Τα τελευταία χρόνια, υπό την πίεση της ολοένα αυξανόμενης επιβάρυνσης του περιβάλλοντος από την χρήση ορυκτών καυσίμων και υπό τον φόβο των μεγάλων κλιματικών αλλαγών των οποίων ήδη γινόμαστε μάρτυρες, έχει γίνει πολύς λόγος για την χρήση οικολογικών και περιβαλλοντικά φιλικών ενεργειακών λύσεων. Έτσι, έχουν χυθεί τόνοι μελανιού και έχουν ξοδευθεί δισεκατομμύρια χρηματικές μονάδες στις έρευνες για την εύρεση νέων μορφών ανανεώσιμης ενέργειας και βελτιστοποίηση της απόδοσης των ήδη υπαρχόντων. Μία λοιπόν ευρέως διαδεδομένη ανανεώσιμη μορφή ενέργειας, η οποία έχει βρει πεδίο ανάπτυξης και στην χώρα μας (υπό τον φόβο δυστυχώς των προστίμων της Ευρωπαϊκής Ένωσης και όχι από την ανάπτυξη εγγενούς περιβαλλοντικής συνείδησης), είναι η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών (ΦΒ). Πρόκειται για μία αρκετά γνωστή στους επιστήμονες και τις ερευνητικές ομάδες ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, των οποίων οι προσπάθειες έχουν μειώσει το κόστος των ΦΒ σε τέτοια επίπεδα, ώστε να κρίνεται οικονομικά συμφέρουσα μία επένδυση σε αυτά, ακόμα και για κατόχους μικρών κεφαλαίων. Η μορφή της ενέργειας όμως που παράγεται από μία ΦΒ συστοιχία δεν είναι άμεσα εκμεταλλεύσιμη, καθώς η συνεχής τάση που αυτά παράγουν δεν είναι κατάλληλη ούτε για μεταφορά από το δημόσιο δίκτυο ηλεκτρισμού, ούτε για κατανάλωση από τα φορτία, τα οποία λειτουργούν υπό εναλλασσόμενη τάση. Επομένως, μία συστοιχία για να είναι κατάλληλη προς σύνδεση στο δίκτυο, πρέπει να συνοδεύεται από κατάλληλες διατάξεις, η οποίες επιτρέπουν την μετατροπή της ενέργειας σε κατάλληλη μορφή, αλλά και τον βέλτιστο έλεγχό της. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η αναφορά στις κύριες δομές λειτουργίας και ελέγχου ΦΒ διασυνδεδεμένων στο δίκτυο, καθώς η περίπτωση αυτή είναι η πιο πολύπλοκη, λόγω της δυναμικής που εισάγει μία σύνδεση με το δίκτυο μεταφοράς. Η δε δομή της διαμορφώνεται ως ακολούθως: 1o Κεφάλαιο: Δομές Ηλεκτρονικών Ισχύος για την Διασύνδεση στο Δίκτυο ΦΒ Συστημάτων Γίνεται μία γενική αναφορά στις υπάρχουσες τεχνολογίες αντιστροφέων και επιχειρείται μία γενική ομαδοποίηση τους 2ο Κεφάλαιο: Ανασκόπηση μονοφασικών διασυνδεδεμένων αντιστροφέων για ΦΒ πλαίσια Παρουσιάζονται γενικές τοπολογίες μονοφασικών αντιστροφέων, ταξινομούνται και συγκρίνονται ως προς διάφορα χαρακτηριστικά. 3ο Κεφάλαιο: Σύγκριση τεχνικών ανίχνευσης μεγίστου σημείου λειτουργίας ΦΒ συστοιχίας Είναι άκρως απαραίτητη η λειτουργία των πλαισίων στο σημείο λειτουργίας που εγγυάται την μέγιστη παραγωγή ισχύος, έτσι ώστε να κρίνεται συμφέρουσα μία επένδυση σε αυτά. Εδώ λοιπόν εξετάζονται αρκετές τέτοιες τεχνικές που υπάρχουν διαθέσιμες. 4ο Κεφάλαιο: Διακυμάνσεις τάσης που εισάγονται σε επίπεδο διανομής από ΦΒ συστήματα Τα ΦΒ στοιχεία μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Επομένως, είναι άμεσα εξαρτώμενη η παραγωγή τους από τις καιρικές συνθήκες. Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται μέθοδοι πρόβλεψης τέτοιων διακυμάνσεων στην ηλιακή ενέργεια, και άρα στην παραγόμενη τάση. 5ο Κεφάλαιο: Συστήματα αποθήκευσης Κάθε σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, για να θεωρείται ολοκληρωμένο, θα πρέπει να μπορεί να αποθηκεύει την περίσσεια ενέργειας που μπορεί να παρουσιάσει σε κάποιες χρονικές περιόδους, και να την αποδώσει όταν θα υπάρχει κάποια μεγάλη διακοπή παροχής ισχύος. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πιο γνωστές μέθοδοι αποθήκευσης. / During the last few years, under the pressure of the increased burden on the environment due to the use of fossil fuels and in fear of great climate changes which we all have already witnessed, the use of ecological and environmentally friendly energy solutions has already been widely discussed. Consequently ,billions have been spent and research has been conducted, in the development of new forms of renewable energy sources and in performance optimization of the existing ones. A widely used renewable energy source, which has been also develop in our country(under the fear of fines from the European Union and not because of the development of environmental conscience), is the technology of photovoltaic systems(PV). PV is a quite known to scientists and to research teams renewable energy source, which efforts have reduced the cost of PV in such levels, that an investment in those systems would be proved cost effective even for the owner of low capitals. The energy produced from a PV string is not directly exploited for use, since the produced dc voltage is not appropriate neither for distribution from the public electrical grid, nor for use from the loads,which operate under conditions of ac voltage.Consequently a photovoltaic string could be connected to the grid, only if it is equipped with appropriate devices, which allow the proper conversion and optimum control of energy. The purpose of this work is the reference of the main structures, for the operation and management of grid-integrated photovoltaic systems.In particular the paper can be summurised as follows: Chapter 1: Power-Electronic Structures for the Grid Integration of Photovoltaic Systems A general reference in the existing inverter technologies and a general categorisation of the latter is presented. Chapter 2: Re view of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules Single-plase inverter topologies are presented, categorized, compared and evaluated against different characteristics. Chapter 3: Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques The functioning of photovoltaic arrays to the maximum power point is necessary, in order to be considered profitable an investment in photovoltaic systems. Many such techniques available, are being reviewed. Chapter 4: Voltage Fluctuations on Distribution Level Introduced by Phtovoltaic Systems Photovoltaic elements convert solar energy to electric, and consequently their electric generation is directly dependant on climatic conditions. The present analysis describes forecasting methods of fluctuations in solar irradiance which also results in fluctuations in the generated voltage. Chapter 5: Storage Systems Every electrical energy system, in order to be considered fully integrated, must store excessive energy produced during certain time periods, and support with it critical loads, during mains’ power interruption.This last chapter contains the most widespread storage techniques.

Στην εργασία αυτή μελετάμε διάφορα πολυοξομεταλλικά οξείδια (POMs) τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διεπιφανιακά υμένια για την βελτίωση της απόδοσης και των διάφορων χαρακτηριστικών των οργανικών φωτοβολταικών διατάξεων καθώς και ενα νέο πολυμερές (cbz-bt) το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αντικαταστάτης του P3HT για να παίξει τον ρόλο του δότη σε οργανικές φωτοβολταικές διατάξεις. / In the present thesis we studied some polyoxometallates(POMs) which can be used as interfacial films in order to improve the efficiency and other featurew of organic OPVs and we also studied a new polymer (cbz-bt) which can be used instead of P3HT,playing the role of donor in OPVs.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός υβριδικού συστήματος, το οποίο αποτελείται από μια κυψέλη καυσίμου και μπαταρίες, για την τροφοδοσία ενός μεταβαλλόμενου AC φορτίου. Επίσης, μελετώνται οι διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος που απαιτούνται για να γίνει εφικτή η διασύνδεση της κυψέλης καυσίμου και των μπαταριών με το AC φορτίο. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά του υδρογόνου και τους λογους που οδήγησαν στην αύξηση της χρήσης του τα τελευταία κυρίως χρόνια. Ακόμα, παρουσιάζονται οι διάφορες μέθοδοι παράγωγης του υδρογόνου, το οποίο αποτελεί το καύσιμο των περισοστέρων τύπων κυψελών καυσίμου. Στη συνέχεια, ακολουθεί η δομή και η ανάλυση του τρόπου λειτουργίας των διάφορων τύπων κυψελών καυσίμου. Έπειτα, παρουσιάζονται συνοπτικά οι διακοπτικοί μετατροπείς συνεχούς ρεύματος, διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος, τις οποίες χρειαζόμαστε για την εξομάλυνση και τη σταθεροποίηση σε μια επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου των κυψελών καυσίμου, καθώς και τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Ακόμα, γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης κυψελών καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Ballard Power Systems. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη μετρήσεων και την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη λειτουργία μίας κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, τόσο στη μόνιμη όσο και τη μεταβατική κατάσταση. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μοντέλο του υβριδικού συστήματος στο Simulink, όπου προσομοιώνονται η κυψέλη καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Nexa και οι μπαταρίες WP18-12I της εταιρίας LONG, ως πηγές τάσης. Ως μεταβλητό AC φορτίο χρησιμοποιείται μια θερμάστρα αλογόνου, με κατανάλωση ισχύος από 450W έως 1800W. Μελετάται η συμπεριφορά τόσο της κυψέλης καυσίμου όσο και των μπαταριών στις διάφορες αυξομειώσεις του φορτίου, καθώς και η απόκριση των μετατροπέων συνεχούς ρεύματος και του αντιστροφέα. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση στο Simulink. Από τα αποτελέσματα εξάγονται συμπεράσματα για τη λειτουργία του μοντέλου και προκύπτουν πιθανές προτάσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος. / The purpose of the present thesis is the study of a hybrid system, that consists of a fuel cell and batteries, in order to supply a changing AC load with power. The power electronics, that are required to make possible the interconnection of the fuel cell and the batteries with the AC load, are also being studied. To begin with, there is a reference to the essential features of hydrogen and the reasons that led to its increased use, mainly in recent years. In addition to this, the different methods for hydrogen production are being displayed. Hydrogen is the fuel for most fuel cell types. Moreover, the structure and the analysis on how the various types of fuel cells operate is considered. Furthermore, there is a brief presentation on DC-DC converters, power electronic devices, that are necessary in order to normalize and stabilize at a desired value the output of the fuel cell and convert DC voltage into AC. What is more, there is a description of the experimental arrangement of the fuel cell 1.2kW of the Ballard Power Systems company. The aforementioned device was used for taking measurements and draw conclusions on the operation of a PEM type fuel cell, in both the permanent and the transitory state. Afterwards, a model of the hybrid system is being developed in Simulink. As far as the voltage sources are concerned, the 1.2kW fuel cell of the Ballard Power Systems company along with the batteries WP18-12I of the LONG company are being simulated. A halogen stove with power consumption varying from 450W to 1800W is being used as the variable AC load. The behavior of both the fuel cell and the batteries to the various load fluctuations is being studied, as well as the response of the DC converters and the inverter. Finally, the results obtained from the simulation in Simulink are being presented. From them, conclusions are drawn on the functioning of the model and possible proposals arise to improve the overall performance of the system.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει την μελέτη, την εξομοίωση και την κατασκευή μιας νέας τοπολογίας για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης του δικτύου. Η διάταξη που επιλέχτηκε αποτελεί την πρώτη βαθμίδα σε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί μετατροπέα δύο βαθμίδων για την αντιστροφή της τάσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου έτσι ώστε να επιτευχθεί η σύνδεση του με το δίκτυο. Η βασική λειτουργία της διάταξης αυτής είναι η ανύψωση και η σταθεροποίηση της τάσης στην έξοδο. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι τύπου Boost με έναν μετασχηματιστή αντί για το πηνίο. Το πρωτεύον του μετασχηματιστή τοποθετείται στη θέση του πηνίου και το δευτερεύον σε σειρά στην έξοδο, έτσι ώστε να επιτυγχάνετε η περαιτέρω ανύψωση της τάσης. Η κατασκευή του μετατροπέα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο και ο έλεγχος της διάταξης έγινε με τη χρήση μικροελεγκτή (dsPIC30F4011). Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος μας. Ο βαθμός απόδοσης κρίνετε ικανοποιητικά υψηλός καθώς και το κέρδος τάσης του μετατροπέα. Η τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί με διάφορες παραλλαγές της και σε άλλα κυκλώματα επιτρέποντας έτσι την βελτίωση των χαρακτηριστικών τους όπως αύξηση της απόδοσης και του κέρδους τάσης. / -

Στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούμε με τη μελέτη ενός διασυνδεμένου με το Δίκτυο φωτοβολταϊκού σταθμού μεγάλης ισχύος. Η ονομαστική ισχύς του σταθμού ανέρχεται στα 500kW περίπου και η σύνδεση του γίνεται στο Δίκτυο ΜΤ της ΔΕΗ. Για την εξομοίωση της λειτουργίας του σταθμού χρησιμοποιούμε το πρόγραμμα PVSYST. Με τη χρήση και κατανόηση του συγκεκριμένου προγράμματος προσπαθούμε ταυτόχρονα να βγάλουμε χρήσιμα συμπεράσματα για την μοντελοποιημένη λειτουργία των φωτοβολταϊκών. Στο πρώτο κεφάλαιο ασχολούμαστε με το μοντέλο της μιας διόδου που περιγράφει τη λειτουργία των ΦΒ πλαισίων. Οι παράμετροι του μοντέλου και οι τιμές που αυτές λαμβάνουν για διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας και ακτινοβολίας καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την ηλεκτρική συμπεριφορά των πλαισίων. Ωστόσο ο καθορισμός των παραμέτρων δεν είναι πάντα εύκολη υπόθεση. Στο κεφάλαιο αυτό θα ανιχνεύσουμε μια μεθοδολογία προσδιορισμού τους για να καταλήξουμε στον τρόπο που αντιμετωπίζονται από το πρόγραμμα. Κατά την λειτουργία των ΦΒ πλαισίων σε συνθήκες διαφορετικές από τις πρότυπες παρουσιάζονται απώλειες. Μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια μπορεί να αποτελείται από εκατοντάδες πλαίσια. Πρέπει συνεπώς να δούμε το σύνολο των Περίληψη 11 απωλειών που αφορούν το σύστημα φβ γεννήτρια. Στο κεφάλαιο 2 εξετάζουμε το ζήτημα των απωλειών και τον τρόπο αντιμετώπισης τους από το PVSYST. Σκοπός μας είναι η κατανόηση των παραγόντων που τις καθορίζουν και η κατά το δυνατόν ποσοτικοποίηση τους. Ένα από τα σημαντικότερα τμήματα μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι ο μετατροπέας dc-ac. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα σημαντικότερα ηλεκτρικά μεγέθη που αφορούν τους μετατροπείς και είναι σημαντικά για την ορθή διαστασιολόγηση του συστήματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο προχωράμε στη διαστασιολόγηση του συστήματος. Εξετάζουμε κυρίως τα ζητήματα συμβατότητας μεταξύ ΦΒ γεννητριών και μετατροπέων και καθορίζουμε τον αριθμό των εν σειρά και παράλληλων πλαισίων που απαιτούνται. Παράλληλα παρουσιάζονται οι αποδόσεις του συστήματος όπως προκύπτουν από το πρόγραμμα για προσομοίωση λειτουργίας ενός έτους. Ο υπολογισμός τους βασίζεται στα 2 πρώτα κεφάλαια. Στο πέμπτο κεφάλαιο ασχολούμαστε με το φαινόμενο της νησιδοποίησης. Η αύξηση της παραγωγής ισχύος από Διανεμημένους Παραγωγούς καθιστά την εμφάνιση του φαινομένου όλο και συχνότερη. Η ανίχνευση και διακοπή του φαινομένου είναι καθοριστικής σημασίας για την ορθή λειτουργία του Δικτύου και την ασφάλεια του προσωπικού που εργάζεται σε αυτό. Εδώ περιγράφουμε μερικές από τις πιο βασικές εφαρμοζόμενες μεθόδους ανίχνευσης και διακοπής του. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα βασικά χαρακτηριστικά των μέσων προστασίας έναντι υπερεντάσεων. Προχωράμε σε μελέτη των διατάξεων προστασίας της εγκατάστασης με σκοπό τη διασφάλιση της σε περίπτωση εμφάνισης σφαλμάτων. Στο έβδομο κεφάλαιο συνεχίζουμε με μια επισκόπηση των διατάξεων προστασίας και ζεύξης που χρειάζονται για τη σύνδεση Διανεμημένων Παραγωγών στο Δίκτυο Μέσης Τάσης της ΔΕΗ. Παραθέτουμε τις βασικές προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούν τα μέσα όπως αυτές καθορίζονται από σχετικό κανονισμό. Στο όγδοο κεφάλαιο τέλος παρουσιάζουμε μερικές βασικές αρχές και ορισμούς που χαρακτηρίζουν τα βραχυκυκλώματα στα Δίκτυα ΥΤ και ΜΤ. Ο υπολογισμός χαρακτηριστικών μεγεθών που αφορούν στα ρεύματα βραχυκύκλωσης είναι Περίληψη καθοριστικής σημασίας για την προστασία του συστήματος παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ισχύος. Δε θα επεκταθούμε ωστόσο σε μια τέτοια μελέτη. / -

Στις μέρες μας λόγω της εξάντλησης των αποθεμάτων πετρελαίου, έχουμε στραφεί σε άλλες μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, μία από τις οποιές είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω φωτοβολταϊκών συστημάτων. Η ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική με την βοήθεια ημιαγωγικών στοιχείων χωρίς να επιβαρύνει το περιβάλλον. Το φαινόμενο της απευθείας μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, ονομάστηκε φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Με την πάροδο του χρόνου το κόστος των φωτοβολταϊκών συστημάτων όλο και μειώνεται γι΄αυτο και περισσότερα φωτοβολταϊκα συστήματα προτιμώνται έναντι των συμβατικών μορφών ενέργειας. Στο πρώτο κεφάλαιο αυτής της διπλωματικής θα αναφερθούν γενικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Υπάρχουν δύο διαφορετικές κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα διασυνδεδεμένα στο δίκτυο φωτοβολταϊκά συστήματα και τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούνται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, τον πίνακα ελέγχου, τον αντιστροφέα τάσης και τον μετρητή της Δ.Ε.Η. Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούνται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, τον πίνακα ελέγχου, τον ρυθμιστή φόρτισης, τον συσσωρευτή (μπαταρία) και τον αντιστροφέα τάσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο αυτής της διπλωματικής θα γίνει ανάλυση όλων των κύριων τμημάτων που απαρτίζουν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα διασυνδεδεμένο ή αυτόνομο. Για να έχουμε μεγάλη διάρκεια ζωής σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα είναι απαραίτητη μια αποτελεσματική αντικεραυνική προστασία και μια καλή προστασία υπέρτασης. Η ανάλυση των μεθόδων αντικεραυνικής προστασίας και των μεθόδων προστασίας υπέρτασης είναι το αντικείμενο του τρίτου κεφαλαίου. Ενα κεραυνικό πλήγμα στα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ζημιές στα πλαίσια και τους αντιστροφείς, καθώς και μεγάλες οικονομικές απώλειες (αντικατάσταση του εξοπλισμού, απώλεια παραγωγής κ.τ.λ) που το κόστος εγκατάστασης ενός πλήρους συστήματος αντικεραυνικής προστασίας συμφέρει οικονομικά. / In our days because the exhaustion of reserves of oil, we have been turned in other forms of production of electric energy, one from that are the production of electric energy via photovoltaic systems. The solar radiation is changed directly in electric with the help of semiconductor elements without it overloads the environment. The phenomenon of direct transformation of solar energy in electric, was named photovoltaic phenomenon. With the byway of time the cost of photovoltaic systems is always decreased photovoltaic systems is preferred against the conventional forms of energy. In the first chapter this diplomatic will be reported in general elements of photovoltaic systems. Exist two different categories of photovoltaic systems, Connected in the electric grid photovoltaic systems and the stand alone photovoltaic systems. The stand alone photovoltaic systems are constituted by the photovoltaic frames, the table of control, inverter. The photovoltaic systems are autonomously constituted by the photovoltaic frames, the table of control, the regulator charge, the accumulator (battery) and inverter . In the second chapter this diplomatic will become analysis of all main departments that composes a photovoltaic system connected to the grid or stand alone. In order to we have big duration of life in a photovoltaic system are essential a effective lightning protection and a good protection of overvoltage. The analysis of methods of lightning protection and methods of protection of overvoltage is the object of third chapter. A lightning strike in the photovoltaic systems can cause serious damage in the frames and inverter, as well as big economic losses (replacement of equipment, loss of production ) that the cost of installation of complete system of lightning protection is advance economically.

Κεντρικός άξονας της εργασίας είναι η παρουσίαση της δομής ενός αυτονόμου φωτοβολταϊκού συστήματος, καθώς και η τεχνικοοικονομική μελέτη ενός τέτοιου συστήματος. Επίσης μέσα από αυτήν την εργασία θα βγουν συμπεράσματα για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος σε μεταβατική κατάσταση υπό τις δυσμενέστερες συνθήκες. Ξεκινώντας παραθέτουμε τους λόγους για τους οποίους υπάρχει έντονη ανάγκη για την ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας(ΑΠΕ), όπως είναι η μόλυνση του περιβάλλοντος από τις συμβατικές πηγές, η εξάντληση των αποθεμάτων του πετρελαίου αλλά και άλλων πηγών ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς επίσης και μια σειρά από πολιτικοοικονομικούς λόγους με πρώτο την ιδιοπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Εν συνεχεία στο κεφάλαιο 2 αναλύεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε όλη του την έκταση, το πώς δηλαδή μετατρέπεται η ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική με την βοήθεια των ιδιοτήτων των ημιαγώγιμων υλικών που χρησιμοποιούνται στα ηλιακά πλαίσια. Ακόμη αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών, για να δωθεί έτσι και μαθηματικά η σχέση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η παρουσίαση της μπαταρίας. Αρχικά δίνεται η αρχή λειτουργίας και τα είδη των μπαταριών (επαναφορτιζόμενες η μη). Στη συνέχεια εξετάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, δηλαδή η χωρητικότητα, το βάθος εκφόρτισης-DOD, η στάθμη φόρτισης-SOC και ο συντελεστής φόρτισης της μπαταρίας, που δίνει την απόδοση ισχύος της. Στο κεφάλαιο 4 εξετάζουμε στα μέρη του, ένα τυπικό αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα. Σκοπός του κεφαλαίου είναι να δείξει τη λειτουργία των ηλεκτρονικών μετατροπέων, τον έλεγχο τους και την καταπολέμηση των αρμόνικων που παράγουν αυτοί. Αναλυτικά παρουσιάζεται ο μετατροπεας συνεχούς τάσης DC/DC, ο τρόπος με τον oποίο γίνεται ο έλεγχος του. Επίσης εξηγείται ο καθοριστικός ρόλος του στην λειτουργία του συστήματος. Το ίδιο γίνεται και για τον αντιστροφέα συνεχούς-εναλλασσομενου DC/AC, που είναι μια εξαπαλμική γέφυρα με IGBT μετατροπείς. Τέλος γίνεται και μια εισαγωγή στο θέμα των αρμονικών συνιστωσών που παράγουν οι μετατροπείς μας. Δίνονται στοιχεία για τους κανονισμούς μέσω των οποίων γίνεται και η επιλογή των μετατροπέων και των φίλτρων που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό των αρμονικών συνιστωσών. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται στοιχεία από την οικονομική επιστήμη πάνω στα οποία θα βασιστεί η οικονομική μελέτη που πραγματοποιείται στο κεφάλαιο 7. Οι οικονομικοί δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία αυτή είναι η Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV), ο Εσωτερικός Βαθμός Απόδοσης (IRR), και η Έντοκη Περίοδος Αποπληρωμής (ΕΠΑ). Επίσης στο κεφάλαιο αυτό δόθηκαν στοιχεία για τις μεθόδους αποπληρωμής δανείων, καθώς επίσης αναλύθηκαν οι κλασσικές και οι σύγχρονες μορφές χρηματοδότησης ενός επενδυτικού σχεδίου. Στο κεφάλαιο 6 πραγματοποιείται ο τεχνικός σχεδιασμός του συστήματος. Με βάση τον τόπο εγκατάστασης και τα στοιχεία ακτινοβολίας και θερμοκρασίας γίνεται η επιλογή της κλίσης των συλλεκτών. Στη συνέχεια και με βάση τις απαιτήσεις του φορτίου γίνεται καθορισμός της ισχύος αιχμής, του πλήθους και της οργάνωσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Τέλος με βάση τις απαιτήσεις για επάρκεια ηλεκτρικής ενέργειας για συνεχή λειτουργία του συστήματος καθορίζεται το μέγεθος των συσσωρευτών. Στο κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται η οικονομική μελέτη για δυο διαφορετικά επενδυτικά σχέδια, με τη βοήθεια των οικονομικών δεικτών που αναφέρθησαν παραπάνω. Τα δυο σενάρια διαφέρουν ως προς τον τρόπο χρηματοδότησης (επιχορήγηση-δανειοδότηση) και με την εξέταση τους βγαίνουν πολύ χρήσιμα συμπεράσματα για την επενδυτική αξία τους. Η μελέτη αυτή μπορεί να χρησιμεύει και σαν οδηγός για άλλες παρομοίου τύπου μελέτες. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται το σύστημα που εξετάζουμε στο πρόγραμμα εξομοίωσης PSCAD. Ο λόγος που γίνεται η εξομοίωση είναι για να μελετηθεί ακολούθως η μεταβατική ευστάθεια του συστήματος, δηλαδή η απόκριση του συστήματος σε αλλαγές του φορτίου μας. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονιστεί ότι το PSCAD είναι από τα καταλληλότερα προγράμματα για το σκοπό αυτό, γιατί τα μοντέλα που διαθέτει ανταποκρίνονται σε μεταβατικές συνθήκες. Στο κεφάλαιο 9 πραγματοποιείται η μελέτη μεταβατικής ευσταθείας, αλλάζοντας βηματικά το μηχανικό φορτίο του κινητήρα, που αποτελεί το φορτίο του συστήματος μας. Για να έχουμε αποτελέσματα προς την ασφαλή πλευρά το σύστημα έχει μελετηθεί χωρίς την παρουσία μπαταρίας, δηλαδή υπό τις δυσμενέστερες συνθήκες. Στο κεφάλαιο αυτό δίνονται και εξηγούνται με φυσικό τρόπο τα γραφήματα που φανερώνουν την τελική κατάσταση του συστήματος, εάν δηλαδή το σύστημα οδηγήθηκε στην αστάθεια η όχι. Τέλος στο κεφάλαιο 10 υπάρχει ο επίλογος της εργασίας με ταυτόχρονη προσθήκη και των σημείων οπού επιδέχεται επέκταση η εργασία. / -

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοσύνθετων πολυμερικών μεμβρανών για την εφαρμογή τους σε κυψελίδες καυσίμου. Τα κελιά καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις που μετατρέπουν με συνεχή τρόπο τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου και ενός οξειδωτικού σε ηλεκτρική με ταυτόχρονη παραγωγή νερού. Μια πολύ σημαντική κατηγορία κελίων, είναι τα κελιά καυσίμου μεμβράνης πολυμερούς (PEMFC, Polymer Exchange Membrane Fuel Cell) τα οποία χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη μια πολυμερική μεμβράνη. Ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας τα PEMFCs χωρίζονται σε αυτά που λειτουργούν σε θερμοκρασίες μέχρι 80ºC και στα υψηλής θερμοκρασίας που λειτουργούν στους 120-200ºC. Λειτουργία σε θερμοκρασίες πάνω από 100ºC έχει διάφορα πλεονεκτήματα, όπως αύξηση της κινητικής των αντιδράσεων, δυνατότητα χρησιμοποίησης άλλων καυσίμων εκτός από υδρογόνο, η χρήση όχι υψηλής καθαρότητας υδρογόνου και/ή χαμηλότερης ποσότητας του ακριβού καταλύτη Pt στα ηλεκτρόδια. Ένας από τους ηλεκτρολύτες για εφαρμογές σε PEMFC υψηλών θερμοκρασιών είναι το συμπολυμερές αρωματικού πολυαιθέρα με ομάδες πυριδίνης Advent TPS. Το συμπολυμερές Advent TPS έχει εξαιρετική ικανότητα σχηματισμού φιλμ, υψηλό Tg (>280ºC), υψηλή θερμική σταθερότητα (Τd>400ºC), υψηλή οξειδωτική σταθερότητα, ενώ μετά από εμποτισμό με Η3ΡΟ4 85% η ιοντική αγωγιμότητα είναι επίσης της τάξης του 10-2 S/cm. Στη παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν νανοσύνθετες μεμβράνες, με την εισαγωγή υδρόφιλων, ανοργάνων προσθέτων στην υδρόφοβη πολυμερική μήτρα του Advent TPS με απώτερο σκοπό τη παρασκευή ενός νανοσύνθετου πολυμερικού ηλεκτρολύτη ο οποίος έχει την ικανότητα να εμποτίζεται με νερό βελτιώνοντας έτσι την αγωγιμότητα του συστήματος TPS/H3PO4.Τα ανόργανα εγκλείσματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ο τροποποιημένος μοντμοριλλονίτης (H+-MMT), το οξείδιο του τιτανίου (ΤiΟ2) και το TiO2-P2O5. Οι νανοσύνθετες μεμβράνες εμφάνισαν ικανότητα εμποτισμού στο Η2Ο, οξειδωτική σταθερότητα και η ιοντική τους αγωγιμότητα ύστερα από τον εμποτισμό τους με Η3ΡΟ4 πλησίασε τη τιμή του Advent TPS. Επιπλέον στη περίπτωση των μεμβρανών με τον Η+-ΜΜΤ το H3PO4 συγκρατείται ισχυρότερα στη μεμβράνη, λόγω της μορφολογίας του ΜΜΤ, μειώνοντας έτσι το πρόβλημα διάχυσης του H3PO4 από τον ηλεκτρολύτη κατά τη διαδικασία της ψύξης του κελιού. / The objective of this thesis was the synthesis and characterization of nanocomposite membranes for use in fuel cells. Fuel cells are devices that convert the chemical energy of a fuel and an oxidant to electrical with simultaneous production of water. Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) represents an important class of fuel cells, which uses a polymer membrane as its electrolyte. Operating above 150ºC has many advantages such as increased reaction rate, flexibility to use not so pure hydrogen as fuel and/or lower loading of the expensive metal (Pt) on the electrode. Advent TPS is an electrolyte for high temperature PEMFC that exhibits excellent film-forming properties, mechanical integrity, high glass transition temperature (2800C) as well as high thermal stability up to 4000 C. In addition to the above properties, Advent TPS shows high oxidative stability and acid doping ability, enabling proton conductivity in the range of 10-2 S/cm. The main goal of this thesis was to synthesize a nanocomposite electrolyte by adding inorganic, hydrophilic fillers in Advent TPS polymer matrix in order to fabricate a membrane that reveals ability to absorb water. The hydration of electrolyte can increase the proton conductivity. Inorganic fillers such as modified montmorillonite (H+-MMT), TiO2, TiO2-P2O5 were used. The nanocomposite membranes showed doping water ability, oxidative stability and proton conductivity in the range of 10-2 S/cm. Furthermore, the nanocomposite membranes with H+-MMT can retain the acid into the membrane, reducing the leaching problem during the cooling process of the cell. Finally the hybrid membranes were characterized with conventional techniques and showed thermal and mechanical stability.

Μία από τις σημαντικότερες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας θεωρείται η ηλιακή ενέργεια. Η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια επιτυγχάνεται με τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η ολοένα και μεγαλύτερη διάδοσή τους κάνει επιτακτική την ανάγκη για την εις βάθος μελέτη τους και τη βελτίωση της απόδοσής τους. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η αρχή λειτουργίας και η τεχνολογία των συστημάτων αυτών, ενώ γίνεται μοντελοποίηση και βέλτιστη προσαρμογή διαφόρων περιπτώσεων φορτίων συνδεδεμένων σε ένα αυτόνομο σύστημα. Παράλληλα, εξετάζονται οι παράμετροι που επηρεάζουν τη μέγιστη μεταφορά ισχύος από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία στο φορτίο, ενώ δίνεται βάρος στην κατανόηση της επίδρασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας / One of the major Renewable Energies Sources is solar energy. Its conversion to electricity is achieved by photovoltaic systems. Their increasing dissemination makes both in-depth study and improvement of their performance necessary. This thesis examines the working principle and technology of these systems, while modeling and optimal adjustment of different cases of loads connected to an off-grid system are researched. In addition, the parameters affecting the maximum transfer of power from the photovoltaic array to the load are analyzed and the impact of the incident radiation and temperature is explained.

Είναι γνωστό ότι οι απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια συνεχώς αυξάνονται, όπως αυξάνεται και η ανάγκη για παραγωγή όσο το δυνατόν οικονομικότερης και καθαρότερης ενέργειας. Γι’ αυτό τα συστήματα κατανεμημένης παραγωγής διαδραματίζουν όλο και σημαντικότερο ρόλο για τον ενεργειακό μηχανικό. Μία τεχνολογία που συνεχώς κερδίζει έδαφος είναι αυτή των κυττάρων καυσίμου (fuel cells). Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη λειτουργία των fuel cells, παρουσιάζοντας τις βασικές αρχές λειτουργίας τους, παραθέτοντας ένα εγχειρίδιο χρήσης μιας βιομηχανικής εφαρμογής (βασισμένο στο αυθεντικό manual της εταιρίας) και μελετά τη μεταβατική συμπεριφορά της εφαρμογής αυτής με πειραματικό τρόπο. Στο πρώτο κομμάτι της εργασίας παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των fuel cells. Υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιούνται ως είσοδοι και στην έξοδο του κυττάρου έχουμε ρεύμα και νερό. Η χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο αναμένεται να επεκταθεί πολύ στο μέλλον λόγω του ότι είναι πρακτικά ανεξάντλητο, αν και οι τρόποι παραγωγής του είναι ακόμα υπό συνεχή προσπάθεια βελτιστοποίησης. Τα κύτταρα καυσίμου είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας, αφού έχει θεωρητικά μηδενικές εκπομπές ρύπων, ενώ ο βαθμός απόδοσής τους είναι μεγαλύτερος από αυτόν των μηχανών εσωτερικής καύσης. Επίσης, είναι γενικά απλές κατασκευές, με μικρές εκπομπές θορύβου και γενικά η λειτουργία τους δεν εξαρτάται ιδιαίτερα από τις γεωγραφικές συνθήκες. Όλοι αυτοί οι λόγοι τα καθιστούν ιδανικά για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών σε φορητές εφαρμογές, στην ηλεκτρική αυτοκίνηση και φυσικά ως μέρος των συστημάτων κατανεμημένης παραγωγής. Το κύριο μειονέκτημα των κυττάρων καυσίμου είναι το κόστος τους, που ως τώρα δυσκολεύει την παραγωγή βιομηχανικών εφαρμογών ευρείας χρήσης. Επίσης, οι απαιτήσεις ασφάλειας που αφορούν στο πεπιεσμένο υδρογόνο είναι ένα ακόμα θέμα που χρίζει προσοχής και μελέτης. Η βιομηχανική εφαρμογή που χρησιμοποιήθηκε για το πειραματικό μέρος της εργασίας είναι το Nexa Power Module της εταιρίας Ballard. Αυτή είναι μία μονάδα παραγωγής DC ισχύος, που χρησιμοποιεί μία συστοιχία κυττάρων καυσίμου τεχνολογίας ΡΕΜ (Proton Exchange Membrane). Αυτή είναι η πιο απλή και διαδεδομένη κατηγορία fuel cells. Στην παρούσα εργασία παρατίθεται ένα εγχειρίδιο χρήσης της συγκεκριμένης μονάδας. Περιγράφονται αναλυτικά ο σχεδιασμός και η λειτουργία της, ενώ παρέχονται τεχνικές διευκρινήσεις, χαρακτηριστικά λειτουργίας, καθώς και οι απαραίτητοι κανόνες ασφάλειας που πρέπει να τηρούνται. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο κομμάτι της ασφάλειας. Το υδρογόνο αν βρεθεί σε μεγάλες συγκεντρώσεις μπορεί να δεσμεύσει το οξυγόνο του αέρα και να προκαλέσει ασφυξία, ενώ είναι αναφλέξιμο και εκρηκτικό. Είναι συνεπώς ένα επικίνδυνο αέριο (ειδικά όταν βρίσκεται σε πεπιεσμένη μορφή) και η χρήση του απαιτεί πείρα και μεγάλη προσοχή. Το εγχειρίδιο αυτό αποτελεί ένα πολύ καλό εργαλείο για την πλήρη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας ενός ολοκληρωμένου συστήματος παραγωγής ενέργειας με κύτταρα καυσίμου, καθώς περιγράφει με λεπτομέρεια τη λειτουργία όλων των βοηθητικών υποσυστημάτων που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία μιας κυψέλης υδρογόνου. Επίσης συνίσταται η ανάγνωσή του για τη χρήση στο εργαστήριο από μελλοντικούς ερευνητές. Το τελευταίο κομμάτι της εργασίας είναι η πειραματική μελέτη της μεταβατικής απόκρισης του Nexa Power Module. Μετρήθηκαν οι χρόνοι ανάληψης και απόρριψης φορτίου για διαφορετικές τιμές φορτίων και θερμοκρασίας λειτουργίας. Τα παρακάτω διαγράμματα παρατίθενται ενδεικτικά και δείχνουν τη μορφή των αποτελεσμάτων για την ανάληψη φορτίου. Από τις μετρήσεις φάνηκε ότι η μεταβατική απόκριση της μονάδας εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από τη θερμοκρασία. Επίσης, σημαντική είναι και η εξάρτηση της απόκρισης της μονάδας από το μέγεθος του φορτίου που αυτή αναλαμβάνει ή απορρίπτει. Η ικανότητα των κυττάρων καυσίμου να αποκρίνονται με ταχύτητα και αξιοπιστία σε μεταβολές φορτίων είναι απαραίτητη για τη μελλοντική χρήση τους, τόσο σε φορητές εφαρμογές όσο και ως μέρη των συστημάτων κατανεμημένης παραγωγής. Συνεπώς τα συμπεράσματα αυτά είναι πολύ σημαντικά και πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό συστημάτων με κύτταρα καυσίμου. / It is well known that the demands for electrical power are constantly increasing as well as the need for cheap and clean energy sources. This is why Distributed Generation has become a very important field of electric engineering. Fuel Cells, as a part of DG technologies, are constantly gaining ground and have known great development through the last two decades. This essay studies fuel cell operation attributes in three chapters. In the first one, the basic working principles of fuel cell technology are presented. The second chapter includes a user’s manual of an integrated fuel cell system and the third is an experimental study of the transient response of this system. In the first chapter of this essay, basic working principles of fuel cell technology are presented. Hydrogen and oxygen are the inputs of a fuel cell system and electrical current and water are the outputs. The usage of hydrogen as fuel is expected to expand in the future because it’s a practically infinite source, even though its production procedures are yet to be improved. Fuel cell systems are a clean energy source since they have theoretically zero emissions, while their efficiency is greater than combustion engines. Also, they are constructions of great simplicity, with low noise emissions and their operation is not affected by geographic factors. All these reasons make fuel cell systems ideal as an energy source on portable devices, vehicular applications and of course as a part of DG systems. The main disadvantage of fuel cells is their cost that still holds back the production of commercial use applications. Also, safety matters that mainly concern compressed hydrogen, should be examined. The commercial application that was used for the experimental study of the essay is Ballard Nexa Power Module. This is an integrated system that provides unregulated DC power and uses a PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell stack. PEM fuel cells are the simplest and most well known fuel cell systems. In this essay a user’s manual for this application is included. This manual describes system design and operation. It provides technical product specifications, performance characteristics and interface requirements for installation and operation. Important safety information is also included. Special attention should be paid on the safety part. Hydrogen met in large concentrations, can displace oxygen in the air and cause asphyxia, while it’s flammable and explosive. Thus, it’s a very dangerous gas (especially in compressed form) and its use requires experience and great attention. This manual is very useful for the reader to understand the way an integrated fuel cell system works, since it describes in detail the operation of all subsystems required for a fuel cell stack to work with efficiency and safety. Future operators are advised to review its contents before operating Nexa Power Module in the lab. The last chapter of this essay includes the experimental study of Nexa Power Module transient response. The time needed by the module to support and reject a load was measured for different loads and several values of stack’s temperature. The figures that follow are presented indicatively and show the form of the results for load support. The results showed that the system’s transient response is very much affected by operation temperature. Also, the response is related to the load that the stack will support or reject. Fuel cell systems’ ability to respond fast and reliably to load changes is critical for their future use, especially for portable applications or parts of distributed generation systems. Consequently, these results are of great importance and should be examined when designing a fuel cell system.