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 παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση και την κατασκευή μιας καινοτόμας τοπολογίας μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στα πλαίσια του θεσμού της πρακτικής άσκησης, ένα τμήμα της εκπονήθηκε στην τεχνική εταιρία Πάραλος Α.Ε. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι συμβολή της στη μελέτη των νέων τεχνολογιών στον τομέα των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, λαμβάνοντας υπόψιν τις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που μειώνουν δραστικά την διάρκεια ζωής των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών και συνεπώς των ίδιων των μετατροπέων. Επί του πρακτέου διερευνάται και κατασκευάζεται μια βελτιωμένη εκδοχή του υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα ρεύματος βασιζόμενου στην τοπολογία Flyback. Η βελτίωση αφορά την ενσωμάτωση ενός κυκλώματος αποσύζευξης της ισχύος, που εξομαλύνει το ρεύμα εισόδου αναιρώντας την ανάγκη χρήσης ηλεκτρολυτικού πυκνωτή τόσο στην είσοδο, όσο και στο κύκλωμα αποσύζευξης αυξάνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του μετατροπέα, καθιστώντας τον με αυτόν τον τρόπο κατάλληλο για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules). Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας έχει προταθεί στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία και στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται κατά κύριο λόγο η μεθοδολογία κατασκευής του ώστε να διευρευνηθεί η λειτουργία και η απόδοσή του Αρχικά έγινε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση και μελέτη των καταστάσεων λειτουργίας του αλλά και της συνολικής συμπεριφοράς του βελτιωμένου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback. Με την εμπειρία που αποκτήθηκε στην διάρκεια της πρακτικής άσκησης, ακολούθησε η συσχέτιση των παραμέτρων του αντιστροφέα και η επιλογή αυτών ώστε να ανταποκριθεί στις προδιαγραφές που τέθηκαν και να ανταπεξέλθει στα δεδομένα του ηλεκτρικού δικτύου της Ελλάδας. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση της τοπολογίας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή με ειδικό πρόγραμμα προσομοιώσεων ηλεκτρικών κυκλωμάτων (PSpice). Επιβεβαιώθηκε η λειτουργία του, έγινε ο βέλτιστος σχεδιασμός και τέλος πραγματοποιήθηκε ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα διάφορα στοιχεία ώστε να γίνει ορθή επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Τέλος, έγινε η κατασκευή του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η ορθή λειτουργία του για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Έπειτα συγκεντρώθηκαν μετρήσεις, αφ’ ενός μεν για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόδοση, αφ’ ετέρου δε για σύγκριση με τα αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα. / This diploma thesis deals with the study, analysis and implementation of a novel single phase inverter which is used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric utility grid of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The diploma thesis was also partially conducted within the internship at the engineering company Paralos S.A. This project pertains to the sector of Dispersed Power Generation PV systems, especially to Alternating Current Photovoltaic Modules (AC-PV Modules) systems in which a low power dc-ac utility interactive inverter is individually mounted on a PV module. Taking into account that the lifetime of the ac module inverter is shortened because it operates under very high atmospheric temperature, an improved Flyback-type single phase high frequency current source inverter is proposed. The improvement relies on the integration of a power pulsation decoupling circuit which aims at input current smoothing without using electrolytic capacitors and enables employment of film capacitors with small capacitance not only for the dc input line but also for the decoupling circuit. The additional circuit is expected to extend the lifetime of the inverter since the use of electrolytic capacitors under a high temperature environment drastically shortens their life.The proposed inverter circuit has already been presented in the international scientific community but the current thesis mainly analyzes the implementation methodology and investigates the inverter’s performance and behavior. Initially, a thorough theoretical analysis was made on the flyback-type utility interactive inverter’s operation and its circuit configuration. Subsequently, analytical mathematical equations were developed to describe the relationships between the parameters of the proposed inverter. Using these equations, the electric components were selected, as to meet up with the Greek electric utility grid specifications. The next step is the simulation of the topology, which was performed by a specialized on electric circuit simulation computer program (PSpice). The proper behavior of the simulated circuit was confirmed and the precise losses of the components were calculated through the program. Regarding this fact, the components were selected for an optimal design of the inverter. Last but not least, the Flyback-type current source inverter with decoupling capacitor was constructed and its operation was experimentally confirmed. Also, measurements of the inverter’s performance were collected.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η μελέτη της συμπεριφοράς φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτής ταινίας CIS, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Μελετάται η επίδραση διάφορων εξωτερικών παραγόντων και κυρίως της θερμοκρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας και της σκίασης. Με στόχο την εκτίμηση της παραγόμενης DC ισχύος σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας., έχουν πραγματοποιηθεί μετρήσεις ρεύματος-τάσης στο χώρο του Πανεπιστημίου Πατρών, σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο CIS ονομαστικής ισχύος 75W. Οι μετρήσεις ήταν συνήθως ημερήσιες και καταγράφονταν οι τιμές για διάφορες συνθήκες λειτουργίας και σε διαφορετικές εποχές του έτους. Με ένα μεταβλητό φορτίο συνδεδεμένο με το εν λόγω φωτοβολταϊκό πλαίσιο, ήταν δυνατός ο προσδιορισμός της χαρακτηριστικής I-V καμπύλης σε κάθε μέτρηση και ως εκ τούτου, ο υπολογισμός του σημείου μέγιστης ισχύος. Για κάθε μέτρηση καταγράφονταν, εκτός του ρεύματος και της τάσης, η λαμβανόμενη ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία αέρα καθώς και οι θερμοκρασίες στις δύο όψεις του συλλέκτη. Αρχικά, υπολογίζεται η απόδοση του πλαισίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας ενώ σε αυτό προσπίπτουν ίδια ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας. Επίσης, μελετάται ποιες χαρακτηριστικές παράμετροι επηρεάζονται περισσότερο όπου διαπιστώνεται πως η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση της τάσης και μία μικρή αύξηση του ρεύματος η οποία όμως, δεν είναι ικανή να αντισταθμίσει την μείωση της τάσης, με αποτέλεσμα η αύξηση της θερμοκρασίας να επιδρά αρνητικά στην απόκριση ισχύος. Στη συνέχεια, γίνεται αντίστοιχος υπολογισμός και για την ηλιακή ακτινοβολία όπου παρουσιάζεται η θετική της επίδραση στην απόδοση του πλαισίου, ενώ ταυτόχρονα μελετάται η συμπεριφορά του CIS σε συνθήκες ηλιοφάνειας αλλά και συννεφιάς. Κατά την επεξεργασία των αποτελεσμάτων αυτών, ήταν δυνατός ο υπολογισμός μίας μέσης τιμής της αποδιδόμενης ισχύος τόσο για τη θερινή όσο και για τη χειμερινή περίοδο. Τέλος, προκαλώντας τεχνητή σκίαση στο 30% περίπου της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου κατά τη διάρκεια κάποιων μετρήσεων, υπολογίζεται το ποσοστό μείωσης της παραγόμενης DC ισχύος, συγκριτικά με τις περιπτώσεις όπου κάτω από τις ίδιες εξωτερικές συνθήκες, το πλαίσιο δεν σκιάζεται. / The objective of this diploma thesis, is to study the behavior of a thin film photovoltaic module CIS, under real conditions of operation. The effect of various exterior factors is studied and mainly the factors of temperature, solar radiation and shading. To estimate the produced DC Power in various conditions, measurements has been took place at the University of Patras using a CIS photovoltaic module, of 75W Maximum Power. Measurements were usually daily and were taken in all seasons of year. With a variable load connected to the photovoltaic module, the determination of the I-V curve was possible for each measurement and consequently, the calculation of the Maximum Power Point could be made. At each measurement, were noted the current, the voltage and also the received solar radiation, the air temperature as well as the temperatures at the two sides of the module. At first, the output and the efficiency of the module in different temperatures of operation are calculated , while the received solar radiation is the same in every case. Also, it is studied witch parameters are more influenced by increasing temperature and it is proved that voltage is decreased and current is a little increased. However, the increasing current is not capable to compensate the decreasing voltage, so the increase of temperature affects negatively the output power and the efficiency. Afterwards, a similar calculation has been made, studying the influence of solar radiation at the characteristic parameters of the CIS photovoltaic module. During these calculations, except the positive effect of solar radiation it is presented the behavior of CIS in sunlight and also cloudy conditions. As a result, an average output power of the module has calculated for the aestival and the wintry period. Finally, causing artificial shading in about the 30% of the module's surface, it is determined the rate of reduction of produced DC power, comparatively the case where the module is not shading under the same exterior conditions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσόμενου ρεύματος (AC-PV module) και τη σύνδεση αυτής στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου (Φ/Β) με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης του Φ/Β πλαισίου και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντίστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε συγκρίνουμε τις τεχνολογίες διασύνδεσης Φ/Β στο δίκτυο χαμηλής τάσης στοχεύοντας στο να εντάξουμε ομαλά τον αναγνώστη στην υπό μελέτη τοπολογία. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης των φωτοβολταικών χαρακτηριστικών, συγκρίνουμε και προσομοιώνουμε δύο τοπολογίες μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή (boost και flyback). Επιπρόσθετα μελετούμε και προσομοιώνουμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών" (sPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η λεπτομερής διαστασιολόγηση ολόκληρου τού υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση της κάθε μονάδας του ξεχωριστά. Αφού διασφαλίσουμε ότι οι αυτοτελείς μοντελοποιημένες μονάδες λειτουργούν με επιτυχία προχωρούμε στην προσομοίωση της πλήρους διάταξης τόσο απουσία κλειστού βρόχου ελέγχου όσο και παρουσία αυτού. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται. και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / Analysis and practical implementation of a two stage topology for connection between PV modules and the common grid.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή διάταξης διασύνδεσης φωτοβολταϊκών συστημάτων δύο βαθμίδων με το δίκτυο της χαμηλής τάσης. Αντικείμενο της εργασίας ήταν η πρώτη βαθμίδα που αναλαμβάνει την ανύψωσης της τάσης, που δίνει στην έξοδο ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, με σκοπό να συνδεθεί στην επόμενη βαθμίδα, όπου γίνεται η αντιστροφή της τάσης. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι ένας μετατροπέας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης εξόδου και επιλέχθηκε από τη σειρά των μετατροπέων Luo. Συγκεκριμένα έπειτα από μελέτη των τοπολογιών και με βάση τις προδιαγραφές που είχαμε στη παρούσα εργασία έγινε η επιλογή δύο διατάξεων ως οι πιο κατάλληλες για την εφαρμογή. Η διάταξη Re-lift ανύψωσης τάσης και το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης μελετήθηκαν θεωρητικά και έγινε προσομοίωση της λειτουργίας τους με πραγματικά στοιχεία. Με βάση τα αποτελέσματα που λήφθηκαν έγινε σύγκριση των δύο μετατροπέων και επιλέχθηκε η μία εκ των δύο για κατασκευή. Τελικά στο εργαστήριο κατασκευάστηκε το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης και ο έλεγχος της διάταξης έγινε με τη χρήση μικροελεγκτή (dsPIC30F4011). Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Ο βαθμός απόδοσης που προέκυψε στις πειραματικές μετρήσεις θεωρείται μάλλον χαμηλός της τάξης του 80% για την εφαρμογή αυτή, καθώς αποτελεί την πρώτη βαθμίδα σε σύστημα δύο βαθμίδων. Η συμπεριφορά όμως και το κέρδος τάσης είναι ικανοποιητικά για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. / The present diplomatic work deals with the study, simulation and manufacture of a device for the connection of photovoltaic systems of two stages with the network of low voltage. Object of the work was the first stage that undertakes the elevation of voltage; we receive at the output of a photovoltaic panel, so as to connect it with the next stage, where the voltage is inverted. The circuit that was studied is a converter of elevation and stabilisation of the output voltage was selected from the Luo converters. In particular, after studying the topologies and taking into account the specifications that we had in the present work, two topologies were chosen as the most suitable for the application. The Re-lift converter and the elementary circuit of the superlift converters were studied theoretically and their operation was simulated with real elements. Based on the results that were taken, the two converters were compared and was selected which one of the two to manufacture. Finally the superlift elementary circuit was manufactured in the laboratory and the control of the circuit was done with the use of a microcontroller (dsPIC30F4011). The experimental results confirmed the theoretical analysis and the correct operation of the circuit. The degree of efficiency that resulted in the experimental measurements is considered rather low in the order of 80% for this application, while it constitutes the first stage in a system of two stages. The behaviour however and the voltage transfer gain are satisfactorily for applications of low power

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η προσομοίωση και κατακευή ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος για τη σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο του υβριδικού συστήματος της ανεμογεννήτριας και των φωτοβολταϊκών πλαισίων που είναι εγκατεστημένα στο εργαστηρίο Ε.Η.Μ.Ε. / This study is about simulation and constraction of a grid connected converter which connects a photovoltaic panel and a wind turbine into the electric grid.

Στην περιγραφόμενη διπλωματική εργασία μελετώνται τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα και γίνεται η μελέτη για την τροφοδότηση μιας αγροικίας στην περιοχή της Πάτρας. Τέτοια συστήματα αποτελούνται από φωτοβολταϊκά πλαίσια, συσσωρευτές και ηλεκτρονικές διατάξεις. Τα πλαίσια είναι αυτά που συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και μέσω ενός μηχανισμού, που λέγεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο, την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι συσσωρευτές αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια, την οποία εκμεταλλευόμαστε όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις, δηλαδή ο μετατροπέας τάσης και ο ελεγκτής φόρτισης, ευθύνονται για την μετατροπή της συνεχούς ισχύος σε εναλλασσόμενη καθώς, επίσης, και για την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Αφού γίνει παρουσίαση όλης της θεωρίας και των μαθηματικών τύπων που απαιτούνται, γίνεται εφαρμογή τους μέσω του σχεδιασμού του κατάλληλου φωτοβολταϊκού συστήματος για την τροφοδότηση της αγροικίας. / The subject of this diploma thesis is the study of stand-alone photovoltaic systems. Such systems include photovoltaic modules, batteries, inverters and charge controllers as well. The photovoltaic modules collect solar energy and transform it into electrical energy via a mechanism that is called photovoltaic effect. Batteries storage electrical energy and are used when the electrical demand is greater than the energy generated by the modules. Inverters are used to convert DC power into AC power and charge controllers connect or disconnect the batteries from the system, as needed. After presenting the theory data required, a stand-alone photovoltaic system is designed so as to supply a country house.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι μέσα από την πειραματική διαδικασία και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων να μελετηθούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τεχνολογίας λεπτών φιλμ (Thin Films Photovoltaics-TFPV) που υπάρχουν διαθέσιμα στο εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας του Πανεπιστημίου Πατρών στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών και να εξαχθούν συμπεράσματα που θα οδηγήσουν στην κατανόηση της λειτουργίας τους. Η ανάλυσή τους θα διευκρινίσει την λειτουργία τους και σε πραγματικές εφαρμογές. Επιπλέον θα γίνει προσπάθεια πειραματικής εξομοίωσης συνθηκών δοκιμής στους 25οC υπό ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 τονίζοντας ότι οι κατασκευαστικές πληροφορίες σε αυτές τις συνθήκες είναι ενδεικτικές και δεν εκφράζουν την συμπεριφορά των πλαισίων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Επίσης θα παρουσιαστεί η επίδραση της τοπικής σκίασης και της αύξησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε μέρος ή και σε ολόκληρο το πλαίσιο που προκαλείται από ανάκλαση με τη βοήθεια κατόπτρου. Ειδικότερα παρουσιάζεται η κατάσταση της ενεργειακής πραγματικότητας σήμερα, οι προβληματισμοί για το περιβάλλον, η στροφή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και η σημαντικότητα της ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκών στα κτήρια. Επίσης παρουσιάζεται η θεωρία της ηλιακής ενέργειας και των φωτοβολταϊκών συστημάτων με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Στην συνέχεια γίνεται αναφορά στη συνδεσιμότητα των φωτοβολταϊκών με την ΔΕΗ και στις ενεργειακές ανάγκες που μπορούν να καλύψουν σε μια κτηριακή εγκατάσταση. Αναλύονται τεχνικές λεπτομέρειες και χαρακτηριστικά μεγέθη των φωτοβολταϊκών στοιχείων καθώς και η εξέλιξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας ξεκινώντας από το πυρίτιο και καταλήγοντας στα Λεπτά Φιλμ και σε ακόμα νεότερες τεχνολογίες. Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση της τεχνολογίας των λεπτών φιλμ προσανατολισμένη στην ενσωμάτωση τους σαν δομικά υλικά σε κατασκευές (BIPV-Building Integrated Photovoltaics).Στην πειραματική διαδικασία επεξηγείται η λογική που ακολουθήθηκε, η πειραματική διάταξη και τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν. Μελετώνται επίσης οι φωτοβολταϊκές παράμετροι και αναλύονται τα πειραματικά δεδομένα. Η ανάλυση γίνεται ως προς την ακτινοβολία, την θερμοκρασία και την εποχή του έτους. Τέλος, τα αποτελέσματα της ανάλυσης, (μέσο ένος προγράμματος στην γλώσσα προγραμματισμού C++), δημιουργούν μια βάση δεδομένων προσπελάσιμη από τον χρήστη για την πρόβλεψη και εξομοίωση των πειραματικών αποτελεσμάτων σε οποιοδήποτε συνδυασμό θερμοκρασίας και ακτινοβολίας. / The purpose of this diploma thesis is to study thin film photovoltaic panels that are available in the wireless communication laboratory in the University of Patras in the department of Electrical and Computer Engineering. Through the experimental process and processing its results our goal was to extract the conclusions that would lead us to a better understanding of their function. Their analysis will determine their usability in real outdoor PV systems. A simulation of the standard test conditions that are set in 250C temperature and 1000 W/m2 radiation is made, pointing out that this information is unable to indicate the actual function of the panels in outdoor conditions. The effects of partial shadowing and increased radiation with mirror system are also presented. More specifically, the energy reality, thoughts about the environment, the global turn towards the renewable energy sources and the significance of photovoltaic integration in buildings (BIPV- Building Integrated Photovoltaics) are mentioned. The theory of solar energy and photovoltaic technology including its advantages and disadvantages is analyzed. Grid-connected PV systems, their contribution in energy production in buildings and the potential of wide application of BIPV is presented. The advantages of thin film as BIPV materials are also mentioned. The experimental parameters, the logics followed in the set up process and the instruments used are part of the complete analysis of thin film parameters in relation to radiation, temperature and time of the year that the measurements occurred. Finally with a C++, a simulation program was created to predict the behavior of the thin film panels in outdoor conditions.

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

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εμβαθύνουμε στη λειτουργία φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου και μέσα από τα αριθμητικά δεδομένα των μετρήσεων και των υπολογισμών, να αποφανθούμε πώς η λειτουργία σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να επηρεάσει την παραγόμενη ισχύ του. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ρεύματος και τάσης, στο χώρο του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με φωτοβολταϊκό πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου ισχύος αιχμής 80 W. Οι μετρήσεις γίνονταν μια φορά την εβδομάδα κατά τη διάρκεια ενός έτους περίπου (2008-2009) και στόχος ήταν να διεξαχθούν μετρήσεις υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για αρκετές γωνίες κλίσης ώστε να αποκτήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής του συμπεριφοράς. Στη διάρκεια των μετρήσεων αλλάζαμε την τιμή ενός μεταβλητού φορτίου, για να πάρουμε τη χαρακτηριστική ρεύματος τάσης του συγκεκριμένου πλαισίου και επιπλέον σημειώναμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, του κυττάρου και της πίσω όψης του, καθώς και της κλίσης τοποθέτησης. Ακόμα ελέγχαμε πώς επηρεάζει τη χαρακτηριστική καμπύλη I-V, και κατά συνέπεια την απόδοση, τυχόν φυσική σκίαση από παρακείμενο αντικείμενο. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουμε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, μίας και η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ημισφαιρίου. Κατά την επεξεργασία των μετρήσεων καταλήξαμε στην βέλτιστη κλίση τοποθέτησης του πλαισίου ανά εποχή και είδαμε πως η ακτινοβολία επιδρά θετικά στην απόδοση του σε αντίθεση με τη θερμοκρασία του κυττάρου που τη μειώνει όταν αυτή αυξάνεται. Τέλος, έγινε μια σύγκριση των τιμών που δίνει ο κατασκευαστής σε εργαστηριακό περιβάλλον με τις τιμές των μετρήσεων για να διαπιστώσουμε τις απώλειες που έχουμε όταν το μονοκρυσταλλικό πλαίσιο λειτουργεί σε πραγματικές συνθήκες. / The aim of this diploma thesis is to take a better look at the operation of a monocrystalline silicon photovoltaic module and through the numerical data of measurements and the calculations, to come to a conclusion about how the operation in real conditions can influence his produced power. Measurements of current and tendency have been made in the area of the department of Electrical and Computer Engineering using a monocrystalline silicon photovoltaic module of peak power 80 W. The measurements took place once a week for about a year (2008-2009) and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and for some angles of bent so that we acquire a completed picture of its energy behavior. During the measurements we changed a variable load, in order to form the characteristic curve of current and tendency of the module and we also noted down the radiation, the environmental, the cell and the back side temperature of the module, as well as the bent of placement. Moreover, we checked how a possible natural shading from an adjacent object influences the characteristic I-V curve, and as a result the efficiency of the module. The orientation of the module was always South, in order to gain more hours of sunlight, since Greece is a country of the northern hemisphere. While processing the measurements, we found the optimal bent of placement per season for the module and we saw that the radiation affects positively its efficiency contrary to the cell temperature that decreases the efficiency when increased. Finally, we compare the electrical specifications in laboratorial environment that the constructor gives, with the measurements in order to realise the losses that we have when the monocrystalline module functions in real conditions.