Στην παρούσα εργασία μελετάται η λειτουργία και η προστασία υβριδικών συστημάτων αποτελούμενων από φωτοβολταϊκά στοιχεία και κυψέλες υδρογόνου. Τέτοιου είδους υβριδικά συστήματα περιλαμβάνουν δύο πηγές ενέργειας με σκοπό να επιτυγχάνεται σταθερή παραγωγή ισχύος και κατά τη διάρκεια της νύχτας, όταν η ηλιακή ενέργεια δεν είναι διαθέσιμη. Η ισορροπία αυτή διατηρείται μέσω της χρήσης κυψελών καυσίμου. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται γενικές πληροφορίες για τα φ/β συστήματα. Ξεκινώντας από την ηλιακή ακτινοβολία και την ελάχιστη μονάδα κάθε φ/β συστήματος, το φ/β στοιχείο ή κύτταρο επεξηγούνται τα χαρακτηριστικά κι οι κατηγορίες των φ/β συστημάτων. Εν συνεχεία, περιγράφεται ο μηχανισμός δημιουργίας του φ/β φαινομένου και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φ/β συστημάτων. Ακολουθεί μια συνοπτική παρουσίαση των διάφορων τεχνολογιών φ/β πλαισίων, καθώς και της απόδοσης αυτών και των παραγόντων που την επηρεάζουν. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με αναφορά στα υπόλοιπα μέρη ενός φ/β συστήματος, όπως ο αντιστροφέας, οι μπαταρίες και λοιπά βοηθητικά συστήματα. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται στο υδρογόνο και την μετατροπή αυτού σε ηλεκτρισμό ή θερμότητα μέσω κυψελών καυσίμου. Στην αρχή, δίνονται γενικά στοιχεία για το υδρογόνο, τις ιδιότητές του, τις μεθόδους παρασκευής και αποθήκευσης αυτού κι ακόμη στοιχεία για το υδρογόνο ως καύσιμο. Κατόπιν, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας και οι κύριοι τύποι κελιών καυσίμου, ενώ γίνεται προσπάθεια θεωρητικής και πρακτικής προσέγγισης της απόδοσης και της μέγιστης τάσης αυτών. Τέλος, το κεφάλαιο συμπληρώνουν σκέψεις για το υδρογόνο ως μελλοντικό φορέα ενέργειας και την οικονομία του υδρογόνου. Στο τρίτο κεφάλαιο εξηγείται η έννοια του υβριδικού συστήματος, καθώς και πλεονεκτήματα των υβριδικών συστημάτων φ/β με κυψέλες υδρογόνου. Ακολούθως, αναλύεται ο καταμερισμός φορτίου σε υβριδικό σύστημα φ/β με κυψέλες υδρογόνου, όπως κι η περιγραφή κι η λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος. Στην τελευταία ενότητα αναζητείται η βέλτιστη διασύνδεση φ/β συστοιχιών και PEM ηλεκτρολυτών σε υβριδικά συστήματα κατάλληλα για την τροφοδότηση απομακρυσμένων περιοχών για την επίτευξη μέγιστης μεταφοράς ισχύος, αλλά και χαμηλότερου ανά μονάδα κόστους. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο, ακολουθoύνται οι κανόνες της διεθνούς εμπειρίας και οι ισχύοντες κανονισμοί για την προστασία υβριδικού συστήματος φ/β στοιχείων με κυψέλες υδρογόνου. Μελετάται η περίπτωση βραχυκυκλώματος και προτείνονται μέτρα που πρέπει να ληφθούν μέσω της καλωδίωσης, διακοπτών προστασίας αγωγών, διόδων κι ασφαλειών. Γίνεται σύγκριση των I – V χαρακτηριστικών καμπυλών σε κανονικές συνθήκες και σε συνθήκες σκίασης και σφάλματος. Έπεται η αντικεραυνική προστασία διαμέσου εξωτερικού ΣΑΠ, ισοδυναμικών συνδέσεων κι απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων. Η εργασία ολοκληρώνεται με αναφορά στην επικινδυνότητα εγκαταστάσεων υδρογόνου, τους κινδύνους και τα σενάρια ατυχημάτων. Το κεφάλαιο καταλήγει με τρόπους περιορισμού αυτών των επικίνδυνων καταστάσεων και τους κανόνες ασφαλείας που έχουν θεσπιστεί για το υδρογόνο. / This essay examines hybrid systems’ operation and protection consisted of photovoltaic and fuel cells. Such hybrid systems include two energy sources in order to maintain a consistent level in power production even during the night, when solar radiation is not available. The use of fuel cells ensures this equilibrium. In the first chapter a piece of general information about pv systems is given. Firstly, explaining meanings like solar radiation and pv cell, pv systems are classified. Subsequently, the mechanism of pv phenomenon and the pv systems’ electrical characteristics are described. A concise presentation of pv modules’ technology and efficiency follows. The chapter concludes with regard to rest parts of pv systems, such as inverter, batteries and auxiliary systems. The second chapter refers to hydrogen and its conversion into electricity or heat via fuel cells. Firstly, a piece of general data about hydrogen and its properties, conoction and storage methods is given. Furthermore, the fuel cell’s fundamental principles and basic types are presented, whilst a theoretical and a practical approach of fuel cell’s efficiency and maximum voltage follows. Some thoughts about the future hydrogen economy end this chapter. In the third chapter the meaning of hybrid system, as well the advantages of pv-hydrogen systems are explained. Subsequently, load sharing in a hybrid pv-fc system as well as the description and the operation of such a system are analysed. In the last unit the optimal coupling of pv arrays to PEM electrolysers in solar-hydrogen systems for remote area power supply is searching out. In the last chapter, according to international codes, protection of solar-hydrogen system is analysed. The case of a short-circuit is examined and measures must be taken via wiring, circuit breakers, diodes and fuses. Then,I –V characteristics at normal conditions are compared with characteristics recorded under partial shadowing or failure. In addition, lightning protection via LSP and SPDs is described. The essay concludes with regard to hydrogen installations’ dangers and possible accidents. Some implemented measures and safety rules end this unit.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των βασικών διατάξεων από τις οποίες αποτελείται ένα μονοφασικό φωτοβολταϊκό σύστημα που συνδέεται στο δίκτυο, ο σχεδιασμός του καθώς επίσης και η εξομοίωσή του με χρήση του πακέτου MATLAB/SIMULINK. Το σύστημα περιλαμβάνει την φωτοβολταϊκή γεννήτρια, τον μονοφασικό αντιστροφέα, τον dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα, ένα L-C φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα καθώς επίσης και φορτίο, το οποίο μεσολαβεί μεταξύ φίλτρου και δικτύου. Ο σχεδιασμός ενός συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος περιλαμβάνει: τον προσδιορισμό του αριθμού των κυττάρων ή πλαισίων που θα συνδεθούν σε σειρά και παράλληλα, της χωρητικότητας του dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα και του μεγέθους του L-C φίλτρου. Η εξομοίωση στο γραφικό περιβάλλον SIMULINK είχε σαν στόχο την απεικόνιση των κυματομορφών ρεύματος και τάσης σε διάφορα σημεία του κυκλώματος καθώς επίσης και την καταγραφή των αρμονικών μέχρι και 49ης τάξης της τάσης στο φορτίο και του ρεύματος στον κλάδο πριν το φορτίο. Οι συνθήκες που έπρεπε να πληρούνται κατά την εξομοίωση ήταν: 1) η dc τάση στην είσοδο του αντιστροφέα να κυμαίνεται κοντά στην τιμή της τάσης που αντιστοιχούσε στο σημείο μέγιστης ισχύος 2) η διαφορά φάσης μεταξύ τάσης στο φορτίο και ρεύματος στον κλάδο πριν το φορτίο να είναι σχεδόν μηδενική. / -

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση φωτοβολταϊκού (ΦΒ) συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο διανομής της ΔΕΗ. Στόχος είναι η αναλυτική παρουσίαση των μονάδων που χρησιμοποιούνται στο συνδεδεμένο στο δίκτυο φωτοβολταϊκό σύστημα ούτως ώστε να καθίσταται δυνατή η εγκατάσταση του. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγική αναφορά για την ανάγκη χρησιμοποίησης των ΦΒ συστημάτων, τα είδη των συστημάτων που χρησιμοποιούνται σήμερα καθώς και των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που έχουν σε σχέση με τις υπόλοιπες πηγές ενέργειας που έχει στη διάθεση του ο άνθρωπος σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή της ηλιακής ακτινοβολίας. Παρουσιάζονται οι εξισώσεις υπολογισμού της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και οι εξισώσεις υπολογισμού της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας που προσπίπτουν σε μια επιφάνεια. Ακόμα, γίνεται αναφορά στη διαδικασία επιλογής κατάλληλου προσανατολισμού του φωτοβολταϊκού πλαισίου ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από το ΦΒ πλαίσιο. Στο τελευταίο τμήμα του κεφαλαίου αυτού περιγράφονται τα όργανα μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας και η αρχή λειτουργίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται λεπτομερώς η διαδικασία παραγωγής ενέργειας όταν προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία σε μια επαφή δυο διαφορετικά νοθευμένων ημιαγωγών (φωτοβολταϊκό φαινόμενο). Στη συνέχεια περιγράφονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων και οι σημαντικότεροι παράγοντες που τα επηρεάζουν. Ακόμα γίνεται αναφορά στα είδη των φωτοβολταϊκών στοιχείων που έχουν κατασκευαστεί καθώς και στα ημιαγωγικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τους. Το κεφάλαιο κλείνει με την περιγραφή του τρόπου σύνδεσης των ΦΒ στοιχείων και τις διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται ώστε να μειώνονται όσο το δυνατόν περισσότερο οι απώλειες όταν κάποιο από τα συνδεδεμένα ΦΒ στοιχεία είτε δεν λειτουργεί είτε είναι σκιασμένο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αρχικά γίνεται μια αναφορά των ειδών των συνδεδεμένων στο δίκτυο φωτοβολταϊκών συστημάτων που υπάρχουν και εν συνεχεία παρουσιάζονται εκτενώς οι κατηγορίες των DC-AC μετατροπέων που χρησιμοποιούνται στα συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα. Επίσης, περιγράφονται οι λειτουργίες που εκτελούν οι σύγχρονοι συνδεδεμένοι με το δίκτυο αντιστροφείς, η αρχή λειτουργίας τους, τα χαρακτηριστικά τους καθώς και οι ιδιότητες τους. Ακόμα περιγράφεται η συμπεριφορά του αντιστροφέα όταν συμβαίνει το φαινόμενο της υπερφόρτωσης. Στο τελευταίο τμήμα της ενότητας αυτής δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη ώστε να επιλεγεί ο κατάλληλος αντιστροφέας για τη βέλτιστη λειτουργία του συστήματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη του συνδεδεμένου στο δίκτυο συστήματος. Αναφέρονται τα κριτήρια επιλογής της ισχύος του συστήματος και ο τρόπος υπολογισμού της ενέργειας που παράγεται. Στη συνέχεια, καταγράφονται οι εξισώσεις υπολογισμού του αριθμού των πλαισίων, καθορισμού της συνδεσμολογίας της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, υπολογισμού της ισχύος εξόδου, υπολογισμού της ελάχιστης απόστασης μεταξύ δυο γειτονικών σειρών ΦΒ πλαισίων και του εμβαδού που θα καταλαμβάνουν τα ΦΒ πλαίσια. Κατόπιν, περιγράφεται η διαδικασία επιλογής του ιδανικού αντιστροφέα ώστε να επιλεγούν οι απαραίτητοι ηλεκτρικοί αγωγοί με την κατάλληλη διατομή. Εν συνεχεία, αναφέρεται ο τρόπος υπολογισμού των ηλεκτρικών καταναλώσεων που ενδεχομένως θα υπάρχουν. Τέλος, περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος γείωσης του συστήματος καθώς και των παραμέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη ώστε να είναι ασφαλής η σύνδεσή του στο δίκτυο. Στο έκτο κεφάλαιο μελετάται αναλυτικά η εγκατάσταση των συνδεδεμένων στο δίκτυο φωτοβολταϊκών συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις. Περιγράφεται ο τρόπος επιλογής σωστού προσανατολισμού των φωτοβολταϊκών πλαισίων τα οποία είναι τοποθετημένα σε κτιριακή εγκατάσταση και γενικότερα οι παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη για τη σχεδίαση και εγκατάσταση ενός κτιριακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Ακολούθως, αναφέρεται η προστασία των ΦΒ από τυχόν υπερτάσεις καθώς και η αντικεραυνική προστασία τους. Ακόμα, εξηγείται αναλυτικά και παρουσιάζεται με σχήματα η σύνδεση των ΦΒ συστημάτων στο δίκτυο. Τέλος, παρουσιάζονται τα επιτρεπτά όρια και τα προβλήματα που προκύπτουν από την έγχυση αρμονικών συνιστωσών του ρεύματος και της τάσης στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο έβδομο κεφάλαιο μελετάται η εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος 2880 W που περατώθηκε στο εργαστήριο παραγωγής, μεταφοράς , διανομής και χρησιμοποιήσεως ηλεκτρικής ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Περιγράφονται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και οι αντιστροφείς που επιλέχθηκαν, η διαδικασία σύνδεσης των πλαισίων και τέλος υπολογίζονται οι διατομές των καλωδίων που χρησιμοποιήθηκαν. Στα παραρτήματα παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πλαισίων και των αντιστροφέων από τις εταιρίες παραγωγής . / The purpose of the present thesis is the design of a grid connected photovoltaic system. Firstly, the solar radiation as well as the solar radiation particularly in Greece is reported and the mathematical tools to calculate the solar radiation on earth´s surface are provided too. Moreover, the photovoltaic effect is presented and the electrical features of solar cells are analyzed. Yet, an important part of the thesis is the description of the features and properties of the grid connected inventers. Furthermore, a detailed study of a grid connected photovoltaic system is reported (PV modules, inverters, grounding etc.) especially the PV system on a building installation. Finally, a reference to the PV system of a nominal power of 2880W which is installed in the power systems laboratory at the Electrical and Computer Engineering Department at the University of Patras is made.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό ενός Φωτοβολταϊκού Συστήματος, και τη σύνδεση αυτού στο δίκτυο διανομής. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός, πέρα από την εγκατάσταση του εξοπλισμού, είναι η μελέτη του συστήματος που σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί με 3 διαφορετικούς τρόπους: α) Μονοφασικό Σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής, β) Τριφασικό Σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής και γ) Μονοφασικό αυτόνομο Σύστημα. Αρχικά, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και περιγράφεται η κατάσταση στην Ελλάδα σχετικά με αυτές. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς επίσης και ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται ο βέλτιστος τρόπος τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Επιπλέον, εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων και αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών κυττάρων που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Συνεχίζοντας, παρατίθενται τα στοιχεία ενός συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος και οι γενικές αρχές σχεδίασής του. Έπειτα, παρουσιάζεται η μελέτη, ο τρόπος λειτουργίας και ο εξοπλισμός του συστήματος που εγκαταστάθηκε στο Εργαστήριο, και καταγράφονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν και τα σχετικά διαγράμματα για μονοφασική και τριφασική συνδεδεμένη στο δίκτυο λειτουργία. Τέλος, γίνεται αναφορά στις δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. / The Scope of this thesis is the design of a Photovoltaic System, and its connection to the distribution grid. The project was conducted at the Power Systems Laboratory in the Department of Electrical and Computer Engineering of the School of Engineering at the University of Patras. An additional aim of the thesis is the study of the commissioned system, designed to operate in three different functions: a) Single-phase system connected to the distribution grid, b) Three-phase system connected to the distribution grid, and c) Stand-alone Single-phase system. The opening chapter of this study contains a detailed presentation of the existing Renewable Energy Sources, followed by a description of the current situation in Greece. In the next chapter, the variables concerning solar irradiance are analyzed, and the optimal principles of mounting photovoltaic modules are extrapolated. Furthermore, the photovoltaic phenomenon and the electrical behavior of photovoltaic cells is explained, and the photovoltaic technology employed today is concisely mentioned. Also, the components of a photovoltaic system are presented, and the categories and general design principles are covered in detail. Moreover, the study, mode of operation and components of the commissioned system are presented, along with the measurements and the relevant diagrams concerning the Single-phase and Three-phase, grid-connected operation. In conclusion, there is a description of the difficulties and problems that were encountered during the installation of the components.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός, πέρα από την εγκατάσταση του εξοπλισμού, είναι η μελέτη του συστήματος που δημιουργήθηκε ώστε να λειτουργεί με 3 διαφορετικούς τρόπους: α) Μονοφασικό συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής, β) Τριφασικό συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής και γ) Μονοφασικό αυτόνομο. Το σύστημα που δημιουργήσαμε αποτελείται από μία φωτοβολταϊκη συστοιχία με ονομαστική ισχύ 2880 W, τρείς αντιστροφείς συνδεδεμένου συστήματος και ένα αντιστροφέα αυτόνομου συστήματος. Ακόμη για τη σωστή εγκατάσταση χρησιμοποιήσαμε κατάλληλα προστατευτικά στοιχεία, βάσεις, καλώδια και συσσωρευτές. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή για την ενέργεια και τη χρησιμοποίηση της από τον άνθρωπο και περιγράφεται η ηλεκτροπαραγωγή, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και τα βασικά στοιχεία του ηλεκτρικού συστήματος στην Ελλάδα για το 2009. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς επίσης και ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται ο βέλτιστος τρόπος τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στο τρίτο κεφάλαιο, εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων, αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών στοιχείων που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στα είδη των μετατροπέων ισχύος και στο βαθμό απόδοσης τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρατίθενται οι γενικές αρχές δημιουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και παρουσιάζονται τα είδη των Φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μελέτη, ο τρόπος λειτουργίας και ο εξοπλισμός του συστήματος που εγκαταστάθηκε στο Εργαστήριο. Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν και τα σχετικά διαγράμματα, ο σχολιασμός τους όπως επίσης και ο τρόπος καταγραφής τους. Στο όγδοο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στις δυσκολίες που παρουσιάστηκαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. / The present thesis is concerned with the design and installation of a photovoltaic system. The work was conducted at the Power systems Laboratory of the Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The objective of this thesis is the installation of the equipment and the study of the system, set up to work in three different ways: a) Single-phase grid connected, b) Three-phase grid connected and c) Single phase stand-alone. The photovoltaic system that was installed in the laboratory consists of a photovoltaic array with rated power 2880W, 3 inverters for a grid connected system and 1 inverter for a stand-alone system. In addition, cables, protective equipment, mounting bases and batteries were used. The first chapter is an introduction to energy and describes the power production, the renewable energy sources and the basic information of the electrical system of Greece in 2009. The second chapter presents the features of solar radiation, and the optimal method for the mounting of the modules. The third chapter explains the way that the operation of a photovoltaic cell, analyses the electric characteristics and reports the various technologies of the photovoltaics. The fourth chapter analyses the types of the power converters and their efficiency. The fifth chapter presents the general principles of creating a photovoltaic system, the way of their connection, and presents the types of Photovoltaic systems. The sixth chapter presents the way of operation and the equipment of the photovoltaic system that was installed in the Laboratory. The seventh chapter explains the details of the present study regarding the mode of operation and the equipment of the system that was installed in the Lab, showing the relevant measurements and charts. The eighth chapter is a reference to the difficulties encountered throughout the implementation of the project.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διεξαγωγή και επεξεργασία μετρήσεων με στόχο την μελέτη καταπονημένων φωτοβολταϊκων πλαισίων από υπερτάσεις, που δημιουργούνται λόγω κεραυνικών πληγμάτων, για την εξαγωγή συμπερασμάτων για την λειτουργία τους και την απόδοσή τους. Η διάρθρωση της διπλωματικής εργασίας έχει ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και πιο συγκεκριμένα στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Περιγράφονται συνοπτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας, οι κατηγορίες των φωτοβολταϊκών συστημάτων και η σύγχρονη αγορά παγκοσμίως και ειδικότερα στην Ελλάδα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια θεωρητική ανάλυση του φωτοβολταϊκού φαινομένου καθώς επίσης και των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Επίσης αναφέρονται οι παράγοντες και πως αυτοί επηρεάζουν την απόδοση ενός φ/β στοιχείου. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται σε θεωρητικό επίπεδο ο ολοκληρωμένος τρόπος αντικεραυνικής προστασίας φωτοβολταϊκών διατάξεων, όπως ορίζουν οι σχετικοί διεθνείς κανονισμοί και γίνεται αναφορά και στις ζώνες αντικεραυνικής προστασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις με στόχο την σύγκριση των αποδόσεων ενος καταπονημένου φωτοβολταϊκου πλαισίου κι ενός καινούριου. Στην συνέχεια παρατίθενται οι μετρήσεις που διεξήχθησαν κατά τη διάρκεια δύο μηνών (Οκτώβριος – Νοέμβριος, 2009) και επιπρόσθετα οι χαρακτηριστικές Ι – V και P – V των δοκιμαστικών φωτοβολταϊκών πλαισίων που προέκυψαν από κάθε μέτρηση. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η εξαγωγή συμπερασμάτων και η παράθεση προτάσεων για την περαιτέρω μελέτη των επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων, σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. / The object of the following essay is the conduct and elaboration of measurements aiming at the study of stressed photovoltaic frames from hypertensions caused by lightning strikes, for the inference regarding their operation and their efficiency. The structure of this essay is the following: In the first chapter there is a theoretical report in the renewable sources of energy and more precisely in the photovoltaic systems. The advantages and disadvantages of this technology, the categories of photovoltaic systems and the modern market worldwide and more specifically in Greece are briefly described. The second chapter presents a theoretical analysis of the photovoltaic phenomenon as well as the electric characteristics of PV modules. Tthe factors and the influence on the efficiency of PV modules are also reported. The third chapter presents in theoretical level the completed way of lightning protection of PV arrays, as the relevant international regulations define and a briefly report in the areas of lightning protection. The fourth chapter describes the way the measurements were conducted aiming at the comparison of the efficiency between a stressed PV module and a new one. Then, the measurements carried out during two months (October - November, 2009) as well as the characteristics I - V and P - V of the tested PV modules resulted from each measurement are cited. Finally, in the fifth chapter, conclusions are exported and proposals are cited for further study of the lightning strikes consequences , in PV arrays.

Η παρούσα διπλωματική έχει ως σκοπό να διερευνήσει τους τρόπους με τους οποίους θα μπορέσουμε να λειτουργήσουμε φωτοβολταϊκά συστήματα στο βέλτιστο σημείο τους, στο σημείο μέγιστης ισχύος. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται γενικά χαρακτηριστικά, αρχές λειτουργίας και σχέσεις μοντελοποίησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Στο δεύτερο κεφάλαιο εξετάζονται οι διατάξεις Ανίχνευσης Μέγιστου Σημείου Ισχύος (Maximum Power Point Tracking) και δίνεται βαρύτητα στις 3 βασικότερες τοπολογίες των μετατροπέων: DC-DC μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (step down ή buck DC-DC converter), DC-DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης (step up ή boost DC-DC converter), μικτός DC-DC μετατροπέας (step down/up ή buck-boost DC-DC converter). Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά ο μικτός DC-DC μετατροπέας και όλες οι περιπτώσεις λειτουργίας του (λειτουργία συνεχούς ρεύματος, οριακή λειτουργία, ασυνεχής λειτουργία) Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται οι αρχές λειτουργίας και οι βασικές ιδιότητες των αλγόριθμων αναζήτησης MPP. Κατηγοριοποιούνται σε ομάδες ενώ αναφέρονται τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Αναφορικά κάποιοι από αυτούς είναι: ο αλγόριθμος διατάραξης και παρατήρησης, ο αλγόριθμος αυξητικής αγωγιμότητας και ο αλγόριθμος παρασιτικής χωρητικότητας. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται προσομοίωση στον υπολογιστή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος με DC-DC μετατροπέα και σταθερό ωμικό φορτίο με τη βοήθεια του λογισμικού Matlab/Simulink. Γίνεται υπολογισμός των βασικών στοιχείων του και εξάγονται οι γραφικές παραστάσεις για τη λειτουργία του σε διαφορετικές καταστάσεις ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Τέλος, από την προσομοίωση φαίνονται τα αποτελέσματα στην απόδοση του φωτοβολταϊκού όταν μεταβάλουμε το βήμα διαταραχής της σχετικής διάρκειας αγωγής και το χρόνο δειγματοληψίας. / -

- / -

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής είναι η σύγκριση της απόδοσης και του κόστους μιας τυπικής αυτόνομης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε παραδοσιακή κατοικία χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου ή δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CIS) τεχνολογίας thin – film . Για την εξαγωγή συμπερασμάτων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε φωτοβολταϊκά πλαίσια των παραπάνω τεχνολογιών κατά την διάρκεια ενός έτους. Οι μετρήσεις ξεκίνησαν τον Οκτώβριο του 2009 και τελείωσαν τον Σεπτέμβριο του 2010. Έλαβαν χώρα στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Κατά μέσο όρο γίνονταν μετρήσεις δύο φορές κάθε μήνα και σκοπός ήταν να καλύψουμε τουλάχιστον μία περίπτωση συννεφιασμένης και μία ηλιόλουστης ημέρας του μήνα ώστε να έχουμε αρκετά δεδομένα προς επεξεργασία . Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν προς το Νότο όπου, λόγω του ότι η Ελλάδα βρίσκεται στο Βόρειο ημισφαίριο, έχουμε περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Διεξήχθησαν μετρήσεις σε διαφορετικές κλίσεις και για τα δύο φωτοβολταϊκά πλαίσια ώστε να υπολογιστεί και η βέλτιστη κλίση για κάθε εποχή . Στις μετρήσεις τα δεδομένα που λαμβάναμε ήταν η μέγιστη ισχύς, το ρεύμα βραχυκύκλωσης, η τάση ανοιχτοκυκλώσεως, η θερμοκρασία πλαισίου, καθώς και η ηλιακή ακτινοβολία. Με αυτά τα δεδομένα υπολογίσαμε τον βαθμό απόδοσης και τον συντελεστή ποιότητας για το κάθε φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε αναφέρουν την βέλτιστη κλίση για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πλαισίων για βέλτιστη ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έγιναν παρατηρήσεις σχετικά με την διαφορά των πειραματικών τιμών που πήραμε, με τις θεωρητικές που δίνουν οι κατασκευαστές για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Συγκρίναμε το κόστος και την απόδοση μιας εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων σε παραδοσιακή κατοικία με τους δύο τύπους φωτοβολταϊκών λαμβάνοντας υπόψη και ειδικές παραμέτρους της εγκατάστασης που μπορεί να αποτελούν πρόβλημα (π.χ. επάρκεια χώρου, μέγεθος εγκατάστασης) και προτείναμε λύσεις για εξοικονόμηση ενέργειας σε μια τέτοια κατοικία. / The objective of this diploma thesis is to calculate and compare the efficiency and the cost of a typical photovoltaic installation on a traditional house using photovoltaic modules based on monocrystalline silicon or CIS thin film modules. In order to provide helpful information to PV system installers extensive outdoor testing of a c-Si and a CIS module under varying meteorological conditions have been realized throughout a whole year. The measurements started in October of 2009 and finished in September of 2010. The modules where installed on the roof of the building of the Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras, Greece (latitude 38ο). We have realized an average of two measurements per month in order to cover at least one sunny and one cloudy day each month until the data was enough for processing. The orientation of the modules was south since Greece is a country of the northern hemisphere and we had more solar radiation there. We have realized measurements in different tilt angles for both modules in order to define the optimal tilt angle for each season. During the measurements the data we have received was the peak power, the short circuit current, the open circuit voltage, the module temperature and the solar radiation. Based on the gathered data we have calculated the fill factor and the efficiency for each module. The conclusions show the optimal tilt angle of the modules for optimal energy yield per year. Comparison have been made between the experimental and the theoretical values given by the manufacturers of the modules. We have also compared the cost and the efficiency of a typical photovoltaic installation on a traditional house using the two different types of modules and we suggested solutions for less energy consumption.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε μέσω του προγράμματος Simulink ένα φωτοβολταϊκό σύστημα το οποίο αποτελούνταν από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο των 60W, έναν DC/DC μετατροπέα Buck-Boost και ένα φορτίο. Στη συνέχεια εφαρμόσθηκαν τέσσερις διαφορετικές μέθοδοι ελέγχου στο φωτοβολταϊκό σύστημα με στόχο να λειτουργεί στο σημείο απόδοσης μέγιστης ισχύος (MPP) και συγκρίναμε τα αποτελέσματα της κάθε μια μεθόδου. Οι μέθοδοι που εφαρμόσθηκαν ήταν η μέθοδος Ανοιχτού Κυκλώματος (Open Voltage Method), η μέθοδος Διαταραχής και Παρατήρησης (Perturb and Observe Method), η μέθοδος Διαφορικής Αγωγιμότητας (Incremental Conductance) και προτείναμε και μια βελτιωμένη μέθοδο Διαταραχής και Παρατήρησης (Improved Perturb and Observe Method). / In this diploma thesis a photovoltaic system was simulated with the program Simulink. The photovoltaic system consisted of a photovoltaic panel of 60W, a buck-boost DC/DC converter and a load. Then four different control methods where applied so that the photovoltaic system would operate at the maximum power point (MPP) and the results of each control method were compared. The control methods which were applied were the Open Voltage Method, the Perturb and Observe Method, the Incremental Conductance Method and we proposed an improved Perturb and Observe Method.