Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διαστασιολόγηση Φ/Β πάρκου ισχύος 500 kWp στο οποίο θα γίνει χρήση ιχνηλατών – trackers. Το συγκεκριμένο Φ/Β πάρκο μελετήθηκε για την περιοχή της Λάρισας. Η εξασφάλιση μεγάλου ποσοστού απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας μέσα από Ανανεώσιμες Πηγές, όπως είναι η φωτοβολταϊκή τεχνολογία, είναι μια σημαντική κατεύθυνση προς την προστασία του περιβάλλοντος. Παράλληλα αποτελεί μία σημαντική πρόκληση τόσο για τους μηχανικούς όσο και για την παγκόσμια οικονομία. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται γενικά στοιχεία για τον Ήλιο και την ακτινοβολία που εκπέμπει, ενώ γίνεται και μια αναφορά στο πως μετράται η ηλιακή ακτινοβολία. Επίσης παρουσιάζεται η κατάσταση των εγκατεστημένων Φ/Β σε Ελλάδα και Ευρώπη. Στο δεύτερο κεφάλαιο επεξηγείται η φωτοβολταϊκή ηλεκτρική ενέργεια και το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Επίσης γίνεται μαθηματική ανάλυση για το μοντέλο της διόδου των κυττάρου και του πλαισίου και τέλος δίνονται οι εξισώσεις που αποδίδουν τις παραμέτρους του μοντέλου. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται τα χαρακτηριστικά των Φ/Β πλαισίων όπως είναι ο βαθμός απόδοσης τους. Επίσης περιγράφονται τα υλικά κατασκευής των πλαισίων, ενώ αναφέρονται παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την απόδοση τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται γενικά στοιχεία ενός Φ/Β πάρκου. Εξετάζεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης και αναφέρονται στοιχεία για την αδειοδότηση του έργου. Επίσης περιγράφονται τεχνικά στοιχεία όπως η γείωση και οι μετατροπείς – inverters και εξηγείται τι είναι το ποσοστό απόδοσης της εγκατάστασης και ο ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξηγείται η λειτουργία του ιχνηλάτη – tracker και αναφέρονται τα πλεονεκτήματα χρήσης του σε σχέση με τα φ/β σε σταθερή βάση. Ακόμη περιγράφεται η περιστροφή γύρω από έναν άξονα και δύο άξονες. Τέλος γίνεται μία μαθηματική ανάλυση ως προς την γωνία πρόσπτωσης και του ποσού της λαμβάνουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Τέλος στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η διαστασιολόγηση του Φ/β πάρκου. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο παρουσιάζεται η χωροθέτηση των ιχνηλατών στο οικόπεδο και η ενεργειακή μελέτη η οποία έγινε μέσω του προγράμματος PVSYST 5.56. Επίσης γίνεται τεχνική ανάλυση ως προς τους μετατροπείς, τη σύνδεση με το δίκτυο τις καλωδιώσεις και την αντικεραυνική προστασία και τελικά γίνεται η οικονομοτεχνική μελέτη της ανάλυσης. / The purpose of the present thesis is the design – dimensioning of a photovoltaic park with nominal power 500 kWp. In the specific park, they are going to be used sun trackers and it is located near Larisa – Greece. The aim of replacing a great percent of conventional energy sources with renewable is significant for the environment's protection, but also it is a great challenge for the engineers and the global economy. In the first chapter, there is a brief presentation of solar energy and radiation and how can be calculated. Furthermore, the pv market potential in Greece and in Europe is described. In the second chapter is explained how the pv generator works and what is photovoltaic phenomenon. Also there is a mathematical analysis about the model of pv diode. In the third chapter, there is a presentation of pv module characteristics such as performance ratio. Also, the materials that pv modules are usually made of and factors that affect their performance are mentioned. In the fourth chapter, there is a description of the general data of a pv park such as inverters, grounding. Moreover, the phenomenon of islanding is explained. In the fifth chapter, there is an explanation of how a solar tracker works. Also, the advantages of using solar tracker in comparison with fixed tilt systems are presented. Finally, in the sixth chapter , the design and dimensioning of the pv park is presented and it is shown how the trackers are located in the field. Furthermore, the PVSYT 5.56 is used to simulate the energy yield of the pv park and a technical analysis is presented which includes the pv modules, the trackers, the transformer that are used and other critical data. In the end there is an economic analysis which shows the estimated profit of the specific investment.

Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο πρακτικής εργασίας σε εταιρία εγκατάστασης αυτόνομων και διασυνδεμένων φωτοβολταϊκών και αιολικών συστημάτων παραγωγής ισχύος την περίοδο Ιούλιος-Οκτώβριος 2011. Αποτελεί μία πραγματική τεχνική μελέτη ενός φωτοβολταϊκού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας διασυνδεμένου στο δίκτυο, ισχύος 100 kWp. Η εγκατάσταση του συγκεκριμένου σταθμού και πραγματοποιήθηκε από την εταιρία σε χωράφι στην περιοχή της Ανδραβίδας. Οι τιμές, ο εξοπλισμός, το τοπογραφικό διάγραμμα και οι φωτογραφίες που περιέχονται στην μελέτη αποτελούν πραγματικά στοιχεία και το τελικό αποτέλεσμα της εγκατάστασης είναι αυτό που παραδόθηκε στον πελάτη. Επίσης οι φωτογραφίες, οι μετρήσεις και οι καμπύλες στο τέλος της εργασίας αποτελούν πραγματικά στοιχεία που πάρθηκαν από την εγκατάσταση με σκοπό τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας της. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομη αναφορά στην ηλιακή ενέργεια, στα πλεονεκτήματα της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας και στους λόγους για τους οποίους η χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων καθιερώνεται ολοένα και περισσότερο στην παραγωγής ενέργειας. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και τα βασικά στοιχεία για ένα ηλιακό κύτταρο όπως είναι το ισοδύναμο κύκλωμά του, η χαρακτηριστική του καμπύλη Ι-V, τα ηλεκτρικά του μεγέθη και το αποτέλεσμα σύνδεσης πολλών κυττάρων. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται το φαινόμενο hot spot, οι επιπτώσεις που αυτό μπορεί να έχει σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο και πώς αυτό αντιμετωπίζεται. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται η δομή και η λειτουργία που έχει κάθε φωτοβολταϊκός μετατροπέας και παρουσιάζονται οι πιο κοινές τοπολογίες μετατροπέων χωρίς μετασχηματιστή που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης σε ένα διασυνδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα, εξηγείται για ποιους λόγους είναι ανεπιθύμητο και παρουσιάζονται οι τρόποι ανίχνευσης και αποτροπής του. Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται πλήρως όλη η διαδικασία της μελέτης της εγκατάστασης. Γίνεται μελέτη σκίασης, διαστασιολόγηση των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και επιλογή του κατάλληλου εξοπλισμού για κάθε τμήμα της εγκατάστασης. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται η μελέτη για την κατασκευή της αντικεραυνικής προστασίας της εγκατάστασης. Με βάση τις αντίστοιχες παραμέτρους, επιλέγεται ο τρόπος που θα κατασκευαστεί το σύστημα προστασίας από τυχόν κεραυνικά πλήγματα. Τέλος στο Παράρτημα φαίνονται πραγματικές φωτογραφίες που έχουν τραβηχτεί με θερμοκάμερα και κάποιες ενδεικτικές μετρήσεις που έγιναν ώστε να ελεγχθεί ότι το σύστημα λειτουργεί σωστά με τη μέγιστη απόδοση. / The present state was made as part of practical exercise at a company that installs autonomous and grid connected photovoltaic and wind power generating systems in the period of July-October 2011. It is a real technical study of a photovoltaic generating power station connected to the grid, with nominal power 100 kWp. The installation of this station was made from the company at field in the area of Andravida. The values, the equipment, the topographic diagram and the photos that this project contains are real elements and the final result of the installation is what was given to the client. Moreover all the photos, the measurements and curves at the end of the project are also real and were taken from the station in order to verify that everything works correctly. In Chapter 1 is made a short reference to solar energy, to the advantages of photovoltaic technology and to the reasons that the use of photovoltaic systems is being more and more introduced in power generation. In Chapter 2 are presented the photovoltaic phenomenon and the basic elements of a solar cell such as its equivalent circuit, its characteristic I-V curve, its electric quantities and the result of many cells connection. In Chapter 3 is described the phenomenon of hot spot, the possible impact that it can have on a photovoltaic module and how it can be faced. In Chapter 4 is described the structure and function that every photovoltaic inverter has and are presented the most common transformerless topologies of the inverters that are used in photovoltaic systems. In Chapter 5 is explained what an islanding condition is at a grid connected photovoltaic system and why it is unwanted and are presented the methods of detection and prevention of such a condition. In Chapter 6 is described the complete procedure of the study of the system installation. Study for shade and photovoltaic arrays dimensioning are made and the appropriate equipment is chosen for every part of the system. In Chapter 7 is made the study for the construction of the installation’s lighting protection system. According to the corresponding parameters, is chosen the way that the protection system from any lighting blow will be constructed. Finally in Appendix are shown real photos that have been taken with thermal camera and some indicative measurements that were made to verify that the system works correctly with maximum efficiency.

Τα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPV) είναι συσκευές που παρουσιάζουν μια ελκυστική λύση για εφαρμογές ηλιακής ενέργειας λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής τους, της μηχανικής ευκαμψίας και τη δυνατότητα παραγωγής συσκευών μεγάλης έκτασης και μικρού βάρους. Οι πιο αποδοτικοί δέκτες ηλεκτρονίων μέχρι σήμερα στα OPVs βασίζονται σε τροποποιημένα φουλερένια. Ωστόσο, χρειάζονται περαιτέρω βελτιώσεις προκειμένου να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική μεταφορά των διαχωρισμένων φορέων στα αντίστοιχα ηλεκτρόδια. Προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση έχουν γίνει, είτε επηρεάζοντας την αναμειξιμότητα μεταξύ του δότη και δέκτη είτε με την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών δοτών ή δεκτών ηλεκτρονίων. Νέα υβριδικά υλικά με βάση το φουλλερένιο έχουν χρησιμοποιηθεί για να επηρεάσουν τις ημιαγώγιμες ιδιότητες των πολυμερών. Δεδομένου ότι οι πολυκινολίνες αποτελούν μια από τις πλέον υποσχόμενες κατηγορίες πολυμερών μεταφοράς φορτίου (οπής ή ηλεκτρονίου) για εφαρμογή σε διάφορες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές, ο συνδυασμός τους με C60 αναμένεται να παράσχει μια λύση για την ενίσχυση των οπτικών, μορφολογικών και ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων. Πρόσφατη έρευνα έχει δείξει ότι η τροποποίηση των πολυκινολινών ώστε να έχουν χαμηλότρες τιμές LUMO θα ενισχύσει τις ιδιότητες τους ως δέκτες ηλεκτρονίων. Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν οι ηλεκτρονικές ιδιότητες διαφόρων υλικών που αντιστοιχούν στα διαδοχικά στάδια σύνθεση ενός νέου υβριδικού συμπολυμερικού δέκτη μέσω των φασματοσκοπιών φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ και ακτινοβολία UV (XPS/UPS). Το τελικό υβριδικό πολυμερές που μελετήθηκε είναι η πολυ-πενταφθόροφενυλοκινολίνη η οποία υβριδίστηκε με C60 (P5FQ-C60). Το μονομερές πενταφθόροφενυλοκινολίνη (Ph5FQ), το καθαρό C60 και το υβριδικό μονομερές Ph5FQ-C60 έχουν επίσης μελετηθεί. Επίσης μελετήθηκαν τα υβριδικά συμπολυμερή P3OT-co-P5FQ και P3OT-co-(P5FQ-Ν-C60) με αναλογία 1:10 για χρήση ως δέκτες ηλεκτρονίων με καλύτερη αναμειξιμότητα με τον δότη. Για την φασματοσκοπική έρευνα τα δείγματα αποτέθηκαν σε υποστρώματα Si με χρήση spin coating από διαλύματα τολουολίου, THF ή χλωροφορμίου. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε θάλαμο ανάλυσης υπερυψηλού κενού (βασική πίεση 5x10-9 mbar). Από τις μετρήσεις XPS η κορυφή F1s των μη υβριδικών μορίων εμφανίστηκε σε ενέργεια σύνδεσης (BE) 688.3 eV, μια τιμή που αντιστοιχεί σε άτομα φθορίου με δεσμούς C-F. Η ίδια κορυφή μετατοπίζεται σε χαμηλότερες ενέργειες σύνδεσης σε όλα τα υβριδικά υλικά, υποδεικνύοντας την επίδραση των μορίων C60 στο ηλεκτρονιακό νέφος των φθορίων της κινολίνης. Από τα φάσματα UPS μετρήθηκε το υψηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (HOMO) σε σχέση με το επίπεδο Fermi καθώς και το κατώφλι υψηλών ενεργειών σύνδεσης (HBE) για κάθε υλικό. Από αυτά, υπολογίστηκε το έργο εξόδου τους, ενώ από το άθροισμα του έργου εξόδου και της ενέργειας σύνδεσης του ΗΟΜΟ υπολογίστηκαν οι Ενέργειες Ιονισμού (ΙΡ). Αυτή είναι μια χρήσιμη παράμετρος για τον χαρακτηρισμό των ημιαγώγιμων πολυμερών επειδή αντιστοιχεί στην απόσταση μεταξύ του ΗΟΜΟ και του επιπέδου κενού και σε συνδυασμό με το ενεργειακό χάσμα (Eg) μπορεί να υπολογιστεί η χαμηλότερο μη κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (LUMO). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ιδιότητες των ημιαγώγιμων πολυμερών ή μονομερών μπορούν αποτελεσματικά να επηρεαστούν με υβριδοποίηση με χρήση νανοδομών του άνθρακα, που σε αυτή την περίπτωση είναι το C60. / Organic photovoltaic (OPV) devices present an attractive solution for solar energy applications due to their inherently low material costs, mechanical flexibility, and the potential of scalability to large area, light weight, devices. The most efficient electron accepting materials used so far in OPVs are based on modified fullerenes. However, further improvement is needed in order to achieve more efficient transport of the separated charges to the respective electrodes. Attempts to this direction have been made either by influencing the miscibility between the donor and acceptor phases or by the development of more efficient electron donor or electron acceptor materials. New hybrid materials comprising of fullerene can been used to tune the semiconducting properties of polymers. Since polyquinolines are one of the most promising classes of electron-transporting and electron-accepting polymers for use in various optoelectronic applications their combination with C60 is expected to provide a route for the modulation of their optical, morphological as well as their electronic properties. Previous work has shown that the modification of polyquinolines towards lower LUMO values will increase their electron accepting properties. In this work the electronic properties of various materials that correspond to the sequential synthesis steps of a novel hybrid copolymeric acceptor are investigated by x-ray and UV photoelectron spectroscopies (XPS/UPS). The hybrid material under investigation is the newly synthesised poly-perfluorophenylquinoline(P5FQ-C60) hybridised with C60. The perfluorophenylquinoline monomer (P5FQ, Fig1a), C60 on its own and the hybrid P5FQ-C60 are also studied. The hybrid copolymers P3OT-co-P5FQ and P3OT-co- (P5FQ-N-C60) with a ratio of 1:10 are also studied for use as electron acceptors to confer better miscibility with the donor. For the spectroscopic investigation the samples were deposited on Si substrates by spin coating from toluene,THF or chloroform solutions. The measurements were carried out in an ultrahigh vacuum analysis chamber (base pressure 5x10-9 mbar) equipped with a hemispherical electron energy analyzer, a twin anode X-ray source for XPS and a discharge UV lamp for UPS. The XPS F1s photo-peak from the non hybrid samples appeared at binding energy (BE) 688.3 eV, a value that corresponds to fluorine atoms in C-F bonds. The same peak was shifted to lower binding energy in the case of all hybrid materials. Despite the fact that the F1s peak has a measurable signal, the C1s component corresponding to C-F bonds (BE=289.4 eV) appeared to be at noise level for all the materials under investigation. This is attributed to the fact that the photoionization cross section of C1s is about four times lower than that for F1s. From the UP spectra the Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) with respect to the Fermi Level and the high binding energy (HBE) cut off can be measured. From the latter the work function of the material is calculated, while the sum of the work function and the binding energy of HOMO correspond to the Ionization Potential (IP). This is a useful parameter for the characterization of semiconducting polymers because it corresponds to the distance between the HOMO and the vacuum level and in combination with band gap (Eg) values can be used for the calculation of the Electron Affinity or in other words the Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) position. The results demonstrate that the semiconducting properties of polymeric or monomeric materials can be effectively tuned by hybridization with carbon based nanostructures, in this case C60.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την στατική ανάλυση και την ανάλυση κόπωσης διαξονικού ιχνηλάτη φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Η σχεδίαση της κατασκευής γίνεται στο σχεδιαστικό πακέτο Catia V5, τα στατικά φορτία υπολογίζονται με βάσει τον διεθνή κανονισμό Eurocode 1 , τα δυναμικά φορτία ανέμου υπολογίζονται βάσει το Kaimal spectrum ενώ οι αναλύσεις γίνονται στο λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Msc.Patran-Nastran. Η εργασία αποτελείται από επτά (7) κεφάλαια εκ των οποίων το έβδομο είναι τα συμπεράσματα. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή για τους τύπους στήριξης των φωτοβολταϊκών πλαισίων και για τις βασικές παραμέτρους της ηλιακής τεχνικής και της τροχιάς του ηλίου. Τέλος, υπολογίζονται οι δύο βασικές ηλιακές γωνιές αζιμούθια και ζενίθια κατά την διάρκεια του έτους ώστε να καθοριστούν οι κινήσεις της διάταξης του tracker. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται ο τρόπος σχεδίασης του ιχνηλάτη στο σχεδιαστικό πρόγραμμα Catia-v5. Συγκεκριμένα, προβάλλονται αναλυτικά τα βασικότερα μέρη της κατασκευής και τα τμήματα που συναρμολογήθηκαν ώστε να δημιουργηθεί η διάταξη.Tέλος, παρουσιάζονται οι σύνδεσμοι που επιτρέπουν την κίνηση του ιχνηλάτη και οι βαθμοί ελευθερίας που περιορίζονται από τον καθένα. Στο κεφάλαιο 3 αρχικά παρουσιάζονται οι μεθοδολογίες υπολογισμού των αδρανειακών φορτίων της ίδιας της κατασκευής, των αδρανειακών φορτίων των φ/β πλαισίων, των φορτίων χιονιού και των φορτίων ανέμου βάσει του Ευρωκώδικα 1. Έπειτα, παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού των δυναμικών φορτίων ανέμου που επιδρούν στην κατασκευή και ύστερα προβάλλονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Τέλος, γίνεται μια αναφορά στις ιδιότητες και στην μηχανική συμπεριφορά των υλικών από τα οποία αποτελείται η κατασκευή του tracker. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια σύντομη αναφορά στην θεωρία και στους τύπους των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούνται στην μοντελοποίηση του ιχνηλάτη. Και εν συνεχεία παρουσιάζονται διεξοδικά οι διαδικασίες μοντελοποίησης όλης της κατασκευής αλλά και τμημάτων της με στοιχεία δοκού, στοιχεία κελύφους και στοιχεία όγκου. Το κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την διαδικασία υπολογισμού της ζωής σε κόπωση που ακολουθεί η υπορουτίνα του Msc.Fatigue στο πρόγραμμα των πεπερασμένων στοιχείων. Τέλος στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζονται οι αναλύσεις που έγιναν ώστε να βρεθούν οι δυσμενέστερες καταστάσεις της κατασκευής αλλά και τα αντίστοιχα αποτελέσματα. / Current study deals with the static analysis of the double-axis solar tracker structure and the fatigue analysis of it, using finite elements techniques. The design of structure is done in the Catia V5 design software, the static loads are calculated according to Eurocode 1 Standard , the dynamic wind loads are calculated according to Kaimal Spectrum which is used to model dynamic loads in Sign structures while the analyses are carried out in the Msc. Patran-Nastran Finite Element Analysis program. The study consists of seven (7) parts and the last one refers to conclusions. In the first section, the types of PV panel support and the basic parameters of solar energy and of solar track are mentioned. Finally, the two basic solar angles such as azimuth and zenith are calculated during a year period with the purpose of determination of tracker motion. In section two, the way the sun tracker has been designed in Catia V5 is analyzed. Specifically, the main parts of steel structure and the parts that were assembled so that the order be created are presented. Finally, the connections of two main subparts of structure, which allow the movement of structure, and the degrees of freedom, which are constrained by each one, are presented. In section 3, firstly, the calculation methodology of inertial loads of the structure and of the PV panels and the calculation methodology of snow and wind loads are presented in according to Eurocode 1 Standard. Then, the calculation method of dynamic wind loads, which affect the construction, and the results of calculations are presented. In the end of this section, a report of material properties and behavior, which are used in the tracker structure, is presented. In addition, in section 4, the theory and the types of finite elements, which are used in the structure modeling, are presented. Subsequently, the procedures of structure modeling with beam, shell and 3-d finite elements are analytically presented. In section 5, the background of total-life calculation that is used by the subroutine of Msc.Fatigue in Finite Element Analysis program Msc. Patran-Nastran is reviewed. In section 6, the static and fatigue analyses, which are carried out in order to find the unfavorable load situations of structure and analyses results, are presented.

L’alliage de Nitrure de Gallium et d’Indium (InGaN) est devenu au cours des dernières années un semi-conducteur important pour la réalisation de composants optoélectroniques, du fait de sa bande interdite modulable en fonction de la composition d’indium, entre 0.7 eV à 3.4 eV. Ceci permet l’absorption d’une grande partie du spectre solaire et fait de l’alliage InGaN un excellent candidat pour la réalisation de cellules solaires multijonctions à très haut rendement. Ce travail de thèse a permis une investigation approfondie sur les performances de différentes structures de cellules solaire à base d’InGaN. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet visant à associer des méthodes d’optimisation mathématique multivariée à une démarche rigoureuse de simulation s’appuyant autant que possible sur des modèles et résultats expérimentaux. Il s’agit d’une nouvelle approche qui permet d’étudier les performances des cellules solaires en optimisant simultanément plusieurs paramètres (physiques et géométriques) de la cellule solaire. Nous avons étudié pour cette thèse, différentes structures de cellules solaires à simple jonction, notamment de nouvelles structures sans couche P et avons fait également l’étude d’une structure complexe à double jonction. Ces études nous ont permis d’évaluer les performances optimales que pourraient avoir les cellules à base d’InGaN et seront importantes pour la conception et l’élaboration future de cellules solaires InGaN à haut rendement / In recent years, Gallium Indium Nitride (InGaN) alloy has become a semiconductor of choice for the realization of optoelectronic devices, because of its wide spectral coverage, with a bandgap that can be modulated, by changing the indium composition, between 0.7 eV and 3.4 eV. This allows the absorption of a large part of the solar spectrumand makes the InGaN alloy an excellent candidate for the realization of high efficiency multi-junction solar cells. This thesis work led to a further investigation into the performance of different InGaN-based solar cell structures. It is part of a project aiming to associate mathematical optimization methods with a rigorous simulation process based as much as possible on models and experimental results. This is a new optimization approach that optimizes the performance of solar cells by simultaneously optimizing several parameters (physical and geometrical) of the solar cell. We have studied for this thesis, different structures of single junction solar cells, including new structures without P layer and we have also studied a complex structure with double junction. These studies allowed us to evaluate the optimal performance that InGaN-based solar cells can achieve for their design and future development

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται οι υπερτάσεις ενός φωτοβολταϊκού πάρκου που βρίσκεται στην Πάτρα οι οποίες προκαλούνται από πλήγματα κεραυνών. Στην εργασία χρησιμοποιείται το λογισμικό EMTP-ATP όπου στην εξομοίωση συμπεριλαμβάνεται το πλέγμα γείωσης αλλά και οι βάσεις στήριξης μαζί με το συλλεκτήριο σύστημα. Ειδικότερα, η εργασία μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: Στο 1ο κεφάλαιο περιγράφεται η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών. Παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά τους. Αρχικά περιγράφεται η Φ/Β κυψέλη και οι τύποι βιομηχανικής κατασκευής τους. Ακολούθως αναφέρεται η αρχή λειτουργίας του Φ/Β φαινομένου και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των Φ/Β κυψελίδων. Επίσης αναφέρονται οι κατηγορίες των Φ/Β συστημάτων και η δομή τους. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται λόγος στο φαινόμενο του κεραυνού. Αρχικά αναφέρονται τρία φαινόμενα που προκαλούν τα ηλεκτρικά φορτία στα νέφη και έπειτα τα είδη κεραυνικών εκκενώσεων. Παραθέτονται κάποια είδη κρουστικών υπερτάσεων από ατμοσφαιρικές υπερτάσεις κεραυνών και τα κύρια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους. Τέλος, περιγράφεται ο κεραυνός σύμφωνα με τον κανονισμό IEC και επισυνάπτονται οι επιπτώσεις του που αφορούν υπερθερμάνσεις, μηχανικές καταπονήσεις και ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζονται η μελέτη και ο σχεδιασμός συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Η μελέτη περιέχει τις στάθμες προστασίας και τις μεταβλητές τις οποίες την καθορίζουν. Μετέπειτα υποδεικνύεται ο τρόπος επιλογής της στάθμης. Στον σχεδιασμό αναφέρονται οι ζώνες αντικεραυνικής προστασίας και τέλος περιγράφεται η εξωτερική και η εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας. Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας σε Φ/Β πάρκο στην Πάτρα. Περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του επικείμενου Φ/Β πάρκου, η μελέτη και ο σχεδιασμός της αντικεραυνικής προστασίας του. Στο 5ο και τελευταίο κεφάλαιο, γίνεται η επιλογή του μοντέλου βάσεων στήριξης, πλέγματος γείωσης και κατακόρυφων ραβδών όπου και υπολογίζονται οι παράμετροι τους. Ακολούθως, γίνεται η εισαγωγή τους στο πρόγραμμα εξομοίωσης EMTP-ATP όπου εξετάζονται τρία διαφορετικά κυκλώματα. Το 1ο περιέχει μόνο το πλέγμα γείωσης συνδεδεμένο με τη βάση στήριξης αλλά και τους αγωγούς του συλλεκτηρίου συστήματος. Το 2ο περιέχει επιπρόσθετα από το πρώτο και ράβδους γείωσης των 2m (μία σε κάθε κόμβο του πλέγματος γείωσης όπου συνδέεται το συλλεκτήριο σύστημα) και το 3ο επιπρόσθετα από το δεύτερο ακόμα μία ράβδο γείωσης σε κάθε κόμβο του πλέγματος που συνδέεται το συλλεκτήριο σύστημα. Παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις και τα αποτελέσματα και των τριών κυκλωμάτων. Τέλος, εξάγονται τα συμπεράσματα, όσον αφορά τις τάσεις που αναπτύσσονται στους προς μελέτη κόμβους. / The present thesis studies the overvoltages of a solar park located in Patra caused by lightning strikes. In this work the EMTP-ATP software is used where the emulation includes the grounding grid and the support bases with the collector system. In particular, the paper can be summarized as follows: The 1st chapter describes the technology of photovoltaics and their characteristics are presented. Initially the PV cell and its industrial types are described. Then the principle of operation of PV phenomenon follows as well as the electrical characteristics of PV cells. The categories of PV systems and their structure are also listed. The 2nd chapter refers to the phenomenon of lightning. Originally referred to the three phenomenons that cause the electrical loads in the clouds and then sorts of lightning evacuations. Some types of impulse overvoltages from lightning atmospheric overvoltages and their main electrical characteristics are listed. Finally, the lightning in accordance with regulation IEC is described and the effects related to overheating, mechanical stresses and electromagnetic phenomenons are attached. The 3rd chapter presents the study and design of lightning protection systems. The study contains protection levels and variables which determine it. Later on, the way of choice of the level is indicated. In designing the lightning protection zones are refferred and finally the external and internal lightning protection installation are described. In the 4th chapter the lightning protection in a PV park in Patra is installed. It describes the features of the forthcoming PV park the study and design of lightning protection. In the 5th and last chapter, the choice of the model of support bases, grounding grid and vertical bars is been made where their parameters are calculated. Subsequently, by using the EMTP-ATP simulation programme three different circuits are examined. The first only contains the grounding grid connected to the base support but also, it contains the pipelines of the collector system. The 2nd contains in addition to the first grounding rods of 2 m (one on each node of the grounding grid where the collector system is connected) and the 3rd in addition to the first two grounding rods once on each node in the grid where the collector system is connected. The graphs and the results of all three circuits are presented. Finally, the conclusions are drawn, regarding the trends developed in to study nodes.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) που προορίζεται για τη σύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά, παρουσιάζονται, συνοπτικά, πληροφορίες για τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία και για τους τρόπους διασύνδεσής τους με την κατανάλωση ή το δίκτυο. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον αντιστροφέα της διπλωματικής εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται ένας διαφορικός αντιστροφέας τύπου boost, ένα χαρακτηρισμό που τον οφείλει στην δυνατότητα, να επιτευχθεί μέσω αυτού εναλλασσόμενη τάση εξόδου με ενεργό τιμή μεγαλύτερη της συνεχούς τάσης εισόδου. Ο μετατροπέας αυτός αποτελείται στην ουσία από δύο επιμέρους μετατροπείς dc-dc τύπου boost, με τη συνδυασμένη λειτουργία των οποίων επιτυγχάνεται η επιθυμητή μετατροπή. Η ονομαστική ισχύς για την οποία πραγματοποιείται ο σχεδιασμός του μετατροπέα είναι ίση με 250W. Με δεδομένα τα μεγέθη ρευμάτων και τάσεων, καθώς και των κυματώσεων στα ρεύματα των πηνίων και στις τάσεις των πυκνωτών, υπολογίστηκαν οι τιμές των στοιχείων, βάσει των οποίων έγιναν οι προσομοιώσεις. Κατόπιν, δοκιμάστηκαν σε προσομοίωση διάφορες μορφές ελέγχου του αντιστροφέα, με μόνη ικανοποιητική αυτή του έλεγχου με ολίσθηση στο πεδίο καταστάσεων. Αυτός ήταν και ο έλεγχος που τελικά επιλέχθηκε για τη διάταξη που μελετήθηκε, γι’ αυτό και γίνεται αναλυτική περιγραφή του ελέγχου αυτού. Λόγω των απαιτήσεών του αποφασίστηκε ο έλεγχος να υλοποιηθεί χωρίς χρήση μικροελεγκτή, αλλά με χρήση αποκλειστικά ολοκληρωμένων αναλογικών κυκλωμάτων. Ακολουθεί η περιγραφή της διαδικασίας σχεδίασης και κατασκευής του μετατροπέα που έγινε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και παρουσιάζονται τα επιμέρους στοιχεία και οι συνδεσμολογίες που χρησιμοποιήθηκαν. Τέλος, περιγράφονται τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν και παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν, αποδεικνύοντας την ορθή λειτουργία της διάταξης. Επίσης, εξάγονται τα ανάλογα συμπεράσματα. / In this diploma thesis, a Power Inverter in order to connect an Alternating Current-Photovoltaic (AC-PV module) to the low voltage grid is analyzed, designed and manufactured. The work was carried out in the Laboratory of Electrical and Mechanical Energy Conversion at the Department of Electrical and Computer Engineering of the Polytechnic School, University of Patras, Greece. At first, some data and information concerning the photovoltaic technology are presented as well as the connection modes of a PV system or module. Secondly, the operation and structure of the inverter is described. Specifically, a differential output boost inverter is examined, the title of which is derived from its ability to produce an output voltage larger than the input voltage. In fact, this converter consists of two boost dc-dc converters, the combined operation of which achieves the desirable operation of the inverter. The nominal power of the inverter is chosen to be equal to 250W. Depending on the expected values of the currents and voltages, as well as on the ripple voltages of the capacitors and the ripple currents of the inductors, the component values were calculated. The following step was to simulate the operation of the converter under different control techniques. The only control method with satisfying results which was eventually applied to the inverter was the sliding mode control, so it is extensively described. Due to its requirements, this control technique was implemented without using a microcontroller, but only using analog integrated circuits. The design and implementation of the inverter is then described along with the selected components and some individual circuits. Finally, the results of the conducted experiments are presented, the good operation of the setup is confirmed and the related conclusions are derived.

Σκοπός της διπλωματική αυτής εργασίας είναι η παραμετρική διερεύνηση ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος. Η διερεύνηση αυτή γίνεται για έξι πόλης της Βορείου Ελλάδος με στόχο την εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων σχετικά με τον σχεδιασμό αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων. Πριν προχωρήσουμε στην παραμετρική διερεύνηση, θεωρήθηκε σκόπιμο να μελετήσουμε θεωρητικά τα κυριότερα μέρη ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Αρχικά, παρατίθεται μια σύντομη Εισαγωγή στην οποία παρουσιάζεται το ενεργειακό, ενώ τονίζεται η σημασία της ανάπτυξης και βελτίωσης ηλεκτροπαραγωγικών μεθόδων βασιζόμενες στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Στο κεφάλαιο 1, αναλύεται η αρχή λειτουργίας των ηλιακών κυττάρων. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στην εξίσωση, την I-V χαρακτηριστική και την απόδοση των Φ/Β κυττάρων, ενώ αναφέρονται και τα κυριότερα είδη αυτών. Στο κεφάλαιο 2, αναφερόμαστε στα κύρια δομικά χαρακτηριστικά μιας Φ/Β συστοιχίας, καθώς και στα προβλήματα που αυτή αντιμετωπίζει και την επίλυση αυτών. Στο κεφάλαιο 3 παρατίθεται η αρχή λειτουργίας καθώς και η δομή των δευτερευόντων συσσωρευτών. Επίσης, ειδική αναφορά γίνεται στους συσσωρευτές Νικελίου-Καδμίου. Στο κεφάλαιο 4, αναπτύσσεται το μοντέλο το οποίο χρησιμοποιούμε για να μετατρέψουμε τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια σε αντίστοιχες τιμές σε κεκλιμένη επιφάνεια. Στο κεφάλαιο 5, χρησιμοποιούμε το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 4 για τον υπολογισμό τιμών της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένη επιφάνεια, για τις έξι υπό μελέτη πόλεις, χρησιμοποιώντας ως τιμές εισόδου τις τιμές που παρατίθενται στον πίνακα Α.1 (Παράρτημα). Οι τιμές που υπολογίζουμε στο κεφάλαιο αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σχεδιασμό Φ/Β συστημάτων συνδεδεμένων με το δίκτυο. Στο κεφάλαιο 6, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία υπολογισμού αυτόνομων Φ/Β συστημάτων. Στα κεφάλαια 7 και 8, χρησιμοποιούμε την μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο για να προσομοιώσουμε την λειτουργία ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος για ετήσια και καλοκαιρινή λειτουργία αντίστοιχα. Μάλιστα, στο κεφάλαιο 8 χρησιμοποιούμε και μια παραλλαγή της βασικής μεθόδου για τη μελέτη της καλοκαιρινής περιόδου λειτουργίας του Φ/Β συστήματος. Τέλος, στον επίλογο γίνεται μια συνολική αποτίμηση όσων έγιναν στην διπλωματική αυτή εργασία και παρατίθενται κάποια γενικά συμπεράσματα. / This thesis deals with the parametric study of a Stand Alone Photovoltaic System. This study is being conducted in six cities of Northern Greece, for the purpose of extracting general guidelines regarding the design of stand-alone PV systems. Before we proceed with the study, it is considered useful to study theoretically the main parts of a stand-alone PV system. We start off with a short introduction in which the global energy problem is being described. Emphasis is also given to the importance of developing energy production methods based on Renewable Energy Sources. Chapter 1 deals with the working principle of solar cells. Furthermore, we also investigate the equivalent circuit model, the I-V curve and the efficiency of solar cells. Finally, the primary types of solar cells are being demonstrated. In chapter 2 we study the main parts of a PV array. We also refer to the problems that a PV array faces during its operation, as well as the possible solutions of these problems. In chapter 3 we refer to the working principles and to the structure of batteries. In particular, we study Nickel-Cadmium batteries. In chapter 4, the model that is used in order to convert solar radiation values, taken in horizontal surface, to corresponding values taken in inclined surface, is being described. In chapter 5, we use the model described in chapter 4 in order to calculate values of solar radiation in inclined surface, for the six cities in which this study takes place. The data based on which we calculate the above values are being demonstrated in table A.1 (appendix A). The values calculated in this chapter can be used in the design of a grid connected PV system. In chapter 6, a methodology used in designing a stand-alone PV system is being described. In chapters 7 and 8, we use the above methodology in order to simulate the operation of a stand-alone PV system during annual and summer working periods correspondingly. In chapter 8 we also use a slight alteration of the above methodology in order to study the operation of a stand-alone PV system, during a summer working period even further. Finally, an overall valuation of this thesis is made in the epilogue. Furthermore, some overall conclusions are being presented.

H παρούσα διπλωματική εργασία μελέτα τις τεχνικές ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Point Tracking, MPPT) φωτοβολταϊκής συστοιχίας και την προσομοίωση μιας εξ αυτών (Διαταραχής και Παρατήρησης, P&O) για μεταβαλλόμενη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και μεταβαλλόμενο φορτίο. Η προσομοίωση έγινε με το πρόγραμμα MATLAB/SIMULINK. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις μορφές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα και οι οποίες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τις συμβατικές και τις ανανεώσιμες. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η φωτοβολταϊκή τεχνολογία, παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και οι ενεργειακές καταστάσεις του φωτοβολταϊκού στοιχείου και δίνεται ο ορισμός του Σημείου Μέγιστης Ισχύος (Maximun Power Point, MPP), του Συντελεστή Πλήρωσης (Fill Factor, FF) και του Συντελεστή Απόδοσης (Performance Ratio, PR). Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση των μετατροπέων DC/DC διακοπτικού τρόπου λειτουργίας που χρησιμοποιούνται στα συστήματα MPPT και αναλύονται οι βασικές τοπολογίες τους. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στους μονοφασικούς αντιστροφείς και αναλύεται η ημιτονοειδή PWM τεχνική ελέγχου των αντιστροφέων. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση των σημαντικότερων τεχνικών MPPT. Η κάθε τεχνική έχει ως στόχο την συνεχή ταύτιση του σημείου λειτουργίας με το εκάστοτε σημείο μέγιστης ισχύος. Αναφέρονται τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου ξεχωριστά, δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στην τεχνική «Διαταραχής και Παρατήρησης» (P&O) που θεωρείται η πιο διαδεδομένη και εύχρηστη λόγω της απλότητας στην υλοποίησή της. Στο έκτο κεφάλαιο αναλύεται ξεχωριστά ο τρόπος που υλοποιήθηκε το κάθε υποσύστημα που συνθέτει το συνολικό υπό εξέταση σύστημα και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του συστήματος. Τέλος οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι ο αλγόριθμος επιτυγχάνει την απορρόφηση της διαθέσιμης ισχύος της φωτοβολταϊκής λειτουργίας αλλά παρουσιάζει δυσλειτουργία κάτω από μεταβολές της ακτινοβολίας. / This diploma thesis examines the Maximum Power Point Tracking (MPPT) techniques for photovoltaic array and the simulation one of them (Perturb and Observe, P&O) for changing level of solar irradiation and changing load. Simulation was made with MATLAB/SIMULINK. Τhe first chapter is an introduction to the types of energy used today and which are divided into two categories, conventional and renewable. The second chapter analyzes the photovoltaic technology, presents the electrical characteristics and the energy states of the photovoltaic element and we define the Maximun Power Point (MPP), the Fill Factor (FF) and Performance Ratio (PR). The third chapter is a presentation of switch mode DC / DC converters used in MPPT systems and analyze the basic topologies. The fourth chapter deals with single-phase inverters and analyzed the sinusoidal PWM control technique of inverters. In the fifth chapter we present the most important technical MPPT. We indicate the main advantages and disadvantages of each method separately, paying special attention to the technique “Perturb and Observe” (P&O), which is considered the most popular and easy to use because of its simplicity in implementation. The sixth chapter the simulation of the whole MPPT system is discussed. We present the modeling of each system separately and we show the results. Finally the study comes to conclusion that the algorithm achieves the enhancement of the available power of the photovoltaic array but it has erratic behaviour under changes of irradiation.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και κατασκευή ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, το οποίο περιλαμβάνει αντλία. Ταυτόχρονα διενεργείται μελέτη ώστε το σύστημα να λειτουργεί στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η οδήγηση αντλίας χαμηλής ισχύος από φωτοβολταϊκό σύστημα, αξιοποιώντας όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά την διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία. Για να συμβεί αυτό παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο στοιχείων μετατροπέας συνεχούς τάσης. Παράλληλα υλοποιείται κύκλωμα ελέγχου, ικανό να οδηγήσει το σύστημα στο μέγιστο σημείο ισχύος μέσω μεταβολής του λόγου κατάτμησης του μετατροπέα. Αρχικά αναλύεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Σαν αποτέλεσμα αυτής της ανάλυσης προκύπτει το ηλεκτρικό ισοδύναμο ενός φωτοβολταϊκού πίνακα, ο οποίος αποτελεί την πηγή ισχύος του συστήματος. Αναπτύσσεται το αντίστοιχο μοντέλο σε προγραμματιστικό περιβάλλον, το οποίο προσαρμόζεται ώστε τα χαρακτηριστικά του να αναπαριστούν πραγματικό πίνακα. Στη συνέχεια διερευνάται ο τρόπος που αλληλεπιδρά η πηγή ισχύος όταν συνδέεται σε φορτίο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα επιλέγεται το είδος του μετατροπέα που θα χρησιμοποιηθεί. Ακολουθεί η διαστασιολόγηση του μετατροπέα και η μοντελοποίηση του. Το επόμενο βήμα αποτελείται από την ανάλυση του κυκλώματος ελέγχου του συστήματος καθώς και τη μοντελοποίηση μηχανής συνεχούς ρεύματος συνδεδεμένη ως αντλία. Κατόπιν συνδέονται όλα τα μοντέλα και εξετάζεται η συνολική συμπεριφορά του συστήματος σε περιβάλλον SIMULINK. Τέλος κατασκευάζονται ο μετατροπέας και το κύκλωμα ελέγχου και αξιολογείται η συμπεριφορά τους βάσει πειράματος σε εργαστηριακές συνθήκες. / --