Η μελέτη της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας σε σύνθετα συστήματα ελαστομερικής μήτρας με ενσωματωμένα ανόργανα νανοεγκλείσματα, παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον τόσο από τη πλευρά της έρευνας όσο και από τη πλευρά των εφαρμογών. Η μεγάλη τους ανάπτυξη οφείλεται, κυρίως, στην ηλεκτρική συμπεριφορά που παρουσιάζεται σε εναλλασσόμενο πεδίο αλλά και στο ευρύ φάσμα εφαρμογών που περιλαμβάνει τις δομικές και μηχανικές εφαρμογές, τις ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εφαρμογές και τέλος εφαρμογές σε πεδία όπως η οπτική, οπτοηλεκτρονική, βίο- νανοτεχνολογία και σε διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που αφορούν τα σύνθετα υλικά, τη θεωρία των διηλεκτρικών, την ηλεκτρική απόκριση σύνθετων υλικών με ελαστομερική μήτρα και τις μεθόδους αποθήκευσης ενέργειας σε τέτοια συστήματα. Στο δεύτερο μέρος εξετάζεται η διηλεκτρική απόκριση ελαστομερικών σύνθετων υλικών με ενσωματωμένα νανοσωματίδια στρωματικά άλατα πυριτίου και η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας μέσω της συνάρτησης πυκνότητας ενέργειας. / The study of the energy storage efficiency in elastomeric matrix composites with embedded inorganic nano-inclusions, presents an increasing interest not only from the research point of view, but also from the technological applications side. Their increased development is mainly ought to their electric behavior, under the influence of an alternating field, but also to a wide range of applications, which include structural and mechanical applications, electric and electronic applications and finally, applications in fields such as optical, optoelectrical, and bio-nanotechnology. At the first part of this final project basic issues concerning composite materials, the theory of dielectrics, electric response of composites materials in a elastomeric matrix, and the methods of energy storing at the examined systems are presented. In the second part, the dielectric response of elastomeric composites with embedded layered silicates nanoinclusions is investigated. Finally, the energy storage efficiency of the nanocomposites is examined via the density of energy.

Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας - ανόργανων/κεραμικών εγκλεισμάτων ελκύουν όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον χάρη στο ευρύ φάσμα των εφαρμογών. Ως σύνθετο υλικό ορίζεται το υλικό το οποίο αποτελείται από τουλάχιστον 2 διαφορετικές διακριτές μεταξύ τους φάσεις. Συνδυάζοντας τις ιδιότητες της μήτρας και του εγκλείσματος έχουμε ένα υλικό με νέες ιδιότητες. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας τους δίνουν σημαντικό ρόλο στην βιομηχανία της μικροηλεκτρονικής καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν διηλεκτρικά υλικά σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, σαν στοιχεία κυκλωμάτων αλλά και σαν μονωτές παρεμβολών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε ως μήτρα εποξειδική ρητίνη και σαν έγκλεισμα καρβίδιο του Βορίου ( Β4C). To Β4C είναι το τρίτο σκληρότερο υλικό, μετά το διαμάντι και το κυβικό νιτρίδιο του Βορίου, έχει χαμηλή πυκνότητα και πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες. Μέχρι πρότινος χρησιμοποιούταν κυρίως σε πλάκες θωράκισης και σαν απορροφητικό νετρονίων στην πυρηνική βιομηχανία αλλά τελευταίες μελέτες υποδεικνύουν και πολύ καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και χρήση στην μόνωση παρεμβολών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν 6 δοκίμια εποξειδικής ρητίνης και B4C, με μεταβαλλόμενη συγκέντρωση της εγκλεισμένης φάσης, έτσι ώστε να εξεταστεί εμπεριστατωμένα η σχέση -συγκέντρωσης εγκλεισμένης φάσης και ηλεκτρικών ιδιοτήτων-. Για τον διηλεκτρικό χαρακτηρισμό των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε διάταξη Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας (Broadband Dielectric Spectroscopy) με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία στον χώρο μετρήσεων. Το εύρος συχνοτήτων στο οποίο έλαβε χώρα το πείραμα ήταν 10-1 - 107 Hz και το θερμοκρασιακό εύρος 30oC-160oC. Τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού χαρακτηρισμού υποδηλώνουν την ύπαρξη τριών διεργασιών, στο εξεταζόμενο φάσμα συχνοτήτων. Στις υψηλές συχνότητες είχαμε την εμφάνιση της διεργασίας της β-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με τον επαναπροσανατολισμό των πλευρικών πολικών ομάδων της πολυμερικής αλυσίδας, στις μεσαίες συχνότητες είχαμε την εμφάνιση της α-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με την μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της πολυμερικής μήτρας και τέλος στις χαμηλές συχνότητες παρατηρήθηκε το φαινόμενο Maxwell-Wagner-Sillars το οποίο σχετίζεται με την διεπιφανειακή πόλωση. / Nowadays, polymer matrix composites filled with inorganic/ceramic inclusions gather the scientific interest because of their vast uses in numerous applications. A composite refers to a materials system that consists of at least two different separated phases. Combining the properties of the matrix and the filler we achieve a material with superior properties than that of its constituents. The electrical properties of polymer matrix composites give them a significant position in the microelectronics industry because of their potential applications such as energy storage devices, welding elements in circuit and electromagnetic interference shielding. In the present study as a matrix was used a commercially available epoxy resin and as a filler Boron carbide (B4C) in the form of powder. Boron carbide is the third hardest material on earth after diamond and cubic Boron nitride, with low density and excellent mechanical properties. Until recently Boron carbide was used primarily in armor plates and as a neutron absorber in the nuclear industry but latest studies suggest interesting electrical properties and possible applications in the electromagnetic interference shielding. In this study 6 epoxy resin – Boron carbide specimens were manufactured, varying the concentration of the encapsulated phase, in order to investigate thoroughly the dependence of the filler content in the presented results. For the dielectric characterization of the specimens we used a Broadband Dielectric Spectroscopy device varying the frequency (10-1 - 107 Hz) and temperature range (30oC-160oC). The results of the dielectric characterization suggest the existence of three distinct relaxation processes which can be attributed to the interfacial polarization, known as Maxwell-Wagner-Sillars effect, glass to rubber transition and reorientation of polar side groups of the polymeric matrix.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.