Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη λειτουργίας των φωτοβολταϊκών γεννητριών υπό συνθήκες χαμηλής έντασης ακτινοβολίας όχι όμως ελεγχόμενης, δηλαδή σε εσωτερικό χώρο, αλλά εκτεθειμένο σε εξωτερικό χώρο και με απρόβλεπτες εναλλαγές έντασης. Επιπλέον το υποβάλαμε σε μερική σκίαση με διαφορετική διάταξη κάθε φορά προκειμένου να διαπιστώσουμε τη λειτουργία του και το πώς αυτό συμπεριφέρεται, προκειμένου να κατανοήσουμε το πόσο σημαντικό είναι να ακολουθούνται οι προδιαγραφές εγκατάστασης για να παίρνουμε την μέγιστη απόδοση από τις φωτοβολταϊκές γεννήτριες. Για το σκοπό αυτό είχαμε στη διάθεσή μας ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, το οποίο αποτελούνταν από 36 στοιχεία και μια βάση κινητή για να το τοποθετήσουμε με σκοπό να το προσανατολίζουμε σωστά ακολουθώντας την πορεία του ηλίου και την οποία την κατασκευάσαμε εξ αρχής. Στη συνεχεία απαραίτητη ήταν η κατασκευή δύο κυκλωμάτων, ενός “I-V tracer” και ενός “Ramp Generator” μέσα στο ίδιο κουτί, προκειμένου να συνδέσουμε επάνω σε αυτό όλες τις συσκευές μας για να καταγράψουμε τις σειρές των μετρήσεών μας που μας έδιναν οι διάφορες συσκευές μας καθώς και το φωτοβολταϊκό κατά τη διάρκεια της έκθεσής του στην ηλιακή ακτινοβολία. Ακόμα, σημαντικό κομμάτι αποτέλεσε και ο προγραμματισμός του Data Logger έτσι ώστε να καταγράφονται σωστά η τάση, το ρεύμα, οι θερμοκρασίες και η ακτινοβολία κάθε στιγμή του πειράματός μας για να τα εκμεταλλευτούμε και να εξαγάγουμε σωστά συμπεράσματα. Τέλος μπορούμε να πούμε πως η επιλογή ιδανικών ημερών ήταν ένα δύσκολο κομμάτι και η υπομονή που απαιτούσε το πείραμά μας ήταν ένας καλός σύμμαχος για την ολοκλήρωσή του. / -

Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετάται η δομή και η λειτουργία φωτοβολταϊκών πλαισίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Για το σκοπό αυτό είναι απαραίτητη τόσο η θεωρητική μελέτη και περιγραφή της λειτουργίας τους, όσο και η πειραματική προσέγγιση του θέματος. Αρχικά, παρουσιάζεται η δομή των ηλιακών κυττάρων, βασικών δομικών μονάδων των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στην αρχή δίνεται μια περιεκτική περιγραφή της λειτουργίας της p-n επαφής ώστε στη συνέχεια να γίνει ευκολότερα κατανοητός ο τρόπος που επιδρά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στη δομή αυτή. Αναλύονται ορισμένα μεγέθη που χρησιμοποιούνται στην επιστήμη των φωτοβολταϊκών καθώς και οι συνθήκες στις οποίες μετρώνται παγκοσμίως τα ηλιακά κύτταρα/πλαίσια προκειμένου να υπάρχει ένα κοινό μέτρο σύγκρισης. Η μελέτη ολοκληρώνεται με την πειραματική διαδικασία. Σε αυτήν αναλύονται διεξοδικά οι παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών σε μια πραγματική εγκατάσταση. Οι παράγοντες αυτοί είναι κυρίως περιβαλλοντικοί (ηλιοφάνεια, θερμοκρασία). Υπάρχουν εξίσου σημαντικοί παράγοντες, όμως, που είναι δυνατό να μεταβληθούν από τον άνθρωπο με τρόπο ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση. Πιο συγκεκριμένα, η γωνία κλίσης του πλαισίου και η περίπτωση της σκίασής του είναι απαραίτητο να ληφθούν σοβαρά υπόψη. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν έχουν άμεση εφαρμογή στον υπολογισμό και τη μελέτη μιας πραγματικής εγκατάστασης μιας και δίνουν συγκεκριμένες αριθμητικές τιμές. Για παράδειγμα η συνολική αποδιδόμενη ετήσια ενέργεια από ένα πλαίσιο 80Wp τοποθετημένο με γωνία κλίσης ίση με τη βέλτιστη (380) στην περιοχή της Πάτρας είναι 172.038kWh. Αξιοσημείωτη είναι και η σύγκριση των πειραματικών τιμών ισχύος και συντελεστή απόδοσης με τις τιμές του κατασκευαστή και αυτές που προέκυψαν μέσω μοντελοποίησης (σε υπολογιστή με τα προγράμματα Matlab και Mathematica). Αυτές είναι: η μετρούμενη ισχύς του πλαισίου 73,15Watt και συντελεστής απόδοσης η=11,5%, ισχύς διδόμενη από τον κατασκευαστή 81,71Watt με συντελεστή απόδοσης η=12,6% και ισχύς η που προκύπτει από τη μοντελοποίηση 89,95Watt με συντελεστή απόδοσης η=14,2%. Η αιτιολόγηση αυτών των διαφορετικών τιμών ισχύος και των αντιστοίχων συντελεστών απόδοσης αποδίδεται στην αδυναμία να πετύχουμε ίδιες συνθήκες διεξαγωγής αυτών των μετρήσεων καθώς και στην σε σειρά και παράλληλη αντίσταση που δεν είναι δυνατόν να εκτιμηθούν ακριβώς για να εισαχθούν στο μοντέλο. / This thesis studies the structure and performance of polycrystalline silicon solar modules. To do this, not only a theoretical study of their operation is necessary, but also an experimental approach of the subject. In a first step, we can see the structure of polycrystalline silicon solar cells, which compose the solar panels. It was thought useful to give a compact description of the –p-n junction function. This way, the photovoltaic phenomenon’s impact on –p-n junction’s function can be easier understood. Along with the theoretical part, there is an analysis of some values that are used to the photovoltaic science along with the conditions that are used in order to have a common meter of comparison. A study, however, would not be completed if the experimental process did not exist. In this process the factors that influence the photovoltaic operation are analyzed at great length in a real installation. These factors are mainly environmental (sunlight, temperature). There are equally important factors, however, which are possible to be altered in such a way to achieve the most optimal performance. Specifically, the tilt angle and the shading case of the solar module are essential to be taken seriously into consideration. The results can be directly used for the calculation of a real installation and are very helpful as they are quite specific. For example, the total output power with a tilt angle of 380 at Patras-Greece is 172.038kWh. It is also remarkable to have a comparison between the experimental data, the data given by the constructor and the data gathered through simulation method. The values for the output power are 73,15Watt (η=11,5%), 81,71Watt (η=12,6%) and 89,95Watt (η=14,2%) respectively. The explanation of different power factor and output power comes from the inability to achieve exactly the same experimental conditions. Moreover, the shunt and series resistances cannot be calculated exactly due to lack of constructor’s data details.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των κυψελών καυσίμου ως εναλλακτική πηγή τάσεως. Ο λόγος για τον οποίον έχει στραφεί η έρευνα προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι αφενός η αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων των κοινωνιών σε συνδυασμό με τη μείωση των διαθέσιμων ορυκτών καυσίμων και αφετέρου η μόλυνση του περιβάλλοντος που έχει προέλθει από ρύπους όπως είναι το διοξείδιο του άνθρακα. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σήμερα είναι η ηλιακή, η αιολική και η υδροηλεκτρική. Τα τελευταία χρόνια αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον και η τεχνολογία του υδρογόνου λόγω κάποιων πλεονεκτημάτων που διαθέτει, όπως η μεγάλη ικανότητα παραγωγής ενέργειας ανά μονάδα βάρους (σχεδόν τριπλάσια από την αντίστοιχη ικανότητα παραγωγής ενέργειας της βενζίνης), η υψηλή αποδοτικότητα και αξιοπιστία καθώς και οι μηδενικές επιπτώσεις για το περιβάλλον. Βέβαια, υπάρχουν και αρκετά μειονεκτήματα που σχετίζονται με τη σχετικά πρόσφατη στροφή της έρευνας προς αυτή την κατεύθυνση (ακριβές διατάξεις παραγωγής και κατανάλωσης υδρογόνου , μη εγκατεστημένο δίκτυο διανομής και δυσκολίες στην αποθήκευση του υδρογόνου). Στη συνέχεια αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο της τεχνολογίας αυτής και παρουσιάζονται μέθοδοι βελτίωσης της απόδοσής της. Αρχικά, γίνεται μια μικρή ιστορική αναδρομή σε αυτή τη τεχνολογία προκειμένου να γίνει σαφές πως οδηγηθήκαμε στη σκέψη παραγωγής ενέργειας μέσω της αντίδρασης του υδρογόνου και του οξυγόνου. Αναλύονται τα πλεονεκτήματα που έχουν οι κυψέλες καυσίμου έναντι τόσο των μηχανών εσωτερικής καύσης όσο και έναντι των μπαταριών και παρουσιάζονται όλοι οι εμπορικά διαθέσιμοι τύποι κελιών καυσίμου. Ιδιαίτερη έμφαση στη διπλωματική εργασία δίνεται στη δομή και στην αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων λόγω της ευελιξίας και της ποικιλίας των εφαρμογών που μπορούν να υποστηρίξουν. Οι κυψέλες καυσίμου αυτού του είδους παρουσιάζουν χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας, χαμηλούς χρόνους εκκίνησης, γρήγορη απόκριση στις μεταβολές φορτίου και μεγάλη ανθεκτικότητα. Εν συνεχεία παρουσιάζεται η απόδειξη, από την οποία προκύπτει η μέγιστη θεωρητική τάση(1.229V) ενός κελιού καυσίμου, οι μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσης από τη μέγιστη θεωρητική τιμή καθώς και το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα. Η προσομοίωση και μοντελοποίηση των κυψελών, που ακολουθεί, κατέχει σημαντική θέση στην ανάλυση και στην πρόβλεψη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς τους καθώς αυτές ενσωματώνονται σε συστήματα ισχύος. Παρουσιάζονται διαγράμματα που προέκυψαν από τη μοντελοποίηση και φανερώνουν πως εξαρτάται η τάση του κελιού, οι απώλειες ενεργοποίησης, οι ωμικές απώλειες και η ισχύς εξόδου συναρτήσει τόσο της πυκνότητας ρεύματος όσο και της θερμοκρασίας. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στις 3 διαφορετικές περιοχές της χαρακτηριστικής τάσεως-ρεύματος. Μέσα από τις προκύπτουσες καμπύλες γίνεται σαφές το εξής. Οι απώλειες ενεργοποίησης έχουν επίδραση μόνο στις χαμηλές πυκνότητες ρεύματος και για την θερμοκρασία λειτουργίας είναι της τάξεως των 0.48 V. Πράγματι, με το σχεδιασθέν μοντέλο βλέπουμε ότι η τάση του κελιού για χαμηλές πυκνότητες ρεύματος είναι της τάξεως του 0.7 V, δηλαδή η μέγιστη θεωρητική τάση μειούμενη κατά τις απώλειες ενεργοποίησης. Οι ωμικές απώλειες έχουν επίδραση για μέσες πυκνότητες ρεύματος και προσομοιώνονται με μια ωμική αντίσταση, η οποία περιλαμβάνει την αντίσταση των ηλεκτροδίων στην κίνηση των ηλεκτρονίων, την αντίσταση της μεμβράνης στην κίνηση των κατιόντων και την αντίσταση που παρουσιάζεται στην επιφάνεια επαφής ηλεκτροδίου και μεμβράνης. Η εξάρτηση των ωμικών απωλειών συναρτήσει της πυκνότητας ρεύματος είναι γραμμική, αυξάνονται συναρτήσει της θερμοκρασίας και επίσης και με την αύξηση του πάχους του ηλεκτρολύτη, όπως προέκυψαν από τη μοντελοποίηση της κυψέλης. Λόγω του ότι η προκύπτουσα τάση είναι της τάξης του 0.5-1 V, γίνεται αναγκαία η σύνδεση πολλών κελιών σε σειρά. Ο πιο διαδεδομένος τρόπος, για να μειωθούν οι απώλειες στις συνδέσεις, είναι με τη χρήση διπολικών πλακών. Ένα ενδιαφέρον ζήτημα που εξετάζεται είναι η δυναμική απόκριση των μοντέλων αυτών, η οποία προσομοιώνεται ηλεκτρονικά. Η μελέτη που έχει γίνει αποσκοπεί στη βελτίωση της απόδοσης, στη ταχύτερη απόκριση στις δυναμικές μεταβολές και κυρίως στον τρόπο με τον οποίον θα μπορέσει μια διάταξη κυψέλης καυσίμου να τροφοδοτήσει πραγματικά φορτία, τα οποία απαιτούν σταθερή τάση. Οι κυψέλες δίνουν συνεχή τάση μη καθορισμένης όμως τιμής. Έτσι, προκειμένου να συνδεθεί ένα φορτίο πρέπει αυτή η μη καθορισμένη τάση εξόδου να ενισχυθεί και να κρατηθεί σταθερή σε μία επιθυμητή τιμή. Η ενίσχυση επιτυγχάνεται με τη τοποθέτηση ενός μετατροπέα τύπου boost στην έξοδο της κυψέλης. Η σταθεροποίηση επιτυγχάνεται μέσω ενός κυκλώματος ανατροφοδότησης, το οποίο εντοπίζει τη διαφορά ανάμεσα στη τάση εξόδου του μετατροπέα και στη τάση αναφοράς και καθορίζει αναλόγως τη παλμοδότηση του ημιαγωγικού στοιχείου του μετατροπέα. Τα στοιχεία του μετατροπέα επιλέγονται, ώστε να λειτουργεί σε κατάσταση συνεχούς αγωγής. Αναλύεται η λειτουργία του μετατροπέα ανύψωσης τάσης και εξηγείται πλήρως ο τρόπος με τον οποίον σχεδιάστηκε η ανατροφοδότηση στον μετατροπέα. Παρατίθεται η απόκριση του συστήματός μας, όταν στην έξοδο έχουμε καθαρά ωμικό, επαγωγικό και χωρητικό φορτίο. Παρατηρείται ότι σε κάθε περίπτωση ο μετατροπέας διατηρεί σταθερή τη τιμή της τάσης στην επιθυμητή τιμή. Επίσης, παρατίθεται η απόκριση του μετατροπέα σε φορτίο που σχεδιάστηκε, έτσι ώστε να μεταβάλλεται κάθε 3 δευτερόλεπτα. Και σε αυτήν την περίπτωση, ο μετατροπέας μετά το πέρας των μεταβατικών φαινομένων καταφέρνει να διατηρήσει σταθερή τη τιμή της τάσεως εξόδου. Στο τελευταίο μέρος της διπλωματικής εργασίας, παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία που πραγματοποιήθηκε σε μια συστοιχία κυψέλων καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ισχύος 1.2kW. Περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίον λειτουργεί η χρησιμοποιηθείσα κυψέλη υδρογόνου. Παρουσιάζονται οι διαδικασίες που απαιτούνται για την έναρξη και τον τερματισμό της, οι επιμέρους μονάδες που απαιτούνται για την τροφοδότηση της κυψέλης με τα αντιδρώντα καθώς και οι μηχανισμοί ασφαλείας που υπάρχουν προκειμένου να αποτραπούν επικίνδυνες καταστάσεις για την ομαλή λειτουργία της κυψέλης. Επίσης αναλύονται τα βήματα που ακολουθήθηκαν για να προκύψουν οι χαρακτηριστικές τάσεως-ρεύματος και ισχύος-ρεύματος. Σε κοινά διαγράμματα συγκρίνονται με τις αντίστοιχες καμπύλες που αναφέρει το φυλλάδιο των κατασκευαστών. Σε άλλο πείραμα παρουσιάζεται η εξάρτηση της τάσεως της κυψέλης από τη θερμοκρασία και επιβεβαιώνεται η θεωρία, η οποία αναφέρει μείωση της τάσεως εξόδου, καθώς αυξάνει η θερμοκρασία. Η μεταβολή της τάσεως παρατηρείται εντονότερα στην ωμική περιοχή, εκεί όπου επικρατούν οι ωμικές απώλειες και οι οποίες είναι ανάλογες με την πυκνότητα του ρεύματος. Ακολούθως, αναλύεται η μέθοδος βάσει της οποίας μπορεί να υπολογιστεί η απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Πρόκειται για περίπλοκο μηχανισμό, αφού η είσοδος του συστήματος είναι χημική ενέργεια και έξοδος ηλεκτρική ενέργεια. Με βάση αυτό το μηχανισμό, παρουσιάζεται η σχέση της απόδοσης με το ρεύμα και τη θερμοκρασία, όπως προέκυψε από τη πειραματική διαδικασία. Τέλος, παρουσιάζονται μέσω διαγράμματος οι χρόνοι που χρειάζεται η τάση για να σταθεροποιηθεί κατά τη σύνδεση και την αποσύνδεση του φορτίου και αναλύεται ο μηχανισμός εκείνος, ο οποίος συμβάλλει στον μη μηδενικό χρόνο απόκρισης των κυψελών καυσίμου. / The aim of the present essay is the study of fuel cells as an alternative source of voltage. The reason why the research has turned to the renewable sources of energy is not only the increase of energy requirements of societies but also the reduction of available mining fuels and the air pollution. The more widely used renewable sources of energy today are solar and hydroelectric. The last years, the technology of hydrogen acquires particular interesting, because of certain advantages such as the big faculty of production of energy per unit of weight, the high efficiency and reliability as well as the null repercussions for the environment. Of course, there are also disadvantages that are related to the recent turn of research to this direction (expensive provisions of production and consumption of hydrogen, not installed network of distribution and difficulties in the storage of hydrogen). The analysis includes apart from the theoretical background of this technology and presentation of methods of improvement of the efficiency. Particular accent in this essay is given in the operation of fuel cells of type of membrane exchange protons due to the flexibility and the variety of applications that they can support. This type of cells operates at low temperature, responds fast in the start and in load changes and has high resistibility. Then, the structure and the operation of a PEM fuel cell are being represented. It is represented the background for the highest theoretical cell voltage, the reasons why the voltage does not remain constant at this value of voltage and an equivalent electrical circuit. The simulation and modeling of cells, that follows, plays important role in the analysis and in the forecast of their electric behavior, as they are incorporated in power systems. Firstly, the history behind this technology is presented. Advantages and disadvantages of fuel cells and all types of available fuel cells are presented. In this essay, the structure of a PEM Fuel cell and the way it operates is analyzed. This type of fuel cell operates at low temperatures and as a result, it starts quickly and responds fast at load changes. After this, it is being proved that the maximum theoretical voltage of o stack is 1.229 V. The reasons why this value of voltage is inevitable and the equivalent electrical circuit are also being analyzed. Diagrams, that resulted from the modeling and show how cell voltage, activation losses and ohmic losses are depended on current density and temperature, are presented. The activation losses have impact only on low current densities. Their value is around 0.48 V at the operating temperature of 650C. The diagram that presents the polarization curve evaluates the previous sentence, as the voltage at open circuit is about 0.7V (1.229V minus the activation losses). The ohmic losses have impact on current densities between 0.01 and 0.1 A/cm2. They are being modeled by an ohmic resistance, which includes the resistance of the electrodes during the flow of the electrons and the resistance of the membrane during the flow of the ions. The ohmic losses are proportional to the current density and increase, as the temperature increases. These came out from a simulation in Matlab. Because the voltage is around 0.5-1 V, the connection of many cells in series becomes necessary. In order to reduce the losses in the connections, bipolar plates are used. Particular report at the simulation becomes in the dynamic response of this model. The study aims in the improvement of efficiency, in the faster response in the dynamic changes and mainly in the way that the stack has to be connected in order to supply energy in real loads that require constant voltage. The stack produces a not determined dc voltage. Thus, this undetermined voltage should be strengthened and kept constant in a desirable value. The increase is achieved with the placement of a boost converter in the output of stack. The stabilization is achieved via a circuit of feedback, which locates the difference between the output voltage of the converter and the reference value and determines the duty cycle. The parameters of the converter are chosen in order to have continuous conduction mode. The operation of the converter is analyzed and the way the feedback operates is totally explained. Diagrams that show the response of the converter, when the load is resistance, an inductor and a capacitor are represented. In every situation, the voltage remains constant at the value of reference voltage. The response in a load that changes every 3 seconds is also presented. The voltage also remains constant at 80V. Finally, the experimental process, that took place in a fuel cell of type of membrane exchange protons 1,2kW, is presented. The way this stack operates is analytically described. The processes that are required for the beginning and the finish, the individual units that are required for the feed-in of oxygen and hydrogen and the mechanisms of safety that exist in order to avoid dangerous situations are presented. Also, the characteristics of voltage and power as function of current are presented. In common diagrams, they are being compared with the equivalent diagrams that are presented by the manufacturer. The dependence of stack voltage on the temperature is being experimented and is confirmed with the theory, which reports reduction of voltage, as the temperature increases. This dependence becomes stronger at the ohmic region, because the ohmic losses are proportional to current density. Moreover, the method we can follow in order to calculate the efficiency of the stack is analyzed. It is a complex mechanism, because the entry of the system is chemical energy and the exit is electrical energy. With base this mechanism, the relationship of efficiency with the current and the temperature is presented, as it resulted from the experimental process. Finally, the stabilization times during the connection and disconnection of a load are presented via a diagram and the mechanism, which contributes in the not null time of response of stack, is analyzed.

Main objective are the DC-DC converters and the analysis of today's systems. A new topology is developed and the main DC-DC converters are designed and simulated and the results are explained. / Επικεντρώνεται στους DC-DC διακοπτικούς μετατροπείς και επιτυγχάνει την ανάλυση των προβλημάτων των σημερινών τοπολογιών. Προτείνεται μια καινούρια τοπολογία, σχεδιάζονται και μοντελοποιούνται οι κατάλληλοι μετατροπείς και παρατίθενται τα πειραματικά αποτελέσματα.

- / -

- / -

Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι ο σχεδιασμός των μονάδων που αποτελούν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης καθώς και η εξομοίωση του συστήματος αυτού χρησιμοποιώντας ως εργαλείο το πρόγραμμα MATLAB/Simulink. Το πρώτο βασικότερο στοιχείο του συστήματος είναι η φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Αναλύεται διεξοδικά η λειτουργία της μέσα από τη θεωρία, και ο σχεδιασμός της μέσα από μια σειρά υπολογισμών των σε σειρά και παράλληλων κλάδων κυττάρων που την αποτελούν. Η δημιουργία του μοντέλου της στο Simulink περιγράφεται λεπτομερώς και η ορθή λειτουργία της επιβεβαιώνεται από τις κυματομορφές εξόδου του μοντέλου αυτού. Το δεύτερο βασικό στοιχείο που επίσης αναλύεται διεξοδικά τόσο μέσω της θεωρίας όσο και μέσω της δημιουργίας του μοντέλου του στο πρόγραμμα, είναι ο μονοφασικός αντιστροφέας. Το σύστημα περιλαμβάνει επίσης τον dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα το παθητικό φίλτρο L-C στην έξοδο αυτού και πριν την σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης, ένα φορτίο R-L. Μετά την ολοκλήρωση της θεωρητικής ανάλυσης του σχεδιασμού και της δημιουργίας των μοντέλων εξομοίωσης των επιμέρους στοιχείων του συστήματος, διερευνάται η λειτουργία του στην μόνιμη κατάσταση όπου απεικονίζονται οι κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων σε διάφορα σημεία του συστήματος καθώς και το αρμονικό περιεχόμενό τους. Ο στόχος ήταν η φωτοβολταϊκή γεννήτρια να παράγει την μέγιστη δυνατή ισχύ, δηλαδή η dc τάση στα άκρα του πυκνωτή (τάση στην είσοδο του αντιστροφέα), να αντιστοιχεί σ’ αυτήν του σημείου μέγιστης ισχύος, χωρίς το αρμονικό περιεχόμενο των τάσεων και των ρευμάτων εξόδου να ξεπερνά τα επιτρεπτά όρια. / The purpose of this thesis is to design all units that constitute a photovoltaic system connected to low voltage grid, and also to run the simulation of this system using the program MATLAB/ Simulink. The first key element is the photovoltaic generator whose operation is discussed in detail through theory. In addition, the design of the photovoltaic generator takes place through calculations of the series and the parallel branches of cells that constitute it. The model of the generator is created in Simulink and its correct operation is confirmed by the characteristic waveforms of the model. The second key factor, which is also analyzed in greater length both through theory and through the creation of the model in the program, is the single-phase inverter. Moreover, the system includes a dc capacitor connected at the input of the inverter, a passive LC filter at the output of the same and an RL load, before the whole system is connected to the grid. After the theoretical analysis, the design and creation of simulation models of every component individually, the complete photovoltaic system is simulated in order to investigate its function in the steady state. During simulation voltages and currents in different parts of the system are measured, and their harmonic content is graphed. The goal was the photovoltaic generator to produce the maximum power, which means that the dc voltage across the capacitor (input voltage of the inverter) should correspond to that of the maximum power point, without the harmonic content of voltages and output currents to exceed the allowable limits.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με το σχεδιασμό και την εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος. Έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της εργασίας αυτής , είναι η μελέτη του συστήματος που δημιουργήθηκε για να λειτουργεί με 3 διαφορετικούς τρόπους: α) Μονοφασικό Διασυνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής, β) Τριφασικό Διασυνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής και γ) Μονοφασικό αυτόνομο. Στην εισαγωγή γίνεται μια γενική αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και περιγράφεται η κατάσταση στην Ελλάδα και την Ευρώπη σχετικά με αυτές. Εν συνεχεία παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας , εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών και γίνεται αναφορά στις διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Συνεχίζοντας, παρατίθενται τα στοιχεία και οι γενικές αρχές δημιουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Έπειτα ανάλύεται εκτενώς το πρόβλημα της Νησιδοποίησης και μέθοδοι αντιμετώπισής του. Τέλος, παρουσιάζεται η μελέτη, ο τρόπος λειτουργίας και ο εξοπλισμός του συστήματος που εγκαταστάθηκε στο Εργαστήριο. / This thesis deals with the design and installation of a photovoltaic system, and connection with the distribution network. It was held in Generation, Transmission, Distribution and use of electricity Laboratory of the Department of Electrical Engineering and Computer Engineering of the University of Patras . The aim of this work is to study the system set up to work in three different ways: a) Single-phase grid connected distribution, b) Three-phase grid connected distribution and c) Single phase alone. The introduction contains a general reference to the Renewable Energy and describes the situation in Greece and Europe about them. It then presents the features sizes of solar radiation, gives an explanation about the mode of photovoltaic and mentioned in various photovoltaic technologies have been developed to date. Then are presented the data and principles to create a PV system. Afterwards, the problem of islandig and dealing methods are analyzed. Finally, we present the study mode and System equipment installed at the Laboratory.

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται αφ’ενός μεν τη μελέτη, μέσω προσομοίωσης, ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης αφ’ετέρου δε την κατασκευή ενός τμήματος του συστήματος αυτού. Το αιολικό σύστημα συγκροτείται από μία ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών και διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που μετατρέπουν αρχικά την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και στη συνέχεια τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη, συχνότητας 50Hz, για τη σύνδεση με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κατά σειρά μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους για την ανόρθωση της τάσης, που παράγεται από τη γεννήτρια, ένας μετατροπέας τύπου Boost για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης και τέλος, ένας μονοφασικός αντιστροφέας με MOSFET. Η έξοδος του αντιστροφέα, μέσω φίλτρου και μετασχηματιστή, συνδέεται στο δίκτυο. Στόχος είναι η κατασκευή ενός πειραματικού πρωτοτύπου για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας του εργαστηρίου, ισχύος 1kW, με το δίχτυο χαμηλής τάσης, ώστε να χρησιμοποιηθεί για εργαστηριακούς και ερευνητικούς σκοπούς. / This thesis presents the study, modeling and implementation of a wind power system consists of a permanent magnet synchronous generator, a rectifier and boost stage, as well as an inverter stage for grid connection. Control applies on the dc-dc converter aiming at rendering the connection to the electrical power grid more versatile. The analysis was performed by developing an appropriate model for the system at the Matlab computing program aided by the Simulink toolbox of The MathWorks,Inc.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των ανεμογεννητριών, η ανάλυση των επιμέρους συστημάτων τους και η μελέτη της σύνδεσης τους με το δίκτυο μέσω ενός ελεγκτή ομαλής εκκίνησης. Αρχικά, γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στην ιστορική εξέλιξη των ανεμογεννητριών, καθώς και στις επικρατούσες συνθήκες στην Ευρώπη και στην Ελλάδα. Έπειτα παρουσιάζονται χαρακτηριστικά μεγέθη του ανέμου και θεμελιώδεις έννοιες των αιολικών συστημάτων. Στη συνέχεια γίνεται μια εκτενής αναφορά στα επιμέρους συστήματα που συνθέτουν μια ανεμογεννήτρια και στους τρόπους ελέγχου της. Ακόμα, παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι γεννητριών που μπορούν να συνδεθούν και ο τρόπος λειοτυργίας των ανεμοκινητήρων. Έτσι, προκύπτει η μελέτη της απευθείας σύνδεσης με το δίκτυο μέσω ενός ελεγκτή ομαλής εκκίνησης (soft starter). Πρώτα γίνεται μια εισαγωγή στους soft starters, ορίζονται κάποιες βασικές έννοιες, γίνεται αναφορά στα υπόλοιπα μέρη του συστήματος και έπειτα μελετάται η παλμοδότηση κ λειτουργία των θυρίστορ των ελεγκτών. Τέλος, παρατίθενται τα μοντέλα πέμπτης και τρίτης τάξης της επαγωγικής γεννήτριας, οι εξισώσεις για τις ισχείς P και Q, η μέθοδος ελέγχου του soft starter (sliding mode), ο προτεινόμενος ελεγκτής και η υλοποίηση του. / The purpose of this thesis, is the study of wind turbines, the analysis of the individual parts of them and the study of the connection process to the network with a soft starter. Firstly, there is a reference to the renewable power sources and a historic development of wind turbines. Some important terms about the wind are referred and also some fundamental meanings about wind power systems.In addition, the parts of a wind turbine are referred and the ways of control. Furthermore, the different kinds of generators are presented, as well as the way they operate. Therefore, there is a study about the direct connection of a wind turbine to the grid through a soft starter. The soft starter is studied and the way it operates.Finally, is presented the induction machine's fifth and third order model, as well as the proposed controller and his implementation.