Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να γίνει μια εκτενής καταγραφή και παρουσίαση των ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε) στο δίκτυο. Αφού γίνεται αρχικά μια αναφορά στις Α.Π.Ε και στα Ηλεκτρονικά Ισχύος, στη συνέχεια παρουσιάζονται οι διαφορετικές τοπολογίες των ηλεκτρονικών μετατροπέων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάθε εφαρμογή. Για τους μετατροπείς, εξηγείται πρώτα η λειτουργία τους και στη συνέχεια αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε τοπολογίας προκειμένου να παρέχεται στον αναγνώστη η δυνατότητα γρήγορης, εύκολης και άμεσης σύγκρισης. Επίσης, παρουσιάζονται κατάλληλα συστήματα για την αποθήκευση της ενέργειας προερχόμενη από Α.Π.Ε. Τέλος, προσομοιώνεται το ίδιο φωτοβολταϊκό σύστημα χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικούς μετατροπείς, διαφορετικής τοπολογίας ο κάθε ένας, προκειμένου να συγκριθούν και να αναλυθούν τα αποτελέσματα με βάση τη θεωρητική ανάλυση που έχει προηγηθεί. / The aim of this dissertation was to present the power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources. Once both the renewable energy sources and the power electronics are discussed, different topologies of power converters that can be used in such systems are presented. Converters’ operation is firstly explained, followed by a list of advantages and disadvantages of them so as the reader can make an easy, fast and direct comparison. Storage systems appropriate for renewable energy sources systems are also shown. At the end, a simulation of a photovoltaic system with three different kinds of inverter is performed in order to compare and analyze the results based on the theoretical analysis previously presented.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο ελέγχου συστημάτων ισχύος και ειδικότερα στην εφαρμογή προηγμένων μεθόδων στην ανάλυση και τον έλεγχο στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών οδηγούμενων από ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος. Ειδικότερα, λαμβάνοντας υπόψη τα ακριβή μη γραμμικά μοντέλα των μετατροπέων ισχύος και των ηλεκτρικών μηχανών, αναλύεται η μορφή και η συμπεριφορά των ολοκληρωμένων συστημάτων που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση των μηχανών και αποδεικνύεται ότι τα μοντέλα αυτά μπορούν να περιγραφούν με τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που μελετώνται είναι ο μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης και ο τριφασικός μετατροπέας σε λειτουργία ανορθωτή και μετατροπέα, ενώ επίσης μελετώνται οι μηχανές ΣΡ ξένης διέγερσης και με διέγερση σε σειρά καθώς επίσης και η τριφασική επαγωγική μηχανή. Έχοντας αναπτύξει τα πλήρη μοντέλα, προτείνεται ένας νέος μη γραμμικός νόμος ελέγχου κατάλληλος για τη γενική παθητική Hamiltonian μορφή των συστημάτων τα οποία περιλαμβάνουν διακοπτικούς μετατροπείς ισχύος. Μια εκτενής μη γραμμική μαθηματική ανάλυση αποδεικνύει ότι ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου εγγυάται ευστάθεια και σύγκλιση στο επιθυμητό σημείο ισορροπίας για το σύστημα κλειστού βρόχου. Ο έλεγχος αυτός εφαρμόζεται για τον έλεγχο κινητήρων ΣΡ οδηγούμενων από μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης καθώς και στην τριφασική επαγωγική μηχανή. Η ανάλυση και η εφαρμογή του ελέγχου οδηγεί στην ανάγκη για επεκτάσεις στη μορφή του ώστε να αυξηθεί η σθεναρότητά του ως προς τις αρχικές συνθήκες, να βελτιωθεί η μεταβατική του συμπεριφορά και να εφαρμοστεί κατάλληλα σε τριφασικούς μετατροπείς ισχύος ώστε να εγγυάται συγκεκριμένες λειτουργίες όπως γραμμική διαμόρφωση. Με την εφαρμογή του ελέγχου στην επαγωγική μηχανή, προτείνεται μια πλήρης σχεδίαση που λειτουργεί είτε βασιζόμενη στη λογική του προσανατολισμένου πεδίου, είτε πλήρως ανεξάρτητα από αυτή, ενώ μελετάται και η συμπεριφορά του σε καταστάσεις εξασθένησης πεδίου. Τέλος, η λογική του ελέγχου επιβεβαιώνεται σε ένα σύστημα ανεμογεννήτριας συνδεδεμένης στο δίκτυο μέσω πλήρους συστήματος μετατροπέων ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος. Σε όλες τις περιπτώσεις παρουσιάζονται προσομοιώσεις και κατά το δυνατό πειραματικά αποτελέσματα μέσω κατάλληλων εργαστηριακών διατάξεων. / The present PhD dissertation is addressed in the research field of control of power systems and more precisely in providing advanced methods for the analysis and control of electrical machines driven by power devices. Particularly, taking into account the accurate nonlinear models of the power converters and the electrical machines, the structure and the behavior of the complete models used for machine driving are analyzed based on the generalized Hamiltonian-passive form. The power converters discussed are the DC/DC boost converter and the three-phase power converter used as a rectifier or an inverter, while the separately-excited and the series-connected DC motors along with the three-phase induction machine are studied as well. After providing the complete dynamic models, a new nonlinear control scheme suitable for the generalized Hamiltonian-passive systems with switching devices is proposed. Using an extended mathematical analysis, it is proven that the proposed controller guarantees stability and convergence to the desired equilibrium for the closed-loop system. The proposed control application is tested for DC drive systems fed by DC/DC boost converters as well as for induction motor systems fed by AC/DC/AC converters. The control analysis and application leads to the extension of the control structure in order to increase the robustness with respect to the initial conditions, to improve the transient performance and to be suitably applied in three-phase power converter systems, guaranteeing simultaneously certain operating constraints such as linear modulation. For the case of the induction motor control, a complete form of the controller is proposed that acts either in the frame of field-orientation or independently from it, while the controller is also studied in field-weakening conditions. Finally, the controller performance is studied in a wind generating system connected to the grid through a full-scale power converter. In all cases, simulation results are presented while experimental results are provided where possible by using suitable laboratory testbeds.

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.

Η ατμοσφαιρική ρύπανση επηρεάζει την δημόσια υγεία, το φυσικό οικοσύστημα και επιφέρει μεταβολές στις κλιματικές συνθήκες. Το πρόβλημα της αέριας ρύπανσης παρουσιάζεται εντονότερο σε αστικές περιοχές, όπου η συσσώρευση ανθρωπίνων δραστηριοτήτων οδηγεί κατά κανόνα σε αυξημένες εκπομπές αερίων. Κάτω από την επήρεια δυσμενών μετεωρολογικών συνθηκών, τα επίπεδα συγκεντρώσεων των ρύπων μπορούν να ξεπεράσουν τα όρια της Παγκόσμιας Οργάνωσης Υγείας. Για την αποτελεσματική αντιμετώπιση του προβλήματος είναι απαραίτητη η ανάλυση και η σωστή περιγραφή όλων των φαινομένων και παραγόντων που καθορίζουν τις σχέσεις πηγής – αποδέκτη και ατμοσφαιρικών ρύπων. Για το σκοπό αυτό ενδείκνυνται κυρίως μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης μετεωρολογικών φαινομένων και φαινομένων διασποράς και μετασχηματισμού ρύπων. Η έντονη ευαισθητοποίηση της κοινής γνώμης σε θέματα σχετικά με την προστασία του περιβάλλοντος αναγκάζει τις κυβερνήσεις των χωρών να επιβάλλουν την διερεύνηση των συνεπειών έργων και δραστηριοτήτων στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Τα μοντέλα διασποράς ατμοσφαιρικών ρύπων είναι εύχρηστα εργαλεία που μπορούν να εκτιμήσουν συγκεντρώσεις ρύπων, έτσι ώστε αυτές να είναι αντιπροσωπευτικές στο χώρο και στον χρόνο. Οι μετρήσεις ρύπων με όργανα λαμβάνονται σε συγκεκριμένες θέσεις και ως εκ τούτου δεν είναι αντιπροσωπευτικές για μεγαλύτερες περιοχές. Μέσες τιμές ρύπων για μεγαλύτερες περιοχές υπολογίζονται εύκολα με μοντέλα ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Σκοπός αυτής της εργασίας, είναι η πρόβλεψη των συγκεντρώσεων των ρύπων διοξειδίου του θείου SO2, ολικών οξειδίων του αζώτου NOx και της ποσοστιαίας κατανομής της συνεισφοράς των πηγών ρύπανσης στις συγκεντρώσεις των ρύπων που καταγράφονται στις θέσεις των αποδεκτών με την χρήση του λογισμικού AERMOD της Εταιρίας Περιβαλλοντικής Προστασίας (EPA) των ΗΠΑ. Το AERMOD χρησιμοποιεί γκαουσιανά μοντέλα διασποράς. Για τον σκοπό αυτό συγκεντρώνονται και χρησιμοποιούνται πολλά και διαφορετικού τύπου δεδομένα, όπως μετεωρολογικά, γεωγραφικά, κυκλοφορίας αυτοκινήτων και πλοίων, εκπομπές ρύπων κ.α. Επίσης γίνεται η υπόθεση, ότι οι μεγαλύτερες συνεισφορές στην ατμοσφαιρική ρύπανση της Πάτρας γίνονται από την κυκλοφορία των αυτοκινήτων, από τα πλοία του λιμανιού και τις κεντρικές θερμάνσεις των κατοικιών. Η πρόβλεψη που προκύπτει μετά από την επεξεργασία των παραπάνω δεδομένων από το πρόγραμμα AERMOD συγκρίνεται με τα διαθέσιμα αποτελέσματα των μετρήσεων για ατμοσφαιρικούς ρύπους από το Εργαστήριο Τεχνολογίας του Περιβάλλοντος, που έγιναν στην Πάτρα στο διάστημα από τις 13 Νοεμβρίου του 1997 έως τις 23 Ιανουαρίου του 1998, κατά τις πρωινές (8:30 – 9:30) και βραδινές ώρες (20:30 – 21:30) στα πλαίσια διπλωματικής εργασίας υπό την επίβλεψη του κ. Π. Γιαννόπουλου. Στο Κεφάλαιο 1 αναφέρονται γενικές πληροφορίες για την ατμοσφαιρική ρύπανση, την πόλη της Πάτρας, για τους σημαντικότερους ρύπους της ατμόσφαιρας, αλλά και το πώς τα μετεωρολογικά φαινόμενα επηρεάζουν την διασπορά των ρύπων. Στο 2ο Κεφάλαιο αναφέρονται γενικές πληροφορίες για τα σημαντικότερα μαθηματικά μοντέλα ατμοσφαιρικής διασποράς, ενώ στο 3ο κεφάλαιο γίνεται μία γενική περιγραφή του θεωρητικού υπόβαθρου του προγράμματος AERMOD και του Προγράμματος AERMET. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα γεωγραφικά και μετεωρολογικά δεδομένα, τα δεδομένα για τους φόρτους κυκλοφορίας των οχημάτων στην πόλη της Πάτρας αλλά και πληροφορίες για την κίνηση των πλοίων στο παλιό λιμάνι της Πάτρας. Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι υπολογισμοί των εκπομπών των ρύπων από τα αυτοκίνητα, τα πλοία και τις κεντρικές θερμάνσεις των κατοικιών. Επίσης παρουσιάζεται η ποσοστιαία κατανομή των εκπομπών από τις πηγές ατμοσφαρικής ρύπανσης και η συνεισφορά της κάθε μιας στην ρύπανση της ατμόσφαιρας. Τέλος παρουσιάζονται οι προβλέψεις που προκύπτουν για τις συγκεντρώσεις των ρύπων στις θέσεις των αποδεκτών και η σύγκριση αυτών με τις μετρήσεις για ατμοσφαιρικούς ρύπους που είχαν γίνει από το Νοέμβριο του 97 έως τον Ιανουάριο του 98. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας. Σαν συμπέρασμα της εργασίας προκύπτει ότι τα γκαουσιανά μοντέλα ατμοσφαιρικής διασποράς είναι χρήσιμα εργαλεία για την βραχυπρόθεσμη πρόγνωση των επιπέδων ρύπανσης, την εκτίμηση της συνεισφοράς των επί μέρους πηγών στην ποιότητα του αέρα και τη βελτιστοποίηση των στρατηγικών αντιρρύπανσης. Επισημαίνεται ότι τα μοντέλα προσομοίωσης αποτελούν την μοναδική μεθοδολογία αναφορικά με την δυνατότητα εκτίμησης της συνεισφοράς των επιμέρους πηγών. Επίσης, από τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για την προέλευση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην πόλη της Πάτρας, όπως το ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της (65 – 76% για το SO2 και 85 – 92% για NOx) προέρχεται από την κυκλοφορία των οχημάτων, ενώ αξιοσημείωτα είναι και τα ποσοστά των ρύπων που προέρχονται από τις κεντρικές θερμάνσεις (17 – 29% για το SO2 και 7,5 – 14,2% για NOx). Επίσης από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι τα ποσοστά των ΝΟx που προέρχονται από τα πλοία είναι πολύ μικρά (0,3% - 0,4%), ενώ αντίθετα τα αντίστοιχα ποσοστά του SO2 (6% – 7%) είναι αξιοσημείωτα. Τέλος, άξιο αναφοράς είναι ότι όπως προκύπτει από τις συγκεντρώσεις των ρύπων που προβλέπει το AERMOD, φαίνεται ότι σε μία ζώνη πλάτους 400 m γύρω από το λιμάνι το ποσοστό της συγκέντρωσης του SO2 είναι αυξημένο (8% – 9%). / Air pollution affects public health, natural ecosystem and bring changes in climatic conditions. The problem of air pollution are most marked in urban areas, where the accumulation of human activities should lead to increased greenhouse gases. Under the influence of adverse weather conditions, the concentration levels of pollutants can overcome the limits of the World Health Organization. For the effective address of this problem is necessary to analyze all phenomena and factors that define the relationship source - receptor and atmospheric pollutants. For this purpose are suitable mathematical models simulating weather patterns and phenomena of dispersion and transformation of pollutants. The intense public awareness on issues related to the protection of the environment forces governments to impose the investigation of the effects of projects to the atmosphere. The air pollutant dispersion models are handy tools that can estimate pollutant concentrations, so that they are representative in space and time. The measurements of pollutants with instruments done at specific locations and therefore they are not representative for larger areas. Mean values for pollutants at larger areas easily calculated with models of atmospheric pollution. The aim of this work is the prediction of pollutant concentrations of sulfur dioxide SO2, total nitrogen oxides NOx and the percentage distribution of the contribution of pollution sources in pollutant concentrations recorded at the locations of receptors with the use of the software AERMOD. AERMOD belongs to the Environmental Protection Company (EPA) in the USA. AERMOD uses Gaussian dispersion models. For this purpose collected and used many different types of data, such as meteorological, geographical, automobile traffic and ship emissions, etc. Also it is assumed that the greatest contributions to air pollution of Patras come from the circulation of cars, from the port's ships and from the heating installations. The prediction obtained after processing the above data from the AERMOD program comes in comparison with the available results of measurements of air pollutants from the Laboratory of Environmental Engineering, held in Patras in the period from 13 November 1997 until 23 January 1998 in the morning (8:30 - 9:30) and evening (20:30 - 21:30) in the thesis under the supervision of Mr. P. Giannopoulos. In Chapter 1 reported general information on air pollution, about the significant atmospheric pollutants, and how weather conditions affect the dispersion of pollutants. In the second chapter reported general information about the most important mathematical atmospheric dispersion models, while in the third chapter gives a general description for the theoretical background of the programs AERMOD and AERMET. In Chapter 4 presents the geographical and meteorological data, data on motor vehicle traffic volumes in the city of Patras and information on the movement of ships in the old harbor of Patras. In the fourth chapter presented calculations of emissions of pollutants from cars, ships and central heating of homes. Also in the fourth chapter reported the percentage distribution of emissions from sources of atmospheric pollution and contribution of each in the pollution. Finally in the fourth chapter presented the forecasts for the concentrations of pollutants in the positions of the receptors and compare them with measurements for atmospheric pollutants that were made from November 97 until January 98. In Chapter 5 presented the conclusions of the work. As a conclusion of this study shows that the Gaussian atmospheric dispersion models are useful tools for short-term forecasting of pollution levels, and for the assessment of the contribution of individual sources on air quality. Noted that the simulation models are the unique methodology regarding the possibility of assessing the contribution of individual sources. Also, from the results of this work resulting conclusions about the origin of air pollution in the city of Patras, such that the highest percentage (65 - 76% for SO2 and 85 to 92% for NOx) comes from traffic vehicles, while noteworthy are the percentages of pollutants from central heating (17 - 29% for SO2 and 7.5 to 14.2% for NOx). Also, from the results it appears that rates of NOx from ships are very small (0.3% - 0.4%), while the corresponding percentages of SO2 (6% - 7%) is remarkable. Finally, it is worth mentioning that as indicated by the concentrations of pollutants that AERMOD calculates , it seems that in a zone extending 400 m around the harbor, the percentage of the concentration of SO2 is increased (8% - 9%).

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.

Με τα δίκτυα αισθητήρων μπορούμε να παρακολουθούμε το περιβάλλον και να εξάγουμε χρήσιμη πληροφορία με αυτόματο τρόπο. Τα τελευταία χρόνια, λόγω και της ανάπτυξης κατάλληλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, έχουν εμφανιστεί κόμβοι αισθητήρων σε πολύ μικρό μέγεθος. Αυτοί οι κόμβοι έχουν την δυνατότητα να επεξεργάζονται δεδομένα, να επικοινωνούν μεταξύ τους και να περιέχουν περισσότερα από ένα είδη αισθητήρων. Η συγκεκριμένη εργασία ασχολείται με δίκτυα τυχαία διασκορπισμένων αισθητήρων. Το πρόβλημα που μελετήθηκε είναι ο εντοπισμός της θέσης πολλαπλών πηγών από το δίκτυο. Οι πηγές εκπέμπουν ευρείας ζώνης σήματα που μοντελοποιούνται ως διαδικασίες AR. Η τεχνική λειτουργεί με έναν σειριακό τρόπο. Επιλέγει μια πηγή, εκτιμά τις διαφορές χρόνων άφιξης του σήματός της και υπολογίζει την θέση της πηγής χρησιμοποιώντας το κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων. Στην συνέχεια, ακυρώνει το σήμα της πηγής από τα σήματα που έχουν λάβει οι κόμβοι του δικτύου και η όλη διαδικασία ξεκινάει από την αρχή. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν την επιτυχή λειτουργία της στην περίπτωση που υπάρχει στην περιοχή του δικτύου μια, δυο ή τρεις πηγές. / Sensor networks are used for monitoring an environment and extracting useful information in an automated way. In recent years, mostly because of the development of suitable integrated circuits, sensor nodes, in small sizes, have emerged. These nodes are capable of processing data, communicating with each other and multi-modal sensing. The thesis is concerned with ad-hoc sensor networks. The problem, that is tackled, is the estimation of position of sources in a multi-source environment. The signals, that are emitted, are modelled as AR processes. The proposed method works in a serial manner. Firstly, one of the sources is selected and the time differences of arrival among the sensor nodes are computed. Then, the position of the source is estimated using the least squares criterion. Finally, the signal of the source is cancelled from the sensor nodes’ received signals and the whole procedure starts over. Experimental results show the functionality of the method when one, two or three sources are present in the environment.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη φωτοευαίσθητων ηλεκτροκαταλυτών TiO2 και η μορφοποίηση τους σε ηλεκτρόδια, τα οποία και μελετήθηκαν ως προς την φωτοηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου από νερό ή/και οργανικές ενώσεις. Τα ηλεκτρόδια λεπτών υμενίων παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο εμβάπτισης – επίστρωσης σε διάλυμα TiO2. Τα ηλεκτρόδια Τιτάνιας ήταν νανοπορώδη και παρουσίαζαν νανοκρυσταλλική δομή ανατάση με μέγεθος σωματιδίων 15 nm. Η μελέτη των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε σε φωτοηλεκτροχημικό αντιδραστήρα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η φωτοβόληση των ηλεκτροδίων τιτάνιας τα ενεργοποιεί, διεγείροντας ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και δημιουργώντας οπές στη ζώνη σθένους. Για την παραγωγή υδρογόνου ήταν απαραίτητη η επιβολή δυναμικού ή η παρουσία οργανικών ενώσεων στον ηλεκτρολύτη. Ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου βελτιστοποιήθηκε συναρτήσει του πάχους του υμενίου και της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων στον ηλεκτρολύτη. Συμπερασματικά έχει τεράστιο δυναμικό για εφαρμογή σε φωτοηλεκτροχημικά κελιά καυσίμου για ταυτόχρονο καθαρισμό υδάτων από οργανικούς ρύπους και παραγωγή ενός «καθαρού» καυσίμου, του υδρογόνου. / The object of this thesis is the composition, characterization and the study of photosensitive TiO2 electrocatalysts and their formation in electrodes, which were studied for the photoelectrochemical production of hydrogen from water and/or organic compounds. The thin film electrodes were prepared with the dip - coating method in TiO2 solution. The titania electrodes were nanoporous and nanocrystaline, of anatase phase with particle size 15 nm. The study of electrodes took place in a photoelectrochemical reactor. The results showed that the illumination of the titania electrode activates it, arousing electrons in the conduction band and creating holes in the valence band. For the production of hydrogen, it was necessary to apply potential, or the presence of organic compounds in the electrolyte. The production rate of hydrogen was optimised with respect to the thickness of the film and the concentration of organic compounds in the electrolyte. In conclusion, this method has enormous potential for application in photoelectrochemical fuel cells for simultaneous cleaning of water from organic pollutants and production of “clean” fuel, hydrogen.

Στις μέρες μας το ενεργειακό πρόβλημα αποτελεί ένα από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη, το οποίο μαζί με την ραγδαία κλιματική αλλαγή οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο πιο οικονομικό αλλά και φιλικό με το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό και αλλάζουν άρδην τόσο τον Ευρωπαϊκό όσο και τον Παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε μια διάταξη ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), από έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και από ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Επιπλέον, η απουσία μηχανικών εξαρτημάτων στην σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), όπως δακτυλίων ολισθήσεως και ψηκτρών, την κάνει, ελαφρότερη, με υψηλότερο λόγο ισχύος προς βάρος γεγονός που της προσδίδει μεγαλύτερη αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Λόγω των προαναφερθέντων πλεονεκτημάτων, η σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη (PMSG) αποτελεί μια ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Σκοπός λοιπόν αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε το πλήρες σύστημα της ανεμογεννήτριας στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου ούτως ώστε να επιτύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης αλλά υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος για την πλευρά του δικτύου. Τέλος, προσομοιώνουμε το πλήρες σύστημα με το Simulink του Matlab και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα. / Nowadays the energy problem is one of the most important global problems, which together with the rapid climate change lead to the need for power generation as more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind power have a great role in this objective and radically change both the European and the global energy map. In this thesis we consider a wind turbine device, which comprises a permanent magnet synchronous machine (PMSG), a frequency converter (back-to-back converter) and an R-L filter on the grid side. Thus, the absence of mechanical parts in permanent magnet synchronous machine (PMSG), as sliding rings and brushes, to make, lighter, with a higher power to weight ratio which gives greater efficiency and reliability. Due to the above advantages, the permanent magnet synchronous machine (PMSG) is an attractive solution for the wind. Aim of this thesis is to study the complete wind turbine system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and to apply the appropriate control methodology in order to achieve maximum energy harvesting from the wind, with a simultaneous control of the dc link voltage under unit power factor for the grid side. Finally, we simulate the complete system with the Matlab Simulink and then we present simulations of the responses and draw conclusions.

Με το πέρασμα των χρόνων, τα συστήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποκτούν ολοένα και περισσότερο μέρος στα ηλεκτρικά δίκτυα. Το ενεργειακό πρόβλημα καθώς και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον που αυτό δημιουργεί, οδηγούν σε εναλλακτικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι προστίθονται στο δίκτυο εξαρτήματα τα οποία πρέπει να λειτουργούν αρμονικά το ένα σε σχέση με το άλλο για τον κατάλληλο χειρισμό της ηλεκτρικής ισχύος. Τέτοια εξαρτήματα είναι η μονάδα μετατροπής ενέργειας, ο μετατροπέας, το φίλτρο στην έξοδο του μετατροπέα καθώς και άλλες μονάδες πολύπλοκες ή πιο απλές. Η διακοπτική λειτουργία του μετατροπέα καθώς και η στοχαστική διαδικασία της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές, προκαλούν τάσεις και ρεύματα με ανώτερες αρμονικές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα εξετάσουμε διάφορες μεδόδους ελέγχου ισχύος στην πλευρά του δικτύου, με διάφορους τύπους φίλτρων και φορτίων στην έξοδο του μετατροπέα με σκοπό να εντοπίσουμε τις ομοιότητες και τις διαφορές ανάλογα με την τοπολογία που χρησιμοποιούμε. Τα συστήματα που θα εξομοιώσουμε περιλαμβάνουν την dc διασύνδεση, έναν μετατροπέα ισχύος που λειτουργεί με την μέθοδο PWM, διάφορες τοπολογίες φίλτρων όπως RL, LC και LCL σε ισχυρό δίκτυο και τέλος με διάφορα είδη φορτίων, δηλαδή σε ασθενές δίκτυο. Οι έλεγχοι θα εφαρμοστούν στο dq σύγχρονα στρεφόμενο σύστημα αναφοράς με την συχνότητα του δικτύου, με την βοήθεια του μετασχηματισμού Park έτσι ώστε να ελέγξουμε την dc τάση διασύνδεσης και να επιτύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος από την πλευρά του δικτύου. Τέλος θα προσομοιώσουμε τα παραπάνω συστήματα στο Simulink του Matlab και θα εξάγουμε τα αντίστοιχα συμπεράσματα από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. / During the years, systems of renewable energy sources are becoming more a significant part of electrical networks. The energy problem and its impact on the environment, lead to alternative methods of electricity production. This means that components added to the network must operate harmoniously in relation one to another for proper handling of electrical power. Such components are the power conversion unit, the inverter, the filter at the output of converter units and other complex or simple devices. The switching operation of the converter and the stochastic process of producing electricity from renewable sources, can provoke voltages and currents of higher harmonic spectrum. In this paper we will examine various methods to control power injected in the utility network with different types of filters and loads on the output of the converter in order to identify similarities and differences depending on the topology used. The systems will include simulation of dc link, a power converter that operates method PWM, different filter topologies such as RL, LC and LCL and then of different load topologies. The control will be applied in modern dq rotating reference system to the grid frequency, making use of the Park transformation to control the dc link voltage and succeed unit power factor in the grid side. In conclusion, simulations of these systems will be done in Simulink of Matlab and conclusions will be drowned.