απορροφά φωτόνια μόνο στο υπεριώδες φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για την αντιμετώπιση του ζητήματος αυτού, τοποθετήθηκε ευαισθητοποιητής θειούχου καδμίου (Csd) του οποίου το ενεργειακό χάσμα είναι 2,42eV και ενεργειακά έχει υψηλότερη στάθμη, από το διοξείδιο του τιτανίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόκρισης στο ορατό φάσμα. Η ορατή ακτινοβολία απορροφάται από τον φωτοευαισθητοποιητή, ο οποίος διεγείρεται και εφόσον το ενεργειακό επίπεδο του διεγερμένου ηλεκτρονίου είναι ηλεκτραρνητικότερο από τη στάθμη αγωγιμότητας του TiO2, μεταπηδά στο TiO2 και συμμετέχει στην φωτοηλεκτροχημική διαδικασία. Η οπή που διαχωρίζεται από το διεγερμένο ηλεκτρόνιο, παραμένει στον φωτοευαισθητοποιητή και συμμετέχει σε αντιδράσεις οξείδωσης. Η ποιότητα και η αποτελεσματικότητα της καθόδου, παίζει εξίσου σπουδαίο ρόλο με εκείνη της ανόδου. Η απόδοση των φωτοηλεκτρικών κυψελίδων ελέγχεται μέσω του συντελεστή πληρότητας (Fill Factor), ο οποίος φαίνεται να παρουσιάζει μεγαλύτερη τιμή όσο αυξάνονται οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων της ανόδου και της καθόδου, ενώ βέλτιστη απόδοση της φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας έχει επιτευχθεί με τη χρήση ηλεκτροδίου Carbon Cloth εμπλουτισμένου με νανοσωματίδια Pt (0.5mg Pt/cm2). Οι κυριότερες κατηγορίες των οργανικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται ως οργανικοί ρύποι είναι οι αλκοόλες, οι πολυόλες και τα οξέα, ενώ στην παρούσα εργασία πιο αποδοτική φάνηκε να είναι η χρήση της μεθανόλης. / The idea behind this master’s degree thesis is based on the production of electrical energy through photo-degradation of organic emissions using photo-electrochemical cells. This way the consumption of the organic emissions and the conversion of the solar power to electricity are achieved. This thesis was aiming at the production, the characterization and the study of photosensitive electrocatalysts and turning them into electrodes, whose electrochemical behavior was studied and analyzed. The photo-electrochemical fuel cell is composed of the anode and cathode electrodes, who bare the photocatalyst and electrocatalyst respectively. Due to the n-type semiconductor on the photo-anode and its exposure to electromagnetic radiation, consumption of photons is observed and hole-electron pairs are formed. The energy of the incoming photon needs to be higher than the band gap of the semiconductor, for it to be absorbed and carriers to be created. The recombination rate of those carriers is reduced by using sacrificial agents or hole scavengers, which can be donors or acceptors of electrons. This way non- reversible reactions are achieved. Example of those is methanol, which was used in the present thesis. As photo-catalysts nanocrystals of titanium oxide and the composite semiconductor TiO2/CdS were used. The electro-catalyst Pt/C on carbon cloth was utilized. The study of the electrodes was performed used photo-electrochemical reactors designed by Prof. Lianos in combination with lamps simulating the solar spectrum. The nanocrystals of titanium oxide have a band gap of 3.2eV (in the UV region) which is the reason why CdS was deposited on top. The later has a band gap of 2.42eV and so increases the absorption in the visible region of the spectrum. The visible radiation is absorbed by the CdS layer and since the excited electron in more electronegative than the conduction band of the titanium oxide, it lowers its energy by hopping to the titanium oxide layer and participates in the photo-electrochemical procedure. The hole that’s left behind in the CdS layer is participating in the oxidation reactions. The performance of the photoelectrical cells was calculated through the fill factor and has an increasing value for increasing area of the electrodes. The optimum performance of the photoelectrochemical fuel cell was achieved by using a carbon cloth electrode enriched with Pt (0.5mg Pt/cm2). The primary categories of organic compounds used as organic emissions are alcohols, polyols and acids. The optimum performance was achieved by using methanol.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή και αιολική ενέργεια μπορούν να προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Κάθε μορφή ΑΠΕ έχει τις δικές της ιδιομορφίες και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας είτε σε μικρότερες μονάδες όπως στα κτίρια. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνδυασμένη αξιοποίηση των παραπάνω ενεργειακών πηγών, ιδίως για την κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών των κτιρίων. Αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη ενός συστήματος αποτελούμενο από μικρή ανεμογεννήτρια, φωτοβολταϊκά πλαίσια και θερμικό ηλιακό συλλέκτη. Αρχικά γίνεται αναφορά στα επιμέρους συστήματα ΑΠΕ από τα οποία αποτελείται η εγκατάσταση. Στη συνέχεια, αναλύονται τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής και ακολουθεί η ενεργειακή μελέτη της συμπεριφοράς του υβριδικού συστήματος. Το κύριο θέμα που εξετάζεται είναι η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας για θέρμανση του νερού σε περιπτώσεις που υπάρχει πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης αναλύεται η προοπτική συνδυασμού υβριδικών/φωτοβολταϊκών συλλεκτών με Α/Γ. Τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα και οι εκτιμήσεις σχετικά με τη συμπεριφορά του υβριδικού συστήματος στις μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου και της ηλιακής ακτινοβολίας σε ημερήσια και ετήσια βάση. / The renewable energy sources (RES) like solar and wind energy can offer an alternative solution to produce power. Each form of RES, has its own specifications and they can applied in big installations of production electric and thermal energy or in smaller units as the buildings. This thesis investigates the performance of a system consist of a small wind turbine, solar photovoltaic modules and solar thermal collector. In the beginning, the design and components of installation is presented. Then, the measured data are used to analyzed the meteorological condition of test site and evaluate the performance of the hybrid system. The main concept, regarding the energy use of electrical to heat water in case that there is surplus of it, is presented. Finally conclusions and considerations about the behavior of hybrid system from the daily and yearly variation of wind speed and solar radiation are included.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή ενέργεια, μπορούν να προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Κάθε μορφή ΑΠΕ έχει τις δικές της ιδιομορφίες και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας είτε σε μικρότερες μονάδες όπως στα κτίρια. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνδυασμένη αξιοποίηση των παραπάνω ενεργειακών πηγών, ιδίως για την κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών των κτιρίων.Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη συγκεντρωτικών συστημάτων χαμηλής συγκέντρωσης και των παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργία τους, με την χρήση τριών γεωμετρικών συγκεντρωτικών μέσων, τα οποία είναι: το σύστημα V-Trough, το σύστημα Fresnel γραμμικής εστίας και το κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας, με χρήση συμβατικών φωτοβολταϊκών για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Όμως, από το την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία που συγκεντρώνεται στον απορροφητή, ένα μέρος μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο μεταδίδεται στο περιβάλλον με την μορφή θερμότητας. Έτσι, περαιτέρω μελέτη έγινε με βάση την δημιουργία υβριδικού συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος, ταυτόχρονης παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας χρησιμοποιώντας την βέλτιστη γεωμετρία, το οποίο θα μπορούσε να δώσει ικανοποιητικά ποσά θερμικής ενέργειας, χωρίς να ζημιώνεται η ηλεκτρική και το αντίστροφο, κάτι που θα καθιστούσε τα συστήματα αυτά ενεργειακώς και οικονομικώς πιο ανταγωνιστικά.Τα πειραματικά αποτελέσματα περιλαμβάνουν διαγράμματα ηλεκτρικών αποδοτικοτήτων των πειραματικών συστημάτων καθώς και των μεγεθών Pmax, Vpmax, Voc, Ιpmax, Ιsc, συναρτήσει της θερμοκρασίας λειτουργίας Tpv, κάτω από σταθερή ακτινοβολία G, θερμικών αποδόσεων, προφίλ κατανομών συγκεντρωτικής ακτινοβολίας καθώς και χαρακτηριστικές καμπύλες I-V για καθένα απ αυτά. / The renewable energy sources (RES) like solar energy, can offer an alternative solution to power production. Each form of RES, has its own specifications and they can be applied in big installations of electric and thermal energy production or in smaller units as the buildings. This thesis investigates the performance of three different types of solar concentrating systems, which are: the V-Trough system, the linear Fresnel system and the Parabolic Trough system, with usage of common photovoltaics, instead of concentrating photovoltaics, for the electricity production.However, only a small part of the incoming solar radiation it is changed by an absorber into electric energy, while the rest is transmitted to the environment with the form of heat. Thus, further study has been done with base of the creation of a hybrid concentrating photovoltaic/thermal system, with simultaneous production of electric and thermal energy using the most optimal geometry. This could give satisfactory sums of thermal energy, without affecting the production of electric energy and vice versa, something that would render this systems economically more competitively.The experimental results include diagrams with the electric performance of the experimental systems as well as values of Pmax, Vpmax, Voc, Ipmax, Isc, associated with the operating temperature Tpv, under constant radiation G, thermal output, distribution profiles of the concentrating radiation as well as characteristic curves I-V for each one of them.