- / -

Η διπλωματική μεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης παρουσιάζει μελέτη σε φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζεται βιβλιογραφική ανασκόπηση των φωτοβολταϊκών κυττάρων και γίνεται εμβάθυνση στον μηχανισμό λειτουργίας των φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων με χρωστική ουσία (Dye-sensitized Solar Cells, DSSC). Αναλύονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση του ηλιακού κυττάρου: υποστρώματα από Indium-Tin Oxide (ITO), υμένιο από νανο-κρυσταλλικό διοξείδιο του τιτανίου (TiO2), οργανικές χρωστικές ουσίες, υγρός/στερεός ηλεκτρολύτης ιωδίου και αντιηλεκτρόδιο. Επιπλέον, περιγράφονται πειραματικές διατάξεις από ελληνικά και διεθνή εργαστήρια τα οποία παρουσιάζουν τις νέες εξελίξεις στον τομέα των φωτοευαίσθητων φωτοβολταϊκών. Στο πειραματικό μέρος περιγράφεται η διαδικασία σύνθεσης φωτοευαίσθητων ηλιακών κυττάρων στο εργαστήριο. Γίνεται μελέτη των επιμέρους υλικών και σύνθεση νέων ηλιακών κυττάρων, έτσι ώστε να επιτευχθεί αύξηση της απόδοσης και της σταθερότητας των υποστρωμάτων τους. Σύμφωνα με την θεωρία Shockley–Queisser, η μέγιστη θεωρητική απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου φτάνει το 30% και με επόμενες παρόμοιες μεθόδους υπολογίσθηκε ότι μπορεί να φτάσει το 68%. Παρουσιάζονται επιπλέον, πειραματικές διατάξεις με εφαρμογή χαμηλοδιάστατου ημιαγωγού, με σκοπό την αύξηση της απόδοσης και ταυτόχρονα την μείωση του υλικού και του κόστους του φωτοβολταϊκού. Η μελέτη και ο χαρακτηρισμός των επιμέρους υλικών έγινε με την χρήση τεχνικών οργάνων, όπως: XRD, UV, PL, SEM. Η μέτρηση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων πραγματοποιήθηκε σε εσωτερικό σκοτεινό χώρο με προσομοίωση του ηλιακού φωτός με την χρήση του ηλεκτρομέτρου και υπολογίστηκαν οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών κυττάρων. / The present master thesis presents a study on photo-sensitized solar cells, which convert solar radiation into electricity. The theoretical part includes a literature of relevant works on solar cells and a description of the operation mechanism of photo-sensitized solar cells using pigment (Dye-sensitized solar cells, DSSC). The materials used for the fabrication of solar cell were Indium-Tin Oxide (ITO) for the substrate, thin film from nanoparticles of titanium dioxide (TiO2), organic pigments, liquid/solid iodide electrolyte and counter electrode. In addition, testing devices and cell fabrication procedures, from national and international laboratories covering the developments in the field of photosensitive solar cells, are also included. In the experimental part, the procedure for the synthesis of photo-sensitized solar cells is extensively described. The used materials and the synthesis mode to achieve new cell types with increased efficiencies and substrate stability are presented. According to Shockley-Queisser theory, the theoretically maximum efficiency of solar cell is up to 30%, which in other methods it has been extended to 68%. In the same part, experimental procedures for other semiconductor application are additionally presented, aiming to a reduction in material and cost. The study and the characterization of the used materials were performed by using suitable equipment as XRD, UV, PL and SEM. The solar cell efficiency was measured in a dark room using electrometer and the efficiency were obtained.

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 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.

Σε αυτήν την εργασία συζητάμε κυρίως τις ηλιακές παρατηρήσεις οι οποίες προτείνουν την ύπαρξη του σωματιδίου axion. Η αρχή λειτουργίας των ηλιακών τηλεσκοπίων που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των ηλιακών axions μπορεί να βρίσκεται πίσω από την απροσδόκητη ηλιακή εκπομπή ακτίνων X, ακόμη και επάνω από 3.5 keV από τα μη ενεργά active regions. Επειδή αυτό συνδέεται με τα ηλιακά μαγνητικά πεδία και παρουσιάζει την αναμενόμενη B2 εξάρτηση, που είναι χαρακτηριστική για την αλληλεπίδραση τους με μαγνητικά πεδία. Τα μαγνητικά πεδία γίνονται σε αυτό το πλαίσιο ο καταλύτης και όχι η ειδάλλως πιθανή/απροσδιόριστη πηγή ενέργειας των ηλιακών ακτίνων X. Επιπλέον, ίσως μπορέσουμε (ίσως και όχι) να είμαστε σε θέση να αναδημιουργήσουμε πλήρως τον υποτιθέμενο ενσωματωμένο συντονισμό αλληλεπίδρασης των axions στον ήλιο και, να είμαστε σε θέση (ή και όχι) να τον αντιγράψουμε σε ένα επίγειο πείραμα. Τα σήματα των ηλιακών axions μπορεί να είναι παροδικές εκλάμψεις ακτίνων X ή συνεχής ακτινοβολία, όπως π.χ. από την κορώνα η οποία εκ πρώτης όψεος παραβιάζει το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής καθώς και το νόμο Planck περί ακτινοβολίας μέλανος σώματος. Για την κατανόηση του προβλήματος της ηλιακής κορώνας και των άλλων ηλιακών μυστηρίων, όπως είναι οι ηλιακές καταιγίδες, οι ηλιακές κηλίδες, οι κατανομές χημικών στοιχείων, κ.λ.π., καταλήγουμε τουλάχιστον σε δύο νέα ‘εξωτικά σωματίδια’, όπως είναι: α) παγιδευμένα ‘βαριά’ axions τύπου Kaluza-Klein τα οποία διασπώνται ακτινοβολώντας και επιτρέπουν μια συνεχή αυτο-ακτινοβολία του ήλιου, μέσω της αυθόρμητης διάσπασής τους σε δύο φωτόνια. Αυτή η διεργασία εξηγεί την ξαφνική αναστροφή θερμοκρασίας στα ~2000 χλμ επάνω από την επιφάνεια του ήλιου. β) εξερχόμενα ‘ελαφριά’ axions, τα οποία αλληλεπιδρούν με τα τοπικά μαγνητικά πεδία μέσω της χαρακτηριστικής εξάρτησης (~B2). Η αλληλεπίδραση αυτή εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, μία εκ των οποίων είναι η συχνότητα πλάσματος του περιβάλλοντος χώρου. Η συχνότητα αυτή θα πρέπει να ταιριάζει με τη μάζα ηρεμίας του axion, προκειμένου να έχουμε τον επιθυμητό συντονισμό. Η αναμενόμενη συμπεριφορά αυτών των δυο κατηγοριών αυτή εξηγεί τα κατά τα άλλα απρόβλεπτα παροδικά, αλλά ταυτόχρονα και συνεχή, ηλιακά φαινόμενα. Κατόπιν, η ενεργειακή κατανομή των φωτονίων ενός υποψήφιου φαινομένου άγνωστης προέλευσης μπορεί να ‘φωτογραφίσει’ το σημείο γέννησης των axions. Παραδείγματος χάριν, αυτό θα μπορούσε να προτείνει ότι ηλιακή κορώνα θερμοκρασίας ~2MK έχει τις ρίζες της στο πάνω μέρος της «ζώνης ακτινοβολίας» (radiation zone) ακόμα κι αν αυτό από μόνο του δεν μπορεί να εξηγήσει προφανώς την τόσο απότομη περιοχή μετάπτωσης μεταξύ της χρωμόσφαιρας και της κορώνας. Το προβλεφθέν μαγνητικό πεδίο Β ≈ 10 – 50 Τ στην αποκαλούμενη tachocline σε ακτίνα ~0.7R๏, κάνει αυτήν την περιοχή μια πιθανή νέα πηγή ηλιακών axions. Σε κάθε περίπτωση, η πολλαπλή σκέδαση φωτονίων μέσω του φαινομένου Compton ενισχύει τη μετατροπή φωτονίων από axions, δεδομένου ότι τα axions δεν μπορουν να αλληλεπιδράσουν πολλές φορές και έτσι δραπετεύουν. Καταλήγουμε λοιπόν στο συμπέρασμα ότι η ενεργειακή κατανομή κάτω από περίπου 100 eV είναι ένα νέο παράθυρο για τις αναζητήσεις axion. Εντυπωσιακά, αυτή η ενεργιακή κατανομή συμπίπτει με το γεγονός ότι: α) οι ενέργειες των φωτονίων που προκύπτουν από την αυθόρμητη διάσπαση των axions για μια εξωτερική αυτο-ακτινοβολία του ήλιου, πρέπει να διαπεράσουν μέχρι την ‘περιοχή μετάπτωσης’ στα ~2000 χλμ επάνω από την ηλιακή επιφάνεια, και β) με την κύρια συνιστώσα της ηλιακής φωτεινότητας ακτίνων X χαμηλής ενέργειας, η οποία είναι άγνωστης προέλευσης. Κατά συνέπεια, τα άμεσα/έμμεσα σήματα υποστηρίζουν τα axions ως μια εξήγηση της αινιγματικής συμπεριφοράς του ήλιου. Π.χ., η ανεξήγητη «solar oxygen crisis». Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη σχετικές παρατηρήσεις στους ‘πόρους’, παρατηρείται μια επίσης εντυπωσιακή ~B2 εξάρτηση της κατανομής των χημικών στοιχείων πάνω απο έναν ‘πόρο’. Όλη αυτή η συμπεριφορά μπορεί να εξηγηθεί μέσω της πίεσης ακτινοβολίας απο την εκπομπή ακτίνων X που προέρχονται από τα axions του ηλιακού πυρήνα, ή, ακόμη και από κάποια άλλη εσωτερική ηλιακή πηγή axions. Έτσι, κεραίες αxions θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν / ενσωματώσουν ένα τέτοιο μηχανισμό. Τέλος, η παρατηρηθείσα χαμηλο-ενεργειακή εκπομπή ακτίνων X από τον ‘ήρεμο’ ήλιο στα υψηλότερα πλάτη καθώς επίσης και η εκτεταμένη δραστηριότητα που συνδέεται με τις μαγνητικές δομές, που διασχίζουν το κέντρο του ηλιακού δίσκου, προτείνουν ότι τελικά έχουμε να κάνουμε με ένα σενάριο axions πολλών συνιστωσών. Ένα τέτοιο σενάριο ίσως είναι τελικά στην πράξη, αυτό που εξηγεί γιατί τα ηλιακά axions δεν έχουν προσδιοριστεί / παρατηρηθεί μέχρι τώρα στο καθ’ολα πλούσιο και χωρο-χρονικά μεταβαλλόμενο ηλιακό φάσμα ακτίνων X. Τέλος, υποστηρίζουμε, σε αυτήν την εργασία ότι, τα ηλιακά axions που μετατρέπονται σε (υψηλοενεργειακές) ακτίνες X κοντά στην ηλιακή επιφάνεια μπορούν να ιονίσουν τα ανωτέρω στρώματα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ισοτροπική Compton σκέδαση και την ενεργειακή υποβάθμιση των φωτονίων. Τα φωτόνια διαδίδονται μέσα στο πλάσμα με πολλαπλές σκεδάσεις Compton (τυχαίος βηματισμός). Και τα δύο φαινόμενα επιτρέπουν για πρώτη φορά την σύνδεση της ηλιακής εκπομπής ακτίνων X με το τυποποιημένο πρότυπο ηλιακών axions. Δηλαδή, έχουμε να κάνουμε όχι μόνο με μια ακτινική εκπομπή ακτίνων X που προέρχονται από το κέντρο του ηλιακού δίσκου αλλά και με ένα ενεργειακό φάσμα που μετατοπίζεται προς όλο και χαμηλότερες ενέργειες. Αυτό είναι κάτι νέο που προέκυψε από αυτήν την εργασία. Επιπλέον, τονίζουμε ότι, από την λογική αυτής της εργασίας προκύπτει το σημείο γέννησης / μετατροπής axions, και μάλιστα ‘φωτογραφίζοντας’ την ηλιακή επιφάνεια. Αυτό το συμπέρασμα είναι πολύ σημαντικό. Διότι, εάν υιοθετήσουμε το ευρέως διαδεδομένο, αντίστροφο φαινόμενο Primakoff, που πιστεύεται ότι προκαλεί αυτήν την αλληλεπίδραση, όπως γίνεται παραδείγματος χάριν στην 2η φάση του πειράματος CAST με το ‘buffer gas’ στους μαγνητικούς σωλήνες, καταλήγουμε για πρώτη φορά σε μια μάζα ηρεμίας ενός σωματιδίου όπως είναι το axion: maxion ≥ 0.01 eV/c2. Αυτό το γεγονός μαζί με την γωνιακή και ενεργειακή κατανομή των ακτίνων Χ, που προέρχονται από axions στην επιφάνεια του ήλιου, προέκυψαν από αυτήν την εργασία. Επίσης, και η ανάλυση των δισδιάστατων κατανομών ηλιακών ακτίνων Χ χαμηλής ενέργειας απο δημοσιευθέντα αρχεία δεδομένων οδήγησε σε νέα αποτελέσματα. / We discuss mainly solar signatures suggesting axion or axion(-like) particles. The working principle of axion helioscopes can be behind unexpected solar X-ray emission, even above 3.5 keV from non-flaring active regions. Because this is associated with solar magnetic fields shows the expected B2- dependence. The magnetic fields become in this framework the catalyst and not the otherwise suspected / unspecified energy source of solar X-rays. In addition, the built–in fine tuning we may (not) be able to fully reconstruct, and, we may (not?) be able to copy in an earth bound experiment. Solar axion signals are transient X-ray brightenings, or, continuous radiation from the corona violating at first sight the second law of thermodynamics and Planck’s law of black body radiation. To understand the corona problem and other mysteries like flares, sunspots, elemental abundances, etc., we arrive at least at two exotica: a) trapped, radiatively decaying, massive axions of the Kaluza Klein type allow a continuous self-irradiation of the Sun, via their spontaneous decay, explaining the sudden temperature inversion ~2000 km above the Sun’s surface and b) outstreaming light axions interact with local fields (~B2), depending crucially, among other parameters on the plasma frequency which must match the axion rest mass, explaining the otherwise unpredictable transient, but also continuous, solar phenomena. Then, the photon energy distribution of a related phenomenon of unknown origin might point at the birth place of involved axions. For example, this could suggest that the ~2 MK solar corona has its axion roots at the top of the radiative zone even though this alone can not explain the steep transition region (TR) between the chromosphere and the corona. The predicted B ≈ 10–50 T at the so called tachocline at ~0.7R, make this place a potential coherent axion source, while the multiple photon scattering enhances the photon-to-axion conversion unilaterally, since axions escape. We conclude that the energy range below some 100 eV is a new window of opportunity for axion searches. Remarkably, it coincides with a) the 10 derived photon energies for an external self-irradiation of the Sun, which has to penetrate until the transition region at ~2000 km above the solar surface, and b) with the bulk of the soft solar X-ray luminosity, which is of unknown origin. Thus, (in)direct signatures support axions or the like as an explanation of enigmatic behavior in the Sun and beyond; e.g., the otherwise unexplained “solar oxygen crisis” taking into account related observations in pores, which also show striking ~B2 – dependence of elemental abundance in a pore. They can be associated with the radiation pressure of the X-ray emission from converted axions from the solar core, or, other as yet unpredicted inner solar axion source. Axion antennas could take advantage of such a feed back. Finally, the observed soft X-ray emission from the quiet Sun at highest latitudes as well as the extended activity associated with magnetic structures crossing the solar disk centre suggest that a multi-component axion(-like) scenario is finally at work, which explains why the solar axions have not been identified / noticed before in the rich and spatiotemporarily changing solar X-ray spectrum. Finally, it is arguing in this work that solar axions converted to (hard) X-rays near the solar surface can ionize the layers above. This gives rise to the isotropic Compton scattering and to the photon energy degradation while the photons propagate inside the plasma. Both effects allow for the first time to reconcile solar X-ray emission with the standard solar axion model, i.e. not only radial X-ray emission distinguishing thus the solar disk center, and, an energy spectrum shifted towards lower and lower energies. Moreover, the concluded place of birth of the axion conversion points at the solar surface. If we assume the widely mentioned coherent inverse Primakoff-effect being behind this interaction, as it is done for example in CAST phase II with buffer gas in the magnetic pipes, then the axion or axion-like rest mass is maxion ≥ 0.01 eV/c^2.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση, μέσω παραμετρικών αναλύσεων, της συμπεριφοράς και απόδοσης ενός δεδομένου Θερμικού Ηλιακού Συστήματος (Θ.Η.Σ.) για την περιοχή της Πάτρας. Στα πλαίσια αυτά, στο πρώτο μέρος της εργασίας περιλαμβάνεται μία βιβλιογραφική έρευνα, η οποία καλύπτει εκτενώς θέματα όπως η ηλιακή ακτινοβολία, κατηγορίες – εφαρμογές και ανάλυση των κύριων συνιστωσών ολοκληρωμένων Θ.Η.Σ., καθώς επίσης και μεθόδους εξομοίωσης τους. Στο δεύτερο μέρος αναπτύσσεται πρόγραμμα υπολογιστή, το οποίο αφ’ ενός υπολογίζει την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μία επιφάνεια στην περιοχή της Πάτρας, αφ’ ετέρου προσδιορίζει, μέσω δύο μεθόδων (αναλυτική και f-chart), τα μηνιαία και ετήσια ποσοστά κάλυψης του φορτίου ενός δεδομένου Θ.Η.Σ.. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αυτών εμφανίζονται στη συνέχεια σε σχετικά γραφήματα παρέχοντας διάφορα χρήσιμα συμπεράσματα. / This project includes bibliographic research related to solar thermal systems and a study of performance, via parametrical analysis, for a solar water heating system installed in a hotel unit located in the region of Patras.