Πειραματική προσομοίωση μιας εγκατάστασης φωτοβολταϊκών σε στέγη κτιρίου με έμφαση στα σχολικά κτίρια. Βελτίωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης με την δημιουργία αεραγωγού για την ψύξη των συλλεκτών και προσθήκη ενδιάμεσου μεταλλικου φύλλου και πτερυγίων βάσης. Εκτίμηση του ηλεκτρικού κέρδους σε πιθανή εγκατάσταση σε σχολική στέγη. / Experimental simulation of PV collectors’ establishment on inclined roofs and application on school buildings (as a paradigm). Study for the improvement of the PV/T collectors’ electrical efficiency by the addition of an air duct with natural air flow. The air duct contains either an internal/interspace thin metal sheet or basal metal fins (metal fins on its base). Effort for the estimation of the electrical energy benefit/gain by such an establishment on a typical school building.

Η εμπειρία έχει δείξει ότι στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, η μπαταρία είναι το πιο αδύναμο στοιχείο αφού το προσδόκιμο ζωής της είναι συνήθως αρκετά μικρότερο από ότι όλων των άλλων στοιχείων του συστήματος και για το λόγο αυτό είναι και το πιο ακριβό στοιχείο με το 30% ή και περισσότερο του κόστους ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος καθ’όλη τη διάρκεια της ζωής του να οφείλεται στο σύστημα αποθήκευσης. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η μελέτη των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (που είναι ο βασικός τύπος μπαταριών που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση στα φωτοβολταϊκά συστήματα) και οι τρόποι αντιμετώπισής τους με σκοπό αφενός την επέκταση της διάρκειας της χρήσιμης ζωής των μπαταριών αυτών και αφετέρου τη μείωση του κόστους συντήρησης και αντικατάστασής τους. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στο πρόβλημα της θειίκωσης, το οποίο έχει αποδειχθεί ο σημαντικότερος παράγοντας γήρανσης και τελικά καταστροφής της πλειοψηφίας των μπαταριών μολύβδου οξέος που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα και παρουσιάζονται τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη και την αντιμετώπιση του πολύ σοβαρού αυτού προβλήματος. / Experience has shown that in stand alone photovoltaic systems, battery is the weakest element since its expected lifetime is usually considerably smaller than those of other elements. Thus its cost is the most expensive with 30% or above of the total cost of stand alone photovoltaic system throughout its whole lifespan. Subject of this dissertation is the study of problems that lead acid batteries face and the way to treat them. The aim is to extend their useful lifetime and the reduction of the cost of maintenance and replacement. The problem of sulphation is given special importance, since it has been proved that it constitutes the main aging factor for the majority of lead acid batteries used in photovoltaic systems. Suggestions for treatment are given.

Τα φωτοβολταϊκά είναι κατάλληλες ενεργειακές συσκευές τόσο για εφαρμογή σε κεντρικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού (φωτοβολταϊκά πάρκα) όσο και σε ξεχωριστές μονάδες (κατοικίες και άλλα κτήρια). Και στις δύο αυτές περιπτώσεις, η εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών επιδιώκεται να έχει την βέλτιστη κλίση και αζιμούθια γωνία των φβ πλαισίων, για να επιτυγχάνεται μεγιστοποίηση του παραγόμενου ηλεκτρισμού. Εκτός από τις περιπτώσεις που είναι εφικτή η βέλτιστη εγκατάσταση των φβ, υπάρχουν και περιπτώσεις που η εγκατάσταση παρουσιάζει ιδιαιτερότητα ως προς την τοποθέτηση και χρειάζεται ειδική μελέτη για την επίτευξη ικανοποιητικού αποτελέσματος. Στις περιπτώσεις αυτές και εκτός από το αυξημένο κόστος τα άλλα κριτήρια είναι κυρίως η επιλογή του κατάλληλου φβ πλαισίου και η λειτουργική και αισθητική ιδιαιτερότητα της εγκατάστασης, σε συνδυασμό με τις ενεργειακές και περιβαλλοντικές προεκτάσεις. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη νέων τρόπων εγκατάστασης φωτοβολταϊκών, με την εξέταση των παραμέτρων που επηρεάζουν την ενεργειακή συμπεριφορά τους, ανάλογα του είδους και της τοποθέτησης των φβ πλαισίων, των συνθηκών θερμοκρασίας λειτουργίας, του πνέοντος ανέμου και φωτισμού και των ειδικών απαιτήσεων της εφαρμογής, στην κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρισμό. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται και στις συνέπειες από την ικανοποίηση αισθητικών απαιτήσεων των εγκαταστάσεων των φβ, επιδιώκοντας τον βέλτιστο συγκερασμό. Στην εργασία μελετάται πειραματικά και σε συνθήκες φυσικού ηλιασμού η συνεισφορά των διάχυτων και κατοπτρικών ανακλαστήρων στην ενεργειακή απόδοση των φβ, η απαγωγή θερμότητας από τα φβ με νερό ή αέρα, η εγκατάσταση των φβ σε δυσμενή ενεργειακά κλίση και αζιμούθια γωνία, η χρήση διαπερατών στο φως φβ πλαισίων, κλπ. Δοκιμάστηκαν διάφορα φβ πλαίσια (πυριτίου, CIS, λεπτού φιλμ, οργανικά, άκαμπτα, εύκαμπτα, κλπ) και προτείνονται σχεδιάσεις φβ εγκαταστάσεων για ειδικές περιπτώσεις εφαρμογών. Επιπλέον, υπολογίστηκαν και τα περιβαλλοντικά οφέλη από την ευρεία χρήση των φωτοβολταϊκών, ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες των εφαρμογών τους. / Photovoltaics are solar energy devices suitable for applications in both central power generation units (solar farms) and in separate units (residential and other buildings). In both cases, the aim is to install the photovoltaic modules with optimum tilt and azimuth angle, so that the electrical output is maximized. However, there are times where the photovoltaic modules cannot be placed with optimum angles and special considerations must be done in order to achieve a satisfactory result. In such cases, besides the increased cost, there are other things that need to be considered, such as the selection of a suitable type of photovoltaic module, the functional and aesthetic particularities of the installation in combination with the energy and environmental implications. The aim of this thesis is to study new ways of installing photovoltaics, by examining the parameters that affect their energy behavior, depending on the type of pv module and the way they are installed, the operating temperature conditions, the wind, the lighting and the specific requirements of the installation, in order to meet the electrical needs. A particular reference is made at the consequences of satisfying the aesthetic requirements of pv installations, seeking the optimal solution between functional and aesthetic application. In this thesis, experiments are conducted in natural conditions in order to determine the effects of the sunlight contribution of diffuse and specular reflectors at the energy efficiency of photovoltaics, the heat dissipation with water or air, the installation of pv modules with an unfavorable inclination and azimuth angle, the use of transparent pv modules, etc. Furthermore, several types of pv modules are tested (silicon, CIS, thin film, organic, rigid, flexible, etc.) and suggestions are made for special applications. In addition, an estimation of the environmental benefits of the widespread use of photovoltaics is done, according to the particularities of their applications.

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.

Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια από τις κύριες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Μπορεί να αξιοποιηθεί είτε μετατρεπόμενη σε ηλεκτρισμό είτε σε θερμότητα. Για τη μετατροπή της σε ηλεκτρισμό η κύρια τεχνολογία που χρησιμοποιείται είναι η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών. Αντίστοιχα, για την μετατροπή της σε θερμότητα χρησιμοποιούνται ευρέως οι τεχνολογίες των επίπεδων θερμικών ηλιακών συλλεκτών και των θερμικών συλλεκτών σωλήνων κενού. Βασικό ζητούμενο και στις δύο περιπτώσεις αποτελεί η μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας τους. Μια από τις μεθόδους που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της αποδοτικότητας μιας ηλιακής συσκευής είναι η χρήση ενισχυτικών ανακλαστήρων. Επίσης, στις συνήθεις τεχνολογίες φωτοβολταϊκών που εφαρμόζονται σήμερα, η μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας τους βελτιώνει την απόδοση τους. Η διπλωματική ερευνητική εργασία που ακολουθεί περιλαμβάνει τη συγκριτική μελέτη φωτοβολταϊκών διατάξεων, επίπεδων θερμικών συλλεκτών και συλλεκτών σωλήνων κενού. Μελετήθηκαν συστήματα φωτοβολταϊκών με τη χρήση διαφόρων μεθόδων ψύξης, ενεργητικών και παθητικών. Επίσης μελετήθηκε η αύξηση της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ενέργειας των φωτοβολταϊκών με χρήση ενισχυτικών ανακλαστήρων (ημικατοπτρικός ανακλαστήρας, ανακλαστήρας αλουμινίου (ματ), λευκός ανακλαστήρας). Υλοποιήθηκαν συνδυαστικά συστήματα με ταυτόχρονη ψύξη και χρήση ενισχυτικού ανακλαστήρα και μελετήθηκε η συμπεριφορά τους. Ακόμα, μελετήθηκε η αύξηση της αποδιδόμενης θερμικής ενέργειας επίπεδου ηλιακού θερμικού συλλέκτη με προσθήκη ενισχυτικών ανακλαστήρων (καθρέπτης, ανακλαστήρας αλουμινίου και λευκός ανακλαστήρας). Τέλος, κατασκευάστηκε διάταξη θερμικού συλλέκτη σωλήνα κενού με επίπεδη ανακλαστική επιφάνεια. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με την προσθήκη ενισχυτικών ανακλαστήρων (ημικατοπτρικός ανακλαστήρας, ανακλαστήρας αλουμινίου και λευκός ανακλαστήρας) και μελετήθηκε η αύξηση της θερμικής απόδοσης του συλλέκτη. Με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων, εξάγονται αντίστοιχα συμπεράσματα και παρατίθενται προτάσεις σχετικά με τις διατάξεις αυτές. / Solar energy is one of the main Renewable Energy Sources (RES). It can be utilized by being transformed into electricity or heat. The main technology used to transform solar energy into electricity is photovoltaics. Respectively, flat plate solar thermal collectors and evacuated tube solar thermal collectors are the technologies mostly used to transform solar energy into usable heat. One of the main concerns on both cases, is the maximization of their performance. The use of booster reflectors is one of the methods that can be implemented in order to increase the performance of a solar device. Also, a method to increase the performance of the main photovoltaic technologies used at the moment, is to cool them. The following diploma – research thesis includes the comparative study of photovoltaic systems, flat plate solar thermal collectors and evacuated tube solar thermal collectors. Photovoltaic systems with the use of various cooling methods, active and passive, were studied. The increase of the photovoltaic electrical output using booster reflectors (semi specular, aluminum reflector and white reflector) was also studied. Combined systems were implemented, with simultaneous cooling and usage of booster reflector, and their behavior was observed. In addition, the increase of the thermal output of a flat plate collector by using booster reflectors (mirror, aluminum reflector and white reflector) was studied. Finally, an evacuated tube solar thermal collector system with an embedded reflective surface was implemented. Experiments were carried out with the addition of booster reflectors (semi specular, aluminum reflector and white reflector) and the increase of the collector’s thermal output was measured. Based on the experimental results, conclusions and suggestions are made about these systems.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται κατάλληλα μοντέλα για τις επιμέρους μονάδες φωτοβολταϊκού (ΦΒ) συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Στόχος είναι να αντιμετωπιστούν ταυτόχρονα και αποτελεσματικά οι ιδιαιτερότητές του, που οφείλονται στη συμπεριφορά των διακοπτικών στοιχείων και στα μη γραμμικά χαρακτηριστικά της ΦΒ γεννήτριας και του μετασχηματιστή απομόνωσης. Αναπτύσσονται μέθοδοι που αυξάνουν την ταχύτητα εξομοίωσης. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση αυξητικών μοντέλων για τα μη γραμμικά στοιχεία και αποτελεσματικών αλγορίθμων για την αντιμετώπιση της μεταβλητής τοπολογίας. Τα μοντέλα που παρουσιάζονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συνδεδεμένα στο δίκτυο ΦΒ συστήματα οποιασδήποτε διάταξης. Μέσω εξομοιώσεων της λειτουργίας ενός οικιακού ΦΒ συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο διερευνάται η ευαισθησία της αρμονικής παραμόρφωσης τάσεων και ρευμάτων σε μεταβολές παραμέτρων του συστήματος. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα νέο μοντέλο για τη ροή ενέργειας σε κυκλώματα με μη ημιτονοειδείς κυματομορφές. Το μοντέλο παρέχει μαθηματική περιγραφή μέσω του πολυδιανύσματος της ισχύος, το οποίο γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ στιγμιαίας και φαινομένης ισχύος, όπως η μιγαδική ισχύς υπό ημιτονοειδείς συνθήκες. Το πολυδιάνυσμα της ισχύος επιτρέπει συστηματική και ενιαία αντιμετώπιση όλων των περιπτώσεων. Το μοντέλο ροής ενέργειας που παρουσιάζεται περιγράφει τις συνιστώσες ισχύος όχι μόνο ποσοτικά, αλλά και ποιοτικά. Από φυσικής πλευράς βασίζεται στη γενίκευση της έννοιας της αμοιβαίας σύζευξης. Η προσέγγιση που ακολουθείται επιτρέπει την φυσική ερμηνεία όλων των συνιστωσών της ισχύος, οι οποίες συνδέονται με μια αναπαράσταση μέσω ισοδυνάμου κυκλώματος. Οι προϋπάρχουσες μέθοδοι μπορούν να προκύψουν ως ειδικές περιπτώσεις του μοντέλου. Η βαθύτερη κατανόηση των φαινομένων ισχύος που παρέχει θέτει το θεωρητικό υπόβαθρο για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων, όπως η αντιστάθμιση. Ακολούθως εξετάζεται η επιλογή του βέλτιστου μεγέθους παθητικών φίλτρων με παράλληλους συντονιζόμενους κλάδους. Η διερεύνηση λαμβάνει υπόψη όχι μόνο πηγές αρμονικών ρευμάτων λόγω μη γραμμικών φορτίων αλλά και την παρουσία προϋπάρχουσας αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης. Μέσω αναλυτικής μεθόδου προκύπτουν εκφράσεις κλειστής μορφής για απλοποιημένες περιπτώσεις. Αυτές μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων. Επίσης διαμορφώνεται η γενικότερη περίπτωση του προβλήματος και αντιμετωπίζεται με Γενετικούς Αλγόριθμους. Μέσα από εκτεταμένες εξομοιώσεις για διάφορα επίπεδα αρμονικών τάσης και ρεύματος, διερευνώνται διεξοδικά οι δυνατότητες των παθητικών φίλτρων. Τα πρακτικά συμπεράσματα που προκύπτουν μπορούν να βοηθήσουν στη λήψη αποφάσεων για τον έλεγχο των αρμονικών σε διάφορες εφαρμογές. / In this thesis, appropriate models for the individual components of a grid-connected photovoltaic (PV) system are developed. The aim is to simultaneously and efficiently handle its peculiarities, which are due to the switching action of the switching devices and the nonlinear characteristics of the PV generator and the isolation transformer. Methods that increase simulation speed are developed. This is accomplished by using incremental models for the nonlinear components and efficient algorithms to handle the variable topology. The presented models can be used for grid-connected PV systems of any configuration. Through simulations of the performance of a residential grid-connected PV system the sensitivity of the harmonic distortion of voltages and currents to variations in system parameters is investigated. Next, a novel model for the energy flow in circuits with nonsinusoidal waveforms is presented. This model provides a mathematical description through the power multivector, which bridges the gap between the instantaneous and apparent power, like the complex power does under sinusoidal conditions. The power multivector permits a systematic and uniform treatment of all cases. The presented energy flow model describes power components not only quantitatively but also qualitatively. From a physical perspective it is based on the generalization of the concept of mutual coupling. The approach that is followed permits the physical interpretation of all power components, which are associated with an equivalent circuit representation. Pre-existing methods can be derived as special cases of the model. The deeper understanding of power phenomena it provides sets the theoretical foundation for the solution of practical problems, such as compensation. Next, the optimal sizing of shunt, passive, single-tuned filters is examined. The investigation takes into account not only harmonic current sources due to nonlinear loads but also the presence of background voltage harmonic distortion. Through an analytical approach closed-form expressions are derived for simplified cases. These can help in the comprehension of the influence of various parameters. Moreover, the general case of this problem is formulated and solved using Genetic Algorithms. Through extensive simulations for various current and voltage harmonic levels, the potentialities of these filters are thoroughly investigated. The practical conclusions that are drawn can facilitate decisions regarding harmonic control in various applications.