Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, και είναι η κυριότερη μορφή ανανεώσιμης πηγής. Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως "φωτοβολταϊκά" ή "Φ/Β", αποτελούν μία προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Κατα τη διάρκεια αυτής της διπλωματικής εργασίας έγινε μια αναλυτική περιγραφή του τρόπου λειτουργίας τους και ιδιαίτερα υπό συνθήκες χαμηλής συγκέντρωσης. Πιο συγκεκριμένα, στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ιδιαίτερα στην ηλιακή. Παρουσιάζεται η εξέλιξη των Α.Π.Ε. στον ελλαδικό χώρο και οι αιτίες που έστρεψαν τον άνθρωπο σε νέες μορφές ενέργειας πέραν τον ορυκτών καυσίμων. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στη θεωρία της Ηλιακής Γεωμετρίας που συνδέεται με τις δυο κύριες κινήσεις της Γης, την ημερήσια περιστροφή της και την ετήσια γύρω από τον Ήλιο. Παρουσιάζονται θεωρητικά μοντέλα πρόβλεψης της ηλιακής ακτινοβολίας και σχέσεις υπολογισμού της σε επιφάνειες στο επίπεδο της Γης. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια σύντομη περιγραφή της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων και των φυσικών ιδιοτήτων αυτών των ημιαγώγιμων διατάξεων. Επίσης γίνεται λόγος για τις υπάρχουσες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και για διάφορα φαινόμενα που επηρεάζουν τη λειτουργία τους. Το Κεφάλαιο 4 είναι αφιερωμένο στα συγκεντρωτικά συστήματα και σε όλες τις υπάρχουσες γεωμετρίες που χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή και ιδιαίτερα στη γεωμετρία του V-Trough που χρησιμοποιήθηκε στο πειραματικό σκέλος. Επίσης γίνεται αναφορά για τα συστήματα παρακολούθησης του Ήλιου. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται διάφορες τεχνολογίες ψύξης που έχουν δημοσιευθεί σε επιστημονικές εργασίες και συνοδεύουν τα συγκεντρωτικά συστήματα, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επιφέρουν στα κύτταρα. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται αναφορά στο πειραματικό κομμάτι της εργασίας με παρουσίαση των μετρητικών οργάνων και των αποτελεσμάτων των μετρήσεων που έγιναν στο συγκεντρωτικό σύστημα V-Trough, στο σταθερό φωτοβολταϊκό μονοκρυσταλλικού πυριτίου και στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο μικρομορφικού πυριτίου (thin film). Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται υπολογιστικές μέθοδοι για την εκτίμηση της ακτινοβολίας και της παραγόμενης ενέργειας από το V-Trough και το σταθερό φωτοβολταϊκό πλαίσιο σε ετήσια βάση. Επίσης παρουσιάζεται μέθοδος υπολογισμού της βέλτιστης κλίσης για κεκλιμένες επιφάνειες και μέθοδος για την αποφυγή σκιάσεων αυτών των επιφανειών. Επίσης γίνεται εξομοίωση φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων με χρήση του προγράμματος PV*SOL. Το Κεφάλαιο 8 περιέχει τα συμπεράσματα ως προς τη χρήση του συγκεντρωτικού συστήματος, τις υπολογιστικές μεθόδους και τα υπόλοιπα θέματα που παρουσιάσθηκαν σε αυτή τη διπλωματική. / The solar energy is practically inexhaustible, and it is the main form of renewable source. The solar radiation provides the Earth with a huge amount of energy. The solar cells, known as photovoltaics, compose an approach of high technology for the direct conversion of light into electricity. During this thesis an analytic description of their operation was made and specifically under low concentration conditions. Particularly, in the 1st Chapter is made an introduction to the renewable sources and specifically in solar. Showing the evolution of R.E.S. in Greece and the reasons that turned humans into new forms of energy than the fossil fuels. Chapter 2 refers to the theory of solar geometry associated with the two main movements of Earth, the daily rotation and the yearly around the Sun. Presented theoretical models, predicting and calculating the solar radiation on surfaces at the Earth’s level. Chapter 3 presents a brief description of the operation of photovoltaic cells and the physical properties of these semiconductor devices. Also refers to the existing photovoltaic technologies with their advantages and disadvantages and to various effects that influence their operation. Chapter 4 is devoted to the concentrating systems and all existing geometries used at this time and especially the V-Trough geometry that used in the experiments. A reference also is made to solar tracking systems. Chapter 5 presents various cooling technologies that have been published in scientific papers and accompanying concentrating systems due to high temperatures that cause to cells. Chapter 6 refers to the experimental part of this thesis with presentation of the experimental devices and the results of measurements made in the concentrating system V-Trough, the stable monocrystilline silicon photovoltaic panel and the micromorph silicon thin film panel. Chapter 7 presents computational methods for the estimation of radiation and the energy produced by the V-Trough and stable photovoltaic panel on an annual basis. Also presents method of calculating the optimum tilt for inclined surfaces and a method of avoiding the shading on this surfaces. Also a simulation of photovoltaic plants is made by the PV*SOL software. Chapter 8 contains the general conclusions related with the experimental results, the theoretical calculations and all the other issues that presented in this thesis.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης της γλυκερόλης η οποία αποτελεί ένα σημαντικό παραπροϊόν της βιομηχανίας του βιοντήζελ. Συνήθως αντιστοιχεί στο 10% της παραγόμενης ποσότητας του βιοντήζελ. Αυτό το γεγονός συντέλεσε στην υπερβολική αύξηση της παραγωγής της γλυκερόλης σε παγκόσμιο επίπεδο. Η περίσσεια της γλυκερόλης δε μπορεί να απορροφηθεί από τους συνηθισμένους βιομηχανικούς κλάδους που τη χρησιμοποιούν. Επομένως θα πρέπει να βρεθεί τρόπος αξιοποίησης αυτού του συσσωρευμένου παραπροϊόντος. Η κλασική μέθοδος επεξεργασίας αφορά τη χημική οδό μέσω της οποίας η γλυκερόλη μπορεί να μετατραπεί σε άλλα χημικά μόρια. Από την άλλη πλευρά βιοχημικές διεργασίες όπως η αναερόβια χώνευση, η ζύμωση αλλά και η μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου μπορούν να μετατρέψουν τη γλυκερόλη σε μεθάνιο, υδρογόνο και ηλεκτρικό ρεύμα αντίστοιχα. Οι διεργασίες αυτές, οι οποίες αποτέλεσαν και το αντικείμενο έρευνας της διατριβής, είναι λιγότερο δαπανηρές από τις χημικές και επιβαρύνουν λιγότερο το περιβάλλον. Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης διεξήχθη σε συμβατικό αντιδραστήρα τύπου CSTR και σε ταχύρυθμο τύπου PABR. Στα πειράματα μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης της γλυκερόλης στο ρυθμό παραγωγής του μεθανίου. Από τα αποτελέσματα που λήφθησαν φάνηκε ότι ο CSTR δεν άντεχε οργανική φόρτιση πέραν των 0.25 g COD/L/d, ενώ από την άλλη πλευρά ο PABR λειτούργησε σε υπερ 10-πλάσια φόρτιση της τάξης των 3 g COD/L/d με παραγωγή μεθανίου 0.982 ± 0.089 L/L/d. Με το πέρας της πειραματικής διαδικασίας ακολούθησε μοντελοποίηση της διεργασίας, αρχικά για την περίπτωση του CSTR και κατόπιν χρησιμοποιήθηκε το ίδιο μοντέλο με τροποποίηση για την περίπτωση του PABR. Η ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου διεξήχθη επιτυχώς σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης της γλυκερόλης και η επίδραση του αρχικού pH στην παραγωγή του υδρογόνου. Βρέθηκε ότι η μέγιστη παραγωγή υδρογόνου, 27.3 mL H2/ g COD γλυκερόλης, προήθλε όταν η αρχική συγκέντρωση είχε τεθεί στα 8.3 g COD/L. Η ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου φάνηκε να ευνοείται σε pH γύρω από το 6.5. Εν συνεχεία, εξετάστηκε η ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου σε συνεχή αντιδραστήρα. Η παραγωγή του υδρογόνου ήταν υπερβολικά ασταθής, γεγονός που πιθανότατα να οφείλεται στην απομάκρυνση της υδρογονοπαραγωγού βιομάζας από τον αντιδραστήρα σε συνδυασμό με την παρουσία υδρογονοκαταναλωτών μικροοργανισμών. Για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από γλυκερόλη χρησιμοποιήθηκε μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου διάταξης Η-type σε συνθήκες διαλείποντος έργου. Μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης της γλυκερόλης στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Παρατηρήθηκε ότι η συγκέντρωση των 3.2 g COD/L απέφερε τη μέγιστη απόδοση Coulomb (CE) 34.09 %. Η περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης οδήγησε σε μείωση της CE. Αυτό ίσως να οφείλεται σε κινητικό περιορισμό που υπέστησαν οι ηλεκτροχημικά ενεργοί μικροοργανισμοί όταν εκτέθηκαν σε υψηλές συγκεντρώσεις γλυκερόλης. / This study focused on the valorization of glycerol which is an important by-product of the biodiesel industry corresponding to 10 % of the produced biodiesel amount. This fact contributed to the increase of the global production of biodiesel, to a point at which the industries which traditionally consumed glycerol could not absorb. This situation should be overcome through new outlets on glycerol exploitation. Usually, glycerol is treated by chemical processes in order to form new chemical compounds. On the other side, biochemical processes like anaerobic digestion and fermentation or the technology of microbial fuel cells could potentially transform glycerol into methane, hydrogen and electric current respectively. These processes, which are the subject of this Ph.d, are preferable to their chemical counterparts due to the low energy demand and reduced environmental pollution. The anaerobic digestion process was conducted in a conventional CSTR reactor and in a high rate reactor, the PABR. The experiments dealt with the effect of glycerol concentration on the methane production rate. The obtained results showed that the CSTR could not withstand organic loadings above 0.25 g COD/L/d, however PABR operated at organic loading 10 times higher than CSTR such as 3 g COD/L/d and resulted to a methane production rate of 0.982 ± 0.089 L/L/d. A model was developed for both the CSTR and the PABR digesters. Fermentative hydrogen production was conducted successfully in batch reactors. The effect of the initial glycerol concentration and initial pH on hydrogen production was studied. A maximum yield, 27.3 mL H2/ g COD glycerol, was obtained when glycerol concentration was 8.3 g COD/L and the pH 6.5. Moreover, the fermentation of glycerol took place in a CSTR in order to investigate the continuous production of hydrogen. Hydrogen production was unstable, possibly due to the washout of proper biomass from the reactor. For electricity generation from glycerol, an H-type microbial fuel cell was used in batch mode. The effect of the initial glycerol on the electric current was studied. A maximum Coulombic efficiency (CE) 34.09% was obtained at a glycerol concentration of 3.2 g COD/L. A further increase of glycerol drove to a drop of the CE. Probably, this happened since the electrochemical microorganisms were inhibited by the high glycerol concentration.

Οι ροές φλεβών άνωσης έχουν πολύ μεγάλο ενδιαφέρον στην περιβαλλοντική υδραυλική και στη μηχανική των ρευστών, επειδή παρουσιάζονται σε αρκετά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάθεση υγρών αποβλήτων ή θερμών νερών σε υδάτινους αποδέκτες καθώς επίσης και την εκπομπή αερίων ενώσεων από καμινάδες στην ατμόσφαιρα. Στην παρούσα διατριβή διπλώματος ειδίκευσης μελετήθηκε η ανάπτυξη ενός μοντέλου που περιγράφει το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας. Η ροζέτα προσομοιώνεται με ένα κύκλο στον οποίο είναι εγγεγραμμένο κανονικό πολύγωνο Ν πλευρών, στις κορυφές του οποίου εδράζονται τα Ν κατακόρυφα ακροφύσια. Λόγω γεωμετρικής και υδραυλικής συμμετρίας του φαινομένου, μελετάται η μία φλέβα από την ομάδα των Ν φλεβών που συμμετέχουν. Η μέση ροή και η μεταφορά μάζας σε μία τέτοια φλέβα περιγράφονται από την ολοκλήρωση των εξισώσεων συνέχειας, ορμής και διάχυσης. Επίσης, έγινε η σύγκριση μεταξύ του συγκεκριμένου μοντέλου και δεδομένων από τη σχετική βιβλιογραφία. Σκοπός της εργασίας, είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου που να περιγράφει το πεδίο ταχυτήτων και διάχυσης που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση φλεβών, όταν αυτές εκρέουν από μια ροζέτα. Η αναγκαιότητα και χρησιμότητα της προσέγγισης του φαινομένου, είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων για την εφαρμογή τους στην ολοένα αυξανόμενη χρήση διαχυτών τέτοιου τύπου. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζεται η περιγραφή του φαινομένου της εκροής μιας φλέβας. Δίνονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία που προσδιορίζουν τις ανωστικές φλέβες και τα γενικά χαρακτηριστικά τους και γίνεται αναφορά στο φαινόμενο της τύρβης που αποτελεί βασικό κομμάτι της ροής σε μία φλέβα. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου, παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις, της συνέχειας, της ορμής και της διάχυσης, που περιγράφουν τη ροή μίας φλέβας με άνωση και εξάγονται οι ίδιες εξισώσεις για την τυρβώδη ροή φλέβας, χρησιμοποιώντας τους κανόνες μεσοποίησης του Reynolds, ολοκληρωμένες σε μία εγκάρσια διατομή της φλέβας. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης των φλεβών. Δίνεται σχηματικά το πεδίο που προκύπτει από την αλληλεπίδραση και γίνεται αναφορά σε μεθόδους που έχουν χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπισή του. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναπτύσσεται το μοντέλο για την αλληλεπίδραση φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας. Αρχικά, παρουσιάζεται συνοπτικά το μοντέλο των Yannopoulos & Noutsopoulos (2005) για την αλληλεπίδραση φλεβών σε σειρά, στη λογική του οποίου αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης φλεβών από ροζέτα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η εξέλιξη του φαινομένου. Χρησιμοποιώντας την ολοκληρωματική μεθόδο και τη Μέθοδο Περιορισμού της Συμπαράσυρσης, επιλύεται το σύστημα των εξισώσεων ορμής στη διεύθυνση z και της εξίσωσης διατήρησης της μάζας του χημικού δείκτη. Από την επίλυση του συστήματος εξάγονται οι εξισώσεις που περιγράφουν την κατανομή των μέσων αξονικών ταχυτήτων και των συγκεντρώσεων των Ν φλεβών. Για την καλύτερη απεικόνιση των αποτελεσμάτων, δίνονται οι λόγοι της κατανομής της ταχύτητας και της συγκέντρωσης των Ν φλεβών ως προς την κατανομή της ταχύτητα και της συγκέντρωσης, αντίστοιχα, της μιας κυκλικής κατακόρυφης ανωστικής φλέβας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου που έχει αναπτυχθεί, για τις περιπτώσεις ροζετών με Ν=3, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 24 και με άπειρο αριθμό ακροφυσίων. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου, γίνονται οι συγκρίσεις με τα δεδομένα από τη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου για άπειρο πλήθος ακροφυσίων, συγκρίνονται με τα αποτελέσματα του μοντέλου για αλληλεπίδραση απείρων φλεβών των Yannopoulos & Noutsopoulos (2005). Σε αυτή τη σύγκριση δεν παρατηρήθηκαν αποκλίσεις μεταξύ τους. Ακόμη, συγκρίνονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου της παρούσας εργασίας για ροζέτα με 8 και 12 ακροφύσια με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα των Roberts & Snyder (1993). Οι αποκλίσεις είναι μικρότερες του πειραματικού σφάλματος το οποίο υπεισέρχεται στα πειράματα. / Buoyant flows are of great interest in environmental fluid mechanics and hydraulics, because they occur in many phenomena related to wastewater or heat disposal into water bodies. Similar flows take place when chimney or cooling tower emissions of smoke and other air pollutants or heat are released into the atmosphere. In this project a model was developed which describes the phenomenon of interaction of jets discharging from a rosette riser. A circle in which a horizontal equilateral polygon of N sides is inscribed, has modeled the rosette riser. The N vertical nozzles are laying on the apexes of the polygon. Due to geometric and hydraulic symmetry of the phenomenon, one buoyant jet of the group of N jets was studied. The mean flow and mass transfer in a jet of this kind are governed by the integral forms of the equations of continuity, momentum at the vertical direction and mass conservation of tracer. Furthermore, the specific model was compared to experimental data. The aim of the project is the development of a model describing the mean axial velocity distribution and mean concentration distribution, which are produced of the interaction of jets when they discharge vertically from a rosette riser. The necessity of this approach is the extraction of useful results in order to design such kind of diffuser systems. In the first chapter, there is a description of the discharged effluent. Some preliminary elements that determine buoyant jets and their general characteristics are given. Also, there are some preliminary elements about turbulence that constitutes great part of jet flow. In the second part of this chapter, there are the equations of continuity, momentum and mass conservation of tracer, which describe the turbulent flow, utilizing the Reynolds’ rules. These equations are integrated across the flow. In the second chapter the phenomenon of jet interaction is described. Also, it is given, schematically, the merged flow field and the methods and techniques that have been used to face up the problem in the past. In the third chapter, it is shown the development of the model for jet merging from a rosette riser and the process of the phenomenon. Using the Integral Method and adopting the Entrainment Restriction Approach, the system of the equations of momentum and mass conservation of tracer was solved, extracting the axial velocity and concentration distributions. To better quantify the buoyant jet interaction and illustrate it in simple diagrams, these expressions were divided on both sides by the corresponding analytical expressions of the round vertical turbulent buoyant jet, determining the axial velocities and concentrations ratios. In the last chapter, we demonstrate the results from applying the model for N=3, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 24 ports per riser. There is also an application of the model for infinite number of nozzles. In the second part of this chapter, it is shown the comparisons of the results with other data. The results of the application of the model of infinite number of nozzles were compared with the model for an infinite row of interacting buoyant jets (Yannopoulos & Noutsopoulos, 2005). There are no deviations between the models. Also, there is a comparison between the application of the model for 8 and 12 nozzles with the experimental data of Roberts and Snyder (1993). The deviations in this case were less than the experimental error, which took place in the experiments.