Η φωτοβολταϊκή ενέργεια έχει τεράστια σημασία για το μέλλον της κοινωνίας μας, ιδιαίτερα από περιβαλλοντική και οικονομική άποψη, ενώ αξιοποιείται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές. Στην παρούσα εργασία, θα ασχοληθούμε με μία απ’ αυτές, στην οποία η φ/β ενέργεια χρησιμοποιείται για άντληση νερού. Το σύστημα, που θα μελετήσουμε, αποτελείται από μία φ/β συστοιχία, συνδεδεμένη απ’ ευθείας με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ο οποίος συνδέεται μηχανικά με μια αντλία, η οποία λειτουργεί σε πραγματικές συνθήκες. Η συγκεκριμένη τοπολογία σύνδεσης της συστοιχίας με έναν κινητήρα – φορτίο είναι γνωστή ως τοπολογία “direct coupling”. Αφού αναλύσουμε τη λειτουργία κάθε στοιχείου του συστήματος ξεχωριστά, στη συνέχεια διερευνούμε θεωρητικά και πειραματικά τα χαρακτηριστικά του ιδανικού φορτίου για μια φ/β γεννήτρια, καθώς και τους όρους προσαρμογής του σ’ αυτή, και διατυπώνουμε λύσεις για βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος, με στόχο την επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης. / Photovoltaic energy is crucially important for the future of our society, regarding environmental and financial issues, while is being utilized in a growing number of applications. This essay is about one of them, in which PV energy is used for water pumping. We are going to study a system, which consists of a PV solar array, supplying a DC motor, coupled with a water pump, while the pump is operating in real conditions. This specific topology is also known as “direct coupling”. After we analyze the function of each component alone, we focus on the characteristics, an ideal load must have, in order to have an efficient adaptation on the PV generator, through a theoretical and experimental approach on the system. Finally we try to formulate specific engineering rules for an optimal adjustment of the system parameters, aiming for high system efficiency.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη και την κατασκευή μιας νέας τοπολογίας για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η διάταξη που επιλέχτηκε αποτελεί το πρώτο στάδιο ενός μετατροπέα δύο βαθμίδων που χρησιμοποιείται για την αντιστροφή της τάσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου και τη σύνδεση αυτού με το δίκτυο. Η βασική λειτουργία της διάταξης είναι η ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης εισόδου στα επίπεδα των 400 V. Η επιλογή της τοπολογίας στηρίχτηκε στον απλό σχεδιασμό, το υψηλό κέρδος τάσης και την ύπαρξη ενός μόνο διακοπτικού στοιχείου. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι ένας μετατροπέας Boost σε συνδυασμό με ένα μετατροπέα Flyback με δυο δευτερεύοντα τυλίγματα. Πιο συγκεκριμένα, το πηνίο του μετατροπέα Boost αντικαθίσταται από το πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Σ Flyback, ενώ τα δύο δευτερεύοντα μεταφέρουν τη μαγνητική ενέργεια στην έξοδο με σκοπό την επιπλέον ενίσχυση της τάσης εξόδου που προσφέρει ο Boost. Η κατασκευή του μετατροπέα και του κυκλώματος ελέγχου πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τη θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματός μας. Ο μετατροπέας επιτυγχάνει υψηλά κέρδη τάσης (μέχρι και 20 φορές), ενώ ο βαθμός απόδοσης κρίνεται αρκετά ικανοποιητικός για επίπεδα ισχύος μέχρι 150 W, αφού μετρήθηκε πάνω από 85%. Ως προέκταση της κατασκευής, θα μπορούσε να υλοποιηθεί βρόχος ανάδρασης με σκοπό τη σταθεροποίηση της τάσης εξόδου στα 400 V καθώς και M.P.P.T. έλεγχος για τη βέλτιστης λειτουργίας της Φ/Β γεννήτριας εισόδου. / --

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με την επίδραση των πραγματικών συνθηκών στις dc παραμέτρους φωτοβολταϊκών πλαισίων άμορφου πυριτίου (a-Si) και την επενέργειά τους στη διαστασιολόγιση φωτοβολταϊκού συστήματος. Συγκεκριμένα οι μετρήσεις έγιναν στο Πανεπιστήμιο Πατρών και το πλαίσιο είναι άμορφο πυρίτιο τύπου Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12. Ειδικότερα, μετρήσαμε την τάση φωτοβολταϊκού πλαισίου αμόρφου πυριτίου, το ρεύμα, την ηλιακή ακτινοβολία, την θερμοκρασία περιβάλλοντος και τις θερμοκρασίες στην πίσω και τη μπροστινή πλευρά του, σε διαφορετικές ώρες της ημέρας, διαφορετικές κλίσεις και καιρικές συνθήκες. Από τις μετρήσεις αυτές εξάγαμε συμπεράσματα και γραφικές παραστάσεις ρεύματος-τάσης (I-V) και ισχύος-τάσης (P-V) για κάθε μέτρηση. Στην συνέχεια υπολογίσαμε το βέλτιστο συντελεστή απόδοσης του πλαισίου και οδηγηθήκαμε σε συμπεράσματα για την ηλιακή ακτινοβολία η οποία όσο μεγαλύτερη είναι έχουμε και καλύτερη απόδοση του πλαισίου μας. Επίσης, μετρήσαμε τις διαστάσεις του Πανεπιστημιακού γυμναστηρίου και βρήκαμε το βέλτιστο αριθμό πλαισίων και τη βέλτιστη κλίση ώστε να τοποθετηθούν στο χώρο αυτό για να έχουμε τη βέλτιστη απόδοση. γίνεται μελέτη εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων αμόρφου πυριτίου τύπου Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12 στο Πανεπιστημιακό Γυμναστήριο Πατρών και η δυνατότητα λειτουργίας αυτού με πλήρη αυτονομία ή με σύνδεσή του στο δίκτυο της ΔΕΗ. Όσον αφορά την πλήρη αυτονομία οδηγηθήκαμε στο συμπέρασμα ότι υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στην επιφάνεια που έχουμε και στην επιφάνεια που χρειάζεται για να τοποθετηθούν τα Φ/Β πλαίσια έτσι ώστε να καλύπτεται πλήρως το Πανεπιστημιακό Γυμναστήριο. Στη συνέχεια έπειτα από τη μελέτη για το διασυνδεδεμένο σύστημα με το δίκτυο της ΔΕΗ υπολογίστηκε ότι η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι 51,7 MWh/έτος ή 1115 kWh/έτος/kWp για τα συγκεκριμένα Φ/Β πλαίσια και η απαιτούμενη εγκατεστημένη ισχύς PpΣ=46,4 kWp. Με τη χρήση του προγράμματος PVsol προέκυψε ότι η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι ίση με 46,73 kWh/έτος και ότι η εγκατάσταση θα παράγει τελικά 46,73 kWh/έτος *1450 Φ/Β πλαίσια = 67,7 MWh/έτος ή 1.460 kWh/έτος/kWp . Αξίζει να σημειώσουμε ότι οι πειραματικές μετρήσεις της συγκεκριμένης μελέτης αποτελούν ένα μέρος από τις απαιτούμενες μετρήσεις για την ολοκληρωμένη εφαρμογή με την οποία ασχοληθήκαμε στη παρούσα Διπλωματική εργασία. Τέλος, σειρά έχουν τα συμπεράσματα της διπλωματικής αυτής εργασίας και κατόπιν το παράρτημα όπου εκεί βρίσκονται οι μετρήσεις οι οποίες έγιναν για την δημιουργία των γραφικών παραστάσεων που θα χρησιμοποιηθούν παρακάτω / This diploma thesis dealt with the effect of actual conditions in the dc parameters of solar panels amorphous silicon (a-Si) and their effects on diastasiologisi solar system. Specifically, measurements were made at the University of Patras and the framework is amorphous silicon type Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12.Specifically, we measured the voltage of amorphous silicon photovoltaic panel, electricity, solar radiation, ambient temperature and temperatures in the back and front side, at different times of day, different slopes and weather conditions.

Τα τελευταία χρόνια οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ένας τομέας που παρουσιάζει αλματώδη ανάπτυξη. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ενέργεια, αλλά και σε θέματα προστασίας του περιβάλλοντος, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη αυτή. Στην εργασία αυτή γίνεται μελέτη των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στους μετατροπείς ισχύος, για σύνδεση ανανεώσιμων συστημάτων παραγωγής ενέργειας στο δίκτυο. Αρχικά, θα παρουσιαστούν τοπολογίες μετατροπέων ισχύος για σύνδεση με το δίκτυο φωτοβολταικών (ΦΒ) συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Ο μετατροπέας ισχύος, που λειτουργεί ως αντιστροφέας στην περίπτωση σύνδεσης με το δίκτυο ΦΒ συστημάτων, είναι το κυριότερο στοιχείο του συστήματος γιατί μετατρέπει την DC ισχύ που παράγεται από το ΦΒ σύστημα σε AC ισχύ, που παρέχεται στο δίκτυο. Για τη σύνδεση διανεμημένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας με το δίκτυο πρέπει να πληρούνται ορισμένες προϋποθέσεις, έτσι ώστε να διασφαλισθεί ασφαλής και συνεχής ροή ισχύος στο δίκτυο. Οι προϋποθέσεις που απαιτούνται παρουσιάζονται στο δεύτερο κεφάλαιο. Το ηλεκτρικό δίκτυο είναι ένα δυναμικό σύστημα, του οποίου η συμπεριφορά εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Συνεπώς, οι συδεδεμένοι στο δίκτυο μετατροπείς ισχύος θα πρέπει να είναι σχεδιασμένοι έτσι ώστε να εγγυώνται σταθερή λειτουργία υπό κανονικές συνθήκες τάσης. Ακόμα, πολύ σημαντικός είναι και ο σχεδιασμός αλγόριθμων ελέγχου οι οποίοι εγγυώνται ασφαλή και σθεναρή λειτουργία κατά τη διάρκεια σφαλμάτων. Η AC ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο, υπό κανονικές συνθήκες, πρέπει να είναι συγχρονισμένη με αυτό. Οι μέθοδοι συγχρονισμού του AC ρεύματος του μετατροπέα, που παρέχει την ισχύ στο δίκτυο, παρουσιάζονται στο τρίτο κεφάλαιο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης. Δίνονται λόγοι για τους οποίους το φαινόμενο αυτό είναι ανεπιθύμητο σε ΦΒ συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τεχνολογίες που ανιχνεύουν το φαινόμενο ώστε να αποσυνδέσουν το σύστημα από το δίκτυο. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται στρατηγικές υλοποίησης ελεγκτών, ώστε υπό μη κανονικές συνθήκες οι μετατροπείς ισχύος να παρέχουν την απαιτούμενη στήριξη στο δίκτυο. / In the last few years, renewable energy sources have experienced swift growth, due to the evergrowing needs for energy and environmental concerns. In the present, the technologies used in grid connected power converters for renewable energy sources are studied. In the first chapter, widely used topologies for grid connected power converters, mainly used in photovoltaic (PV) systems, are presented. The power converter, which in this case functions as an inverter, is the key element in grid connected PV systems. This is beacause it is used to convert the DC power generated by PV panels into grid-synchronized AC power. Grid connected PV systems have to comply with requirements, so that safe and seamless tranfer of electrical energy is ensured. These requiremnts are presented in the second chapter. The electrical grid is a dynamical system, whose behaviour depends upon many factors. As a consequence, grid connected power converters should be designed in such way, so that proper operation under generic grid voltage conditions is guaranteed. Furthermore, control algorithms which can guarantee a robust and safe performane under abnorman grid conditions is a key factor in the design of grid connected power converters. The AC power delivered to the grid from a renewable energy source, under generic grid conditions, should be synchronised with a grid parameter. Grid synchronization methods for the regulation of the AC currents or voltages supplied to the grid by the power converter (in PV systems) are presented in the third chapter. In the fourth chapter, the condition of islanding is presented. The reasons why the islanding condition is unwanted in PV systems are mentioned and anti-islanding methods are discussed. Finally, in the fifth chapter, implementation methods of controllers that can guarantee the support to the grid by the power converter, under unbalanced grid conditions, are presented.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε διαφορετικές πόλεις ανά την Ελλάδα. Ως γνωστόν στην χώρα μας οι κλιματολογικές συνθήκες, κατά κύριο λόγο η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και η θερμοκρασία, διαφέρουν μεταξύ των περιοχών σε μεγάλο βαθμό έχοντας αυτό ασφαλώς μεγάλη επίδραση στην συμπεριφορά και απόδοση των φωτοβολταϊκών. Οι τύποι φωτοβολταϊκών πλαισίων που μελετήθηκαν είναι αυτοί του μονοκρυσταλλικού και του πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Αρχικά, σε μια θεωρητική προσέγγιση του θέματος μας, μοντελοποιήσαμε και προσομοιώσαμε τις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις με την βοήθεια του προγράμματος PV*SOL expert 4.5. Μελετήσαμε και συγκρίναμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για εννέα περιοχές της Ελλάδας, προσπαθώντας να προσεγγίσουμε τους βασικούς τύπους κλίματος που επικρατούν στην περιοχή. Οι τύποι των εγκαταστάσεων που προσομοιώσαμε είναι τέσσερεις, εκ των οποίων δύο τύποι είναι εγκαταστάσεις με μονοκρυσταλλικό και πολυκρυσταλλικό πυρίτιο υπό σταθερή γωνία κλίσης ενώ οι άλλοι δύο περιλαμβάνουν την χρήση tracker δύο αξόνων. Συμπερασματικά από αυτή την ενότητα είδαμε ότι αυξάνεται η ενεργειακή απόδοση των εγκαταστάσεων όσο πιο νότια και ανατολικά είναι εγκατεστημένες. Την μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση είχαν της Κρήτης και των νησιών του Αιγαίου. Επίσης συγκρίνοντας τα υλικά των πλαισίων είδαμε ότι ο βαθμός απόδοσης ηm των πλαισίων από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο των πλαισίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου κάτι που σημαίνει ότι για την ίδια ποσότητα ισχύος χρειαζόμαστε λιγότερο χώρο άρα και υλικό για εγκαταστάσεις με πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τέλος με την χρήση tracker δύο αξόνων είδαμε μεγάλη αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των εγκαταστάσεων της τάξης του 23% περίπου και στα δύο είδη πλαισίων. Στο πειραματικό μέρος της διπλωματικής μας, πραγματοποιήσαμε μετρήσεις στον χώρο της ταράτσας του νέου κτιρίου του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με ένα πλαίσιο από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο ισχύος 80Wp υπό σταθερή κλίση 38ο . Οι μετρήσεις πραγματοποιηθήκαν την περίοδο Ιανουάριου έως Αυγούστου του 2011 τουλάχιστον δύο ημέρες ανά μήνα και για όλη την διάρκεια της ημέρας, με μετρήσεις περίπου ανά δέκα λεπτά. Για τις μετρήσεις αυτές, χρησιμοποιήθηκε το όργανο PVPM το οποίο ήταν συνδεμένο με τον υπολογιστή όπου έπαιρνε και αποθήκευε τις μετρήσεις. Με αυτές τις μετρήσεις μελετήσαμε την απόκριση του πλαισίου μας και πιο συγκεκριμένα τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του (Voc, Isc, Pmpp, Vmax, Imax) σε σχέση με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και την θερμοκρασία. Από αυτή μας την μελέτη επιβεβαιώσαμε αυτό που γνωρίζαμε θεωρητικά. Η αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας προκαλεί γραμμική αύξηση της έντασης του ρεύματος του πλαισίου και πολύ μικρή αύξηση της τάσης που βέβαια μπορεί να θεωρηθεί σχεδόν αμελητέα. Αντίστοιχα λοιπόν και η ισχύς του πλαισίου αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας. Όσον αφορά την θερμοκρασία πλαισίου, επιδρά αρνητικά στη τιμή της τάσης. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία μειώνεται λογαριθμικά η τιμή της τάσης ενώ έχουμε μια πολύ μικρή αύξηση της έντασης του ρεύματος. Άρα στην ισχύ του πλαισίου η αύξηση της θερμοκρασίας επιδράει αρνητικά αλλά σε μικρότερο βαθμό σε σχέση με την ακτινοβολία. Στην συνέχεια υπολογίσαμε την ενεργειακή απόδοση του πλαισίου μας. Μετά την επεξεργασία των μετρήσεων του δικού μας πλαισίου, παρουσιάζουμε και επεξεργαζόμαστε δεδομένα από τις υπόλοιπές εγκαταστάσεις που έχουμε δεδομένα για διαφορετικές περιοχές ανά την Ελλάδα. Αυτές τις κατατάσσουμε στις τέσσερεις κατηγορίες που είδαμε και στην θεωρητική μοντελοποίηση και σύγκριση (εγκαταστάσεις με μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό πυρίτιο υπό σταθερή κλίση ή με χρήση tracker δύο αξόνων). Για κάθε είδος εγκατάστασης έχουμε δεδομένα από πέντε έως εννιά περιοχές της Ελλάδας. Παραθέτοντας τα χαρακτηριστικά στοιχεία των πλαισίων σε κάθε εγκατάσταση και τα κλιματολογικά δεδομένα της κάθε περιοχής που αναφέρουμε, μπορούμε να κάνουμε μια πρώτη ανάλυση των αποτελεσμάτων της κάθε εγκατάστασης. Κύριος συντελεστής που εξετάζουμε για την απόδοση των πλαισίων είναι η μηνιαία αποδιδόμενη ενέργεια ανά kWp εγκατεστημένης ισχύος των συστημάτων και ο μέσος όρος του οχταμήνου. Από αυτή την διαδικασία επιβεβαιώσαμε αυτό που γνωρίζαμε για την απόδοση των πλαισίων στις διαφορετικές περιοχές της Ελλάδας. Επίσης είδαμε την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης με την χρήση tracker δύο αξόνων που είναι της τάξης του 25%. Στα πειραματικά αποτελέσματα βέβαια είχαμε και μερικά αποτελέσματα που δεν ανταποκρινόταν στα αναμενόμενα. Αυτό μπορεί να οφείλεται στους τύπους πλαισίων που χρησιμοποιηθήκαν αφού σε κάθε εγκατάσταση έχουμε διαφορετικούς τύπους ή στην σχεδίαση της εγκατάστασης. Επίσης στις εγκαταστάσεις που παραθέσαμε είχαμε αρκετές βλάβες μέσα στο οχτάμηνο ειδικά σε αυτές με τους tracker δύο αξόνων κάτι που επηρέασε τα αποτελέσματα. Τέλος στην κάθε εγκατάσταση, η περιοχή που είναι υλοποιημένη μπορεί να έχει τοπικές ιδιαιτερότητες ως προς τα κλιματολογικά δεδομένα σε σχέση με τις μέσες τιμές της ευρύτερης περιοχής και άρα η απόδοση των πλαισίων να διαφοροποιείται σε σχέση με τα αναμενόμενα. Στο τελευταίο κεφάλαιο παραθέτουμε τα γενικά συμπεράσματα αυτής της εργασίας. / The aim of this diplomatic thesis is the study of attribution of photovoltaic modules in different cities of Greece. As we know in our country the climatic conditions, mainly the intensity of solar radiation and the temperature, differ between the regions, having certainly serious effect in the properties and output energy of the photovoltaic’s. The types of photovoltaic modules that were studied are these of the monocrystalline and polycrystalline silicon. Initially, in a theoretical approach, we modulate and simulate the photovoltaic installations using a software called PV*SOL expert 4.5. We studied and compare the results of the simulation for nine regions of Greece, trying to approach the basic types of climate that prevail in the region. The types of installations where simulated was four. Two types were installations with monocrystalline and polycrystalline silicon modules under constant tilt and the other two include the use of tracker two axes. In conclusion from this part, we observed that the energy attribution of installations is increasing as the PV installation is located from north to south and from west to east. The bigger energy output yielded in Crete and in the islands of Aegean. Also comparing the materials of the modules, we observed that the degree of performance (ηm ) of the modules from monocrystalline silicon is bigger than the equivalents of the polycrystalline silicon, therefore for the same quantity of force, we need less space therefore less material for the modules of monocrystalline silicon. Finally with the use of tracker two axes we observed big increase of output energy of the installations, about 23% , roughly in the two kinds of modules. In the experimental part of our diplomatic thesis, we collected measurements from a module of polycrystalline silicon of 80Wp force under constant tilt of 38o which was seated in the roof of the new building of department of Electrician Engineers and Technology of Computers. The measurements were realized in the period January until August 2011, at least two days per month and for all the duration of the day (we collected measurements every ten minutes). For these measurements, was used a device called PVPM which was connected with a computer where the measurements were stored. With these measurements, we studied the response of our module’s electric characteristics (Voc, Isc, Pmpp, Vmax, Imax) in combination with the intensity of solar irradiation and the temperature. From this, we confirmed the theory. The increase of the intensity of the radiation causes linear increase of intensity of current of module and very small increase of tendency that of course can be considered almost negligible. Respectively therefore, the force of frame is increased linearly with the increase of intensity of the radiation. Regarding to the temperature of the module, it effects negatively the price of tendency. As long as the temperature is increased, the value of tendency is decreased logarithmically while we have a very small increase of the intensity of current. Hence in the force of module, the increase of temperature effects negatively but less serious in combination with the radiation. Then we calculated the energy attribution of our module. Afterwards, the processing of our own module’s measurements, we present and processed data from the other installations that we have data, from different regions of Greece. They are classified in the four categories that we have also observed in the theoretical part (installations with monocrystalline or polycrystalline silicon under constant tilt or with use of tracker two axes). For each kind of installation we have data from five to nine regions of Greece. Importing the data of the characteristic facts of the modules in each installation and the climatic data of each region that we examine, we make a first analysis of the results of each installation. Main factor we examine, for the attribution of modules, is the monthly attributed energy per kWp installed force of the systems, in the period of eight month. From this process we confirmed what we knew for the attribution of modules in the different regions of Greece. We also observed the increase of energy output with the use of tracker two axes (about 25%). In this part we had results that did not correspond as expected. This can be owed in the types of modules that were used in each installation (they are different types) or in the designing of installation. Also the installations that we mention, had damages in the period of the eight month, specifically those with the tracker two axes, something that influenced the results. Finally in each installation, the region that is materialized can have local particularities in the climatic data in combination to the medium prices of the wider region and hence the attribution of modules to be differentiated in combination to the expected. After this process in the last capital we mention the conclusions.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με τη μελέτη ενός υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήματος για την τροφοδότηση κατοικίας 150 τ.μ. Το φωτοβολταϊκό αυτό σύστημα διαθέτει επίσης συσσωρευτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και εφεδρική πηγή ενέργειας. Την εφεδρική πηγή ενέργειας θα αποτελέσει μια ντιζελογεννήτρια, η οποία και θα αναλάβει να καλύπτει πιθανές αιχμές φορτίου όταν αυτές εμφανίζονται στο σύστημα αλλά και να φορτίζει τους συσσωρευτές. Πιο συγκεκριμένα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά σε όλες τις πηγές ενέργειας, συμβατικές και ανανεώσιμες, προκειμένου να καταλήξουμε στην ηλιακή ενέργεια την οποία και εκμεταλλεύονται τα φ/β συστήματα. Πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα, κατηγορίες και εφαρμογές φ/β συστημάτων περιλαμβάνονται στο κεφάλαιο αυτό. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται λόγος για την ηλιακή ακτινοβολία, τη διακύμανσή της αλλά και για τους ηλιακούς συλλέκτες. Ο προσανατολισμός και η βέλτιστη κλίση των ηλιακών συλλεκτών θα μας απασχολήσει στο κεφάλαιο αυτό. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 3 περιλαμβάνεται η θεωρία για το φ/β φαινόμενο και τα φ/β στοιχεία. Υλικά και τεχνολογίες φ/β στοιχείων αλλά και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τόσο των στοιχείων όσο και των πλαισίων αναφέρονται εδώ. Το τέταρτο κεφάλαιο πραγματεύεται τους συσσωρευτές που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Αναλυτικά εδώ θα δούμε τη δομή, την αρχή λειτουργίας, τις κατηγορίες, τους τύπους και όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη που περιγράφουν ένα συσσωρευτή. Ακολουθεί το κεφάλαιο 5 με τα ηλεκτρονικά των φ/β συστημάτων δηλαδή τον ανιχνευτή μέγιστου σημείου ισχύος, το μετατροπέα DC-AC και τον ελεγκτή φόρτισης. Το θεωρητικό κομμάτι της εργασίας τελειώνει με το κεφάλαιο 6 στο οποίο γίνεται μια σύντομη αναφορά στη ντιζελογεννήτρια και τη λειτουργία αυτής κατά την ενσωμάτωση της στο φ/β σύστημα που μελετάμε. Η μελέτη του υβριδικού φ/β συστήματος με Η/Ζ δηλαδή με ντιζελογεννήτρια για την τροφοδότηση κατοικίας 150 τ.μ. γίνεται στο κεφάλαιο 7. Η μελέτη χωρίζεται σε τρία κύρια κομμάτια, στον υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης της κατοικίας, στον υπολογισμό του συστήματος που θα χρησιμοποιηθεί και στον τρόπο με τον οποίο θα καταμερισθεί η ισχύς ζήτησης. Τέλος ακολουθεί ο επίλογος με τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη μελέτη μας. / The aim of this project is the study of a stand alone photovoltaic system which is used in order to supply a 150 square meters house. This photovoltaic system includes also batteries which store electrical energy and an additional energy source. As an additional energy source will be used a diesel generator which will both covers possible peaks of storage and loads batteries. To be more specific: In chapter 1 are reported all sources of energy both conventional and renewable in order to result in solar energy which is be exploited by the PV systems. Advantages, disadvantages, categories and applications of PV systems are included in this chapter. In chapter 2 solar radiation, distribution of solar radiation, solar cells, their optional inclination and orientation are presented. Chapter 3 that follows includes theory about PV phenomenon and PV cells. Material and technologies of PV cells in additional to electrical characteristics of cells and modules are also referred here. Chapter 4 is referred to batteries which are used to store electrical energy. Structure, function, categories, types and all characteristics that describe batteries are also presented. Chapter 5 follows with the electronics of PV systems, shunt controllers, series controllers, MPP charge controller and inverter DC- AC. Theory ends with chapter 6 in which there is a reference to diesel generator and its function in PV systems. The study of a hybrid PV diesel system in order to supply a 150 square meters house is presented in chapter 7. This study is separated to 3 parts, estimation of energy consumption, estimation of the system that will be finally used and the way that the demand of electrical energy will be apportioned. The project ends with all the conclusions that are resulted from this study.

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.

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να μελετήσουμε τη λειτουργία και τη συμπεριφορά φωτοβολταϊκών πλαισίων κάτω από πραγματικές συνθήκες και να σχεδιάσουμε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα που θα καλύπτει πλήρως τις ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας. Γι’ αυτόν το σκοπό πραγματοποιήσαμε μετρήσεις στην ταράτσα του κτιρίου Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Πατρών, οι οποίες διήρκησαν από τον Οκτώβρη του 2009 μέχρι τον Σεπτέμβρη του 2010. Οι μετρήσεις γίνονταν μια φορά την εβδομάδα κάτω από διάφορες καιρικές συνθήκες και είχαν συχνότητα μία ώρα από την ανατολή μέχρι τη δύση του ηλίου. Συλλέξαμε δεδομένα για πολλές κλίσεις τοποθέτησης (0ο,30ο,38ο,45ο,60ο, 80ο) ώστε να διαπιστώσουμε τη βέλτιστη κλίση για κάθε περίοδο του έτους. Καταγράφουμε την επίδραση των διαφορετικών κλίσεων στην αποδιδόμενη ενέργεια λόγω του ότι τα Φ/Β τοποθετούνται σε κτίρια όπου πολλές φορές ο χώρος δεν επιτρέπει την τοποθέτηση τους στη κλίση βέλτιστης απόδοσης. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν νότιος ώστε να πετυχαίνουμε καλύτερη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας, αφού η Ελλάδα βρίσκεται στο βόρειο ημισφαίριο. Τα πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν πολυκρυσταλλικού πυριτίου και δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CIS) ονομαστικής ισχύος 80Wp και 75Wp αντίστοιχα. Για την εξαγωγή των πειραματικών δεδομένων χρησιμοποιήσαμε ένα όργανο αποτύπωσης χαρακτηριστικών καμπυλών ρεύματος-τάσης PVPM 2540C ενώ επιπλέον καταγράφαμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία πλαισίου, καθώς και την αποδιδόμενη ισχύ. Στην επεξεργασία των μετρήσεων εστιάσαμε στην επίδραση ορισμένων εξωτερικών παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και η σκίαση, στην παραγόμενη ισχύ και μελετήσαμε ηλεκτρικά μεγέθη όπως το ρεύμα βραχυκύκλωσης και η τάση ανοιχτοκύκλωσης. Σχετικά με την επίδραση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας τα συμπεράσματά μας για τα δύο πλαίσια είναι κοινά. Όσο μεγαλώνει η ισχύς της ακτινοβολίας αυξάνεται ανάλογα και η παραγόμενη ισχύς τους, μέχρι τα 1000 W/m2 όπου φτάνουν τα ονομαστικά τους μεγέθη. Όσο αφορά στην επίδραση της θερμοκρασίας των πλαισίων στη λειτουργίας τους, το πλαίσιο CIS φαίνεται να υπερτερεί, αφού οι αρνητικές επιπτώσεις των υψηλών θερμοκρασιών στην απόδοσή του είναι μικρότερες από εκείνες του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Επίσης τα περισσότερα ηλεκτρικά μεγέθη του CIS εμφανίζουν μεγαλύτερη σταθερότητα με την άνοδο της θερμοκρασίας. Ακόμα, τα αποτελέσματα που πήραμε σκιάζοντας τα δύο πλαίσια έδειξαν πως η επίδραση της οριζόντιας σκίασης είναι παρόμοια στους δύο τύπους φωτοβολταϊκών σε αντίθεση με την κάθετη σκίαση, όπου το πλαίσιο CIS αποδίδει πολύ καλύτερα. Στη συνέχεια προσδιορίσαμε την βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων ανά μήνα αλλά και μία βέλτιστη σταθερή κλίση τοποθέτησης για όλο το χρόνο, η οποία βρέθηκε 30ο. Επιπλέον, υπολογίσαμε την ετήσια παραγόμενη ενέργεια κάθε πλαισίου για σταθερή κλίση 30ο, η οποία αντιστοιχεί σε 1668,45 kWh/kWp∙έτος ή 207,26 kWh/m2∙έτος για το poly-Si και 1743,95 kWh/kWp∙έτος ή 159,5 kWh/m2∙έτος για το CIS. Σε αυτά τα μεγέθη δεν συμπεριλαμβάνονται συντελεστές απωλειών ανομοιογένειας, μεταφοράς, απώλειες στη δίοδο αντεπιστροφής και άλλες μειώσεις της τελικής παραγόμενης ενέργειας που υπάρχουν σε ένα εγκατεστημένο Φ/Β σύστημα. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας αναλύσαμε τα μέρη ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος και σχεδιάσαμε ένα τέτοιο σύστημα για την κάλυψη των αναγκών μιας κατοικίας που κατοικείται όλο το χρόνο, με 4 μέρες αυτονομίας. Το ημερήσιο φορτίο το οποίο μπορεί να καλύψει το σύστημά μας ανέρχεται σε 8,3 kWh/ημέρα. Το τελικό κόστος εγκατάστασης υπολογίστηκε 25100 € ή 4550 €/kWp και η οριζόντια έκταση που καταλαμβάνει 63,4 m2. Με τη βοήθεια του προγράμματος PV*Sol επαληθεύσαμε την μελέτη κάνοντας μοντελοποίηση του αυτόνομου Φ/Β συστήματος που σχεδιάσαμε. Η διαστατοποίηση που προτείνει το πρόγραμμα, μας δίνει ένα σύστημα που έχει κοινές ηλεκτρικές διατάξεις και εγκατεστημένη ισχύ με αυτή που είχε υπολογισθεί. Προτείνοντας, τέλος, μια εναλλακτική λύση προσθέσαμε ένα επιπλέον φορτίο περίπου 7,8-9,3 kWh/ημέρα τους μήνες που έχουμε μεγάλο πλεόνασμα ηλιακής ακτινοβολίας με αποτέλεσμα την αύξηση κατά 50% του μέσου συντελεστή απόδοσης του Φ/Β συστήματος. / The aim of this diploma thesis is to study and analyze the operation of solar modules under real conditions and to design a photovoltaic system that will fully meet the needs of a typical suburban house. In order to achieve that, measurements have been realized on the roof of the building of the department of Electrical and Computer Engineering at the University of Patras, throughout a whole year (October 2009 - September 2010). These measurements were carried out once a week under several weather conditions, every hour from sunrise till sunset. It was essential to collect data within a range of tilt angles (0ο, 30ο, 38ο, 45ο, 60ο, 80ο) to define the optimum one for each period of the year as well as to estimate the energy produced for any probable scenario, since we often can’t place the P/V modules at the most efficient tilt angle due to the building’s space limitation. The module orientation was south to achieve the best utilization of solar radiation, as Greece is located in the northern hemisphere. We used solar modules made of polycrystalline silicon (poly-Si) and copper indium selenide (CIS) of peak power 80 Wp and 75 Wp respectively. In order to obtain the necessary data a device (PVPM 2540C) that plots current–voltage characteristics of P/V modules was used, while we noted down the solar radiation, the module temperature and its power output. During the data process we focused on the influence of certain external factors, such as temperature, solar radiation and shading, regarding the power output and other crucial electrical values as short circuit current and open circuit voltage. So we estimated an optimal tilt angle for each month as well as a fixed optimum angle for the whole year. In addition, we calculated the annual energy yield of each module and analyzed their properties comparing our results. In the final part of this thesis, we described the components of a stand-alone photovoltaic system and designed one that meets all the requirements of a normal house, which is occupied all year round, providing 4 days of autonomy. Finally, our previous report was verified by using a P/V simulating software (PV*Sol).

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την προσομοίωση και την κατασκευή ενός αντιστροφέα για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης της εξόδου ενός φωτοβολταϊκού σε εναλλασσόμενη τάση, ενεργού τιμής και συχνότητας ίδιας με αυτή του δικτύου χαμηλής τάσης. Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας είναι ένας νέος τύπος μετατροπέα που συνδυάζει στοιχεία διάφορων ήδη υπάρχοντων μετατροπέων, όπως του μετατροπέα Boost-Flyback με ένα διακοπτικό στοιχείο και του αντιστροφέα Flyback. Η ιδέα είναι να ανυψώσουμε την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού μέσω του μετατροπέα Boost ανύψωσης τάσης και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί η αντιστροφή της και η περαιτέρω ανύψωσή της μέσω του Flyback. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Από την αναλυτική διερεύνηση της λειτουργίας των δύο μετατροπέων επιλέχθηκε η κατάσταση στην οποία θα λειτουργεί ο αντιστροφέας Boost-Flyback. Προσαρμόζοντας τις ήδη γνωστές εξισώσεις στην περίπτωσή μας εξήχθησαν οι εξισώσεις του αντιστροφέα Boost- Flyback. Με βάση τις εξισώσεις αυτές επιλέχθησαν οι τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιήσαμε αρχικά στις προσομοιώσεις και στη συνέχεια στην κατασκευή της διάταξης. Οι προσομοιώσεις, που έγιναν με το πρόγραμμα PSpice αλλά και η συνολική λειτουργία του προτεινόμενου αντιστροφέα επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη. / -

Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες παρουσιάζουν μια μη γραμμική χαρακτηριστική V-I και ένα σημείο λειτουργίας μέγιστης ισχύος (MPP) τα οποία ποικίλλουν ανάλογα με την ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Αυτή η εργασία παρουσιάζει έναν MPP-tracker βασισμένο στην ασαφή λογική και ένα σχέδιο ενός μονοφασικού inverter συνδεδεμένου στο ηλεκτρικό δίκτυο. Ο ασαφής ελεγκτής (FLC) παρέχει προσαρμοστικότητα στη επίδοση του συστήματος. Λαμβάνει υπόψη του το τρέχον φορτίο, τη θερμοκρασία, την ακτινοβολία, τον άνεμο καθώς και τις πιθανές σκιάσεις που καλύπτουν τα πλαίσια. Παρέχει επίσης άριστα χαρακτηριστικά όπως γρήγορη απόκριση, καλή επίδοση και την δυνατότητα να αλλάζουν οι παράμετροί του προκειμένου να βελτιώνεται ο έλεγχος του συστήματος. Το γεγονός ότι λαμβάνει υπόψη του τις εξωτερικές συνθήκες εξασφαλίζει καλύτερη γνώση της πραγματικής επίδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος και όχι της βέλτιστης επίδοσης που αυτό έχει στις πρότυπες συνθήκες (STC). Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος. / The photovoltaic generators show a non-linear characteristic VI and one maximum power point (MPP) which vary depending on insolation and temperature. This project presents a MPP tracker, based on fuzzy logic, and a plan of an one-phased grid connected inverter. Fuzzy logic controller provides adaptivity at the system’s performance. It takes into consideration current load, temperature, insolation, wind and possible shades covering the panels. It also provides excellent characteristics such as quick response, great performance and the capacity of changing the system parameters in order to improve the system control. The fact that it takes into consideration the external conditions (in vivo as opposed to in vitro-laboratorial conditions) ensures better knowledge of the actual performance of the photovoltaic systems and not the optimum performance the system can score in standard test conditions (STC). The results of this simulation have confirmed the effectiveness of the proposed system.