- / -

Η τεχνολογία φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου συνδυάζει χαμηλό κόστος παραγωγής, μικρό χρόνο ενεργειακής απόσβεσης και χαμηλές απαιτήσεις σε πρώτες ύλες. Ωστόσο, μειονεκτήματα όπως η χαμηλή απόδοση και η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του άμορφου πυριτίου καθιστουν την τεχνολογία αυτή λιγότερο ανταγωνιστική σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου. Για να αυξηθεί η απόδοση χρησιμοποιούνται περισσσότερα ενεργά στρώματα οδηγώντας σε φωτοβολταϊκά πολυεπαφών. Συνδυάζοντας άμορφο και μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, με ενεργειακό χάσμα περίπου 1.7eV και 1.1eV αντίστοιχα προκύπτει η διάταξη a-Si/μc-Si. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται εκτενώς το φωτοβολταϊκό a-Si/μc-Si, το οποίο αναφέρεται και ως micromorph. Μελετώνται τα χαρακτηριστικά των ενεργών υλικών από τα οποία αποτελείται και οι ιδιότητες εκείνες που απαιτούνται για υψηλής ποιότητας επιστρώσεις. Παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας φωτοφολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου και οι διαφορές της με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Μελετάται επίσης η δομή της διάταξης a-Si/μc-Si και η έρευνα που αφορά τις τεχνικές βελτιστοποίησής της και την αύξηση της απόδοσης. Στη συνέχεια γίνεται πειραματική μελέτη για τις επιδόσεις ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου a-Si/μc-Si σε συνθήκες εξωτερικού χώρου, σε σύγκριση με φωτοβολταϊκά πλαίσια άλλων τεχνολογιών πυριτίου, ενός μονοκρυσταλλικού και ενός άμορφου. Το πλαίσιο a-Si/μc-Si της εταιρείας Heliosphera που μελετήθηκε έχει υποστεί την αναμενόμενη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση και η απόδοσή του σε πρότυπες συνθήκες βρέθηκε ίση με 8.14% με μια μείωση 8.5% από την αρχική απόδοση. Μελετήθηκε η εξάρτηση της επίδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων από την μεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης, τη θερμοκρασία και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιβεβαιώθηκε πειραματικά η μείωση της απόδοσης του πλαισίου a-Si/μc-Si με την αύξηση της αέριας μάζας, κάτι που παρατηρήθηκε και για το πλαίσιο αμόρφου πυριτίου. Η μελέτη φωτοβολταϊκών πλαισίων σε συνθήκες εξωτερικού χώρου θα οδηγήσει στην κατανόηση των διαφορών μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών και στη σημασία των κλιματολογικών συνθηκών ενός τόπου στην επιλογή των φωτοβολταϊκών πλαισίων για κάποια εγκατάσταση. / Thin film silicon photovoltaic technology combines low production cost, short energy payback time and low demands of raw materials. However, drawbacks as low efficiency and light induced degradation make this technology less competitive in regard to crystalline silicon solar cells. In order to increase the efficiency, more active layers are used leading to multijuction photo voltaics. Combining amorphous and microcrystalline silicon with energy bandgap of 1.7eV and 1.1eV correspondingly, results in the device a-Si/μc-Si.. In this work a-Si/μc-Si, which is also referred as micromorph, is thoroughly presented. The characteristics of its active materials and the properties required for device quality layers are studied. The specific properties of thin film silicon photovoltaics are presented along with the differences with other technologies. The structure of the a-Si/μc-Si device and the research for its optimization techniques and efficiency increase are also studied. An experimental study takes place for the performance of an a-Si/μc-Si photovoltaic module in outdoor conditions, in comparison with other silicon photovoltaic technologies, as monocrystalline and amorphous silicon. The module a-Si/μc-Si of the company “Heliosphera” that was studied has undertaken the prospective light induced degragation and its efficiency in standard conditions was 8.14% with a reduction of 8.5% from the initial efficiency. The performance of the photovoltaic modules was studied under the effect of shifts in the angle of incidence, temperature changes and changes in the solar irradiation intensity. The reduction in the efficiency of the a-Si/μc-Si module with the increase of the air mass was experimentally confirmed and was also verified for the amorphous silicon module. The study of photovoltaic modules in outdoor conditions will lead in better understanding the differences among various technologies and the effect of the climate conditions of a location on the choice of the photovoltaic modules for an installation.

Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μαθηματική μοντελοποίηση της εφαπτομενικής ροής του ψυχρού αέρα, ο οποίος παρέχεται εξωτερικά της διεργασίας εκβολής πολυμερούς με εμφύσηση (film blowing) και η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων που προκύπτουν. Η διεργασία εκβολής πολυμερών με εμφύσηση είναι η βασική μέθοδος παραγωγής φύλλων πλαστικού μεγάλης επιφάνειας τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως ως υλικά συσκευασίας και σε θερμοκήπια. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε μεθοδολογία η οποία επιτρέπει την μοντελοποίηση της ροής και της μεταφοράς θερμότητας του αέρα καθώς και του πολυμερούς και μας δίνει τη δυνατότητα να μελετήσουμε την επίδραση που έχει τόσο η ροή όσο και η ψύξη που προκαλεί ο αέρας στο φιλμ που σχηματίζει το πολυμερές. Αρχικά οι διέπουσες εξισώσεις του αέρα και του πολυμερούς απλοποιήθηκαν με την βοήθεια της θεωρίας των διαταραχών. Η μαθηματική ανάλυση και οι παραδοχές που έγιναν είχαν ως αποτέλεσμα i) η ροή και η παραμόρφωση του πολυμερούς να περιγράφεται από τις εξισώσεις του “λεπτού φιλμ” και ii) η ροή του αέρα να προσομοιάζεται με συνοριακό στρώμα, του οποίου η λύση προκύπτει με την μέθοδο ομοιότητας. Η επίδραση της θερμοκρασίας του αέρα στο πολυμερές μελετήθηκε θεωρώντας την αρχικά σταθερή, ενώ στην περίπτωση που και ο αέρας θεωρείται ότι θερμαίνεται από το πολυμερές, η κατανομή της θερμοκρασίας του προσεγγίζεται με ένα πολυώνυμο 4ου βαθμού στην ακτινική διεύθυνση. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν εξαιτίας της ψύξης του φιλμ δείχνουν ότι οι παραμορφώσεις και οι μεταβολές του πάχους μειώνονται επιτρέποντας στο φιλμ που σχηματίζει το πολυμερές να αποκτά σωληνοειδή μορφή. Η λύση της εφαπτομενικής ροής του αέρα κατά μήκος του φιλμ έδειξε ότι στο φιλμ ασκούνται τάσεις οι οποίες μετατοπίζουν το φιλμ προς τον άξονα συμμετρίας και έτσι λαμβάνονται πιο ομοιόμορφα σχήματα σε σχέση με τα σχήματα που λαμβάνονται χωρίς την επίδραση του αέρα. Η επίδραση της ροής του αέρα φαίνεται να συμβαίνει στο χαμηλότερο τμήμα του φιλμ και κυρίως μέχρι ύψους . Τέλος, η σύγκριση μεταξύ του θεωρητικού μοντέλου που αναπτύχθηκε με πειραματικά αποτελέσματα δείχνει ότι υπάρχει, τουλάχιστον ποιοτικά, συμφωνία. / The object of present work is the mathematical modelling of tangential flow of cold air, which is provided externally to the polymer film produced in the well-known industrial process for manufacturing biaxial stretched films, Film Blowing Process, and the numerical solution of equations as well. In the present work was developed methodology which describes the flow and heat transfer of air as well as polymer. This analysis gives us the possibility of studying the effect of the flow as well as refrigeration that causes the air in the film of the polymer. Initially the governing equations of air and polymer were simplified with the help of theory of perturbations. The mathematic analysis and the assumptions that became had as result i) the flow and deformation of polymer described with the equations of "thin film" and ii) the flow of air simulated as a boundary layer, which its solution obtained by method of similarity. The effect of temperature of air in polymer was studied considering initially constant, while in the case where also the air is considered that is heated from polymer, the temperature distribution is approached with a polynomial of 4th degree in the radial direction. The results that arise because of refrigeration of film show that the deformations and the changes of thickness are decreased allowing in the film makes solenoids shape. The solution of tangential flow of air along the film showed that stresses in the film shift the film to the axis of symmetry and thus are received more uniform shapes in regard the shapes which are received without the air effect. The air flow effect appears to happen in the lower part of film and mainly until height . Finally, the comparison between the theoretical model that was developed with experimental results shows that exists qualitatively agreement.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εμβαθύνουμε στη λειτουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτού φίλμ (και συγκεκριμένα των πλαισίων άμορφου πυριτίου - a-Si - και CIS) και μέσα από τα αριθμητικά δεδομένα, να αποφανθούμε πώς η λειτουργία σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να επηρεάσει την παραγόμενη ισχύ τους. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις, στο χώρο της ταράτσας του κτιρίου του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με φωτοβολταϊκά πλαίσια άμορφου πυριτίου και CIS ισχύος αιχμής 32 και 75 W αντίστοιχα. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν μια φορά την εβδομάδα κατά τη διάρκεια ενός ημερολογιακού έτους (Μάιος 2009-Απρίλιος 2010) υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για αρκετές γωνίες κλίσης, με σκοπό να αποκτήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής τους συμπεριφοράς. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του μηχανήματος PVPM 2540C το οποίο αποτυπώνει τη χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης του προς μέτρηση πλαισίου για μια χρονική στιγμή (σε χρόνο δυο δευτερολέπτων περίπου), ενώ επιπλέον σημειώναμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, καθώς και την κλίση τοποθέτησής τους. Επίσης μελετούσαμε πώς επηρεάζει τη χαρακτηριστική καμπύλη I-V, και κατά συνέπεια την απόδοση, τυχόν σκίαση από παρακείμενο αντικείμενο. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουμε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, διότι η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ημισφαιρίου. Κατά την επεξεργασία των μετρήσεων καταλήξαμε στην βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων ανά εποχή καθώς και σε μία βέλτιστη κλίση τοποθέτησης για όλο τo χρόνο για την περιοχή της Πάτρας. Επιπλέον, υπολογίσαμε με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια την ετήσια ενεργειακή απόδοση του κάθε πλαισίου για όλο το έτος και συγκρίναμε τα παραγόμενα αποτελέσματα. Τέλος, με τη βοήθεια του προγράμματος PV*Sol, κάναμε μια μοντελοποίηση του χρησιμοποιούμενου συστήματος για να συγκρίνουμε μ’ αυτή τα πειραματικά μας αποτελέσματα. / The aim of this diploma thesis is to understand deeply the operation of thin-film (specifically amorphous silicon and CIS ) modules and through the numerical data of measurements and calculations, to make a conclusion considering how the operation in real conditions can influence their produced power. Measurements of current and voltage have been realized on the roof of the building of the department of Electrical and Computer Engineering using an amorphous silicon and a CIS photovoltaic module of 32 and 75 W peak power respectively. The measurements took place once a week during one a year (May 2009-April 2010) and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and for some tilt angles so that we acquire enough knowledge on their energy behaviour. The measurements were taken by the “pve PVPM 2540C“ device, which plots the characteristic curve of current and voltage of a module (in space of two seconds) and we also noted down the radiation, the ambient temperature, as well as the tilt angle of the modules. Moreover, we have tested 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, as Greece is a country of the northern hemisphere. While processing the measurements, we found the optimal tilt angle of the modules per season as well as per year for Patras area. Moreover, we tried to calculate with the maximum possible accuracy, the annual energy yield by the two different types of modules and compare the results. Finally, by using the computer modelling system “PV*sol”, we tried to simulate our photovoltaic system, in order to compare the measured results to the experimental.

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.