Σκοπός της παρούσης διπλωματικής είναι η σύγκριση της απόδοσης και του κόστους μιας τυπικής αυτόνομης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε παραδοσιακή κατοικία χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου ή δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CIS) τεχνολογίας thin – film . Για την εξαγωγή συμπερασμάτων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε φωτοβολταϊκά πλαίσια των παραπάνω τεχνολογιών κατά την διάρκεια ενός έτους. Οι μετρήσεις ξεκίνησαν τον Οκτώβριο του 2009 και τελείωσαν τον Σεπτέμβριο του 2010. Έλαβαν χώρα στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Κατά μέσο όρο γίνονταν μετρήσεις δύο φορές κάθε μήνα και σκοπός ήταν να καλύψουμε τουλάχιστον μία περίπτωση συννεφιασμένης και μία ηλιόλουστης ημέρας του μήνα ώστε να έχουμε αρκετά δεδομένα προς επεξεργασία . Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν προς το Νότο όπου, λόγω του ότι η Ελλάδα βρίσκεται στο Βόρειο ημισφαίριο, έχουμε περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Διεξήχθησαν μετρήσεις σε διαφορετικές κλίσεις και για τα δύο φωτοβολταϊκά πλαίσια ώστε να υπολογιστεί και η βέλτιστη κλίση για κάθε εποχή . Στις μετρήσεις τα δεδομένα που λαμβάναμε ήταν η μέγιστη ισχύς, το ρεύμα βραχυκύκλωσης, η τάση ανοιχτοκυκλώσεως, η θερμοκρασία πλαισίου, καθώς και η ηλιακή ακτινοβολία. Με αυτά τα δεδομένα υπολογίσαμε τον βαθμό απόδοσης και τον συντελεστή ποιότητας για το κάθε φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε αναφέρουν την βέλτιστη κλίση για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πλαισίων για βέλτιστη ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έγιναν παρατηρήσεις σχετικά με την διαφορά των πειραματικών τιμών που πήραμε, με τις θεωρητικές που δίνουν οι κατασκευαστές για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Συγκρίναμε το κόστος και την απόδοση μιας εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων σε παραδοσιακή κατοικία με τους δύο τύπους φωτοβολταϊκών λαμβάνοντας υπόψη και ειδικές παραμέτρους της εγκατάστασης που μπορεί να αποτελούν πρόβλημα (π.χ. επάρκεια χώρου, μέγεθος εγκατάστασης) και προτείναμε λύσεις για εξοικονόμηση ενέργειας σε μια τέτοια κατοικία. / The objective of this diploma thesis is to calculate and compare the efficiency and the cost of a typical photovoltaic installation on a traditional house using photovoltaic modules based on monocrystalline silicon or CIS thin film modules. In order to provide helpful information to PV system installers extensive outdoor testing of a c-Si and a CIS module under varying meteorological conditions have been realized throughout a whole year. The measurements started in October of 2009 and finished in September of 2010. The modules where installed on the roof of the building of the Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras, Greece (latitude 38ο). We have realized an average of two measurements per month in order to cover at least one sunny and one cloudy day each month until the data was enough for processing. The orientation of the modules was south since Greece is a country of the northern hemisphere and we had more solar radiation there. We have realized measurements in different tilt angles for both modules in order to define the optimal tilt angle for each season. During the measurements the data we have received was the peak power, the short circuit current, the open circuit voltage, the module temperature and the solar radiation. Based on the gathered data we have calculated the fill factor and the efficiency for each module. The conclusions show the optimal tilt angle of the modules for optimal energy yield per year. Comparison have been made between the experimental and the theoretical values given by the manufacturers of the modules. We have also compared the cost and the efficiency of a typical photovoltaic installation on a traditional house using the two different types of modules and we suggested solutions for less energy consumption.

Η φωτοβολταϊκή ενέργεια έχει τεράστια σημασία για το μέλλον της κοινωνίας μας, ιδιαίτερα από περιβαλλοντική και οικονομική άποψη, ενώ αξιοποιείται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές. Στην παρούσα εργασία, θα ασχοληθούμε με μία απ’ αυτές, στην οποία η φ/β ενέργεια χρησιμοποιείται για άντληση νερού. Το σύστημα, που θα μελετήσουμε, αποτελείται από μία φ/β συστοιχία, συνδεδεμένη απ’ ευθείας με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ο οποίος συνδέεται μηχανικά με μια αντλία, η οποία λειτουργεί σε πραγματικές συνθήκες. Η συγκεκριμένη τοπολογία σύνδεσης της συστοιχίας με έναν κινητήρα – φορτίο είναι γνωστή ως τοπολογία “direct coupling”. Αφού αναλύσουμε τη λειτουργία κάθε στοιχείου του συστήματος ξεχωριστά, στη συνέχεια διερευνούμε θεωρητικά και πειραματικά τα χαρακτηριστικά του ιδανικού φορτίου για μια φ/β γεννήτρια, καθώς και τους όρους προσαρμογής του σ’ αυτή, και διατυπώνουμε λύσεις για βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος, με στόχο την επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης. / Photovoltaic energy is crucially important for the future of our society, regarding environmental and financial issues, while is being utilized in a growing number of applications. This essay is about one of them, in which PV energy is used for water pumping. We are going to study a system, which consists of a PV solar array, supplying a DC motor, coupled with a water pump, while the pump is operating in real conditions. This specific topology is also known as “direct coupling”. After we analyze the function of each component alone, we focus on the characteristics, an ideal load must have, in order to have an efficient adaptation on the PV generator, through a theoretical and experimental approach on the system. Finally we try to formulate specific engineering rules for an optimal adjustment of the system parameters, aiming for high system efficiency.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη και την κατασκευή μιας νέας τοπολογίας για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η διάταξη που επιλέχτηκε αποτελεί το πρώτο στάδιο ενός μετατροπέα δύο βαθμίδων που χρησιμοποιείται για την αντιστροφή της τάσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου και τη σύνδεση αυτού με το δίκτυο. Η βασική λειτουργία της διάταξης είναι η ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης εισόδου στα επίπεδα των 400 V. Η επιλογή της τοπολογίας στηρίχτηκε στον απλό σχεδιασμό, το υψηλό κέρδος τάσης και την ύπαρξη ενός μόνο διακοπτικού στοιχείου. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι ένας μετατροπέας Boost σε συνδυασμό με ένα μετατροπέα Flyback με δυο δευτερεύοντα τυλίγματα. Πιο συγκεκριμένα, το πηνίο του μετατροπέα Boost αντικαθίσταται από το πρωτεύον τύλιγμα του Μ/Σ Flyback, ενώ τα δύο δευτερεύοντα μεταφέρουν τη μαγνητική ενέργεια στην έξοδο με σκοπό την επιπλέον ενίσχυση της τάσης εξόδου που προσφέρει ο Boost. Η κατασκευή του μετατροπέα και του κυκλώματος ελέγχου πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τη θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματός μας. Ο μετατροπέας επιτυγχάνει υψηλά κέρδη τάσης (μέχρι και 20 φορές), ενώ ο βαθμός απόδοσης κρίνεται αρκετά ικανοποιητικός για επίπεδα ισχύος μέχρι 150 W, αφού μετρήθηκε πάνω από 85%. Ως προέκταση της κατασκευής, θα μπορούσε να υλοποιηθεί βρόχος ανάδρασης με σκοπό τη σταθεροποίηση της τάσης εξόδου στα 400 V καθώς και M.P.P.T. έλεγχος για τη βέλτιστης λειτουργίας της Φ/Β γεννήτριας εισόδου. / --

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με τη μελέτη ενός υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήματος για την τροφοδότηση κατοικίας 150 τ.μ. Το φωτοβολταϊκό αυτό σύστημα διαθέτει επίσης συσσωρευτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και εφεδρική πηγή ενέργειας. Την εφεδρική πηγή ενέργειας θα αποτελέσει μια ντιζελογεννήτρια, η οποία και θα αναλάβει να καλύπτει πιθανές αιχμές φορτίου όταν αυτές εμφανίζονται στο σύστημα αλλά και να φορτίζει τους συσσωρευτές. Πιο συγκεκριμένα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά σε όλες τις πηγές ενέργειας, συμβατικές και ανανεώσιμες, προκειμένου να καταλήξουμε στην ηλιακή ενέργεια την οποία και εκμεταλλεύονται τα φ/β συστήματα. Πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα, κατηγορίες και εφαρμογές φ/β συστημάτων περιλαμβάνονται στο κεφάλαιο αυτό. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται λόγος για την ηλιακή ακτινοβολία, τη διακύμανσή της αλλά και για τους ηλιακούς συλλέκτες. Ο προσανατολισμός και η βέλτιστη κλίση των ηλιακών συλλεκτών θα μας απασχολήσει στο κεφάλαιο αυτό. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 3 περιλαμβάνεται η θεωρία για το φ/β φαινόμενο και τα φ/β στοιχεία. Υλικά και τεχνολογίες φ/β στοιχείων αλλά και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τόσο των στοιχείων όσο και των πλαισίων αναφέρονται εδώ. Το τέταρτο κεφάλαιο πραγματεύεται τους συσσωρευτές που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Αναλυτικά εδώ θα δούμε τη δομή, την αρχή λειτουργίας, τις κατηγορίες, τους τύπους και όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη που περιγράφουν ένα συσσωρευτή. Ακολουθεί το κεφάλαιο 5 με τα ηλεκτρονικά των φ/β συστημάτων δηλαδή τον ανιχνευτή μέγιστου σημείου ισχύος, το μετατροπέα DC-AC και τον ελεγκτή φόρτισης. Το θεωρητικό κομμάτι της εργασίας τελειώνει με το κεφάλαιο 6 στο οποίο γίνεται μια σύντομη αναφορά στη ντιζελογεννήτρια και τη λειτουργία αυτής κατά την ενσωμάτωση της στο φ/β σύστημα που μελετάμε. Η μελέτη του υβριδικού φ/β συστήματος με Η/Ζ δηλαδή με ντιζελογεννήτρια για την τροφοδότηση κατοικίας 150 τ.μ. γίνεται στο κεφάλαιο 7. Η μελέτη χωρίζεται σε τρία κύρια κομμάτια, στον υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης της κατοικίας, στον υπολογισμό του συστήματος που θα χρησιμοποιηθεί και στον τρόπο με τον οποίο θα καταμερισθεί η ισχύς ζήτησης. Τέλος ακολουθεί ο επίλογος με τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη μελέτη μας. / The aim of this project is the study of a stand alone photovoltaic system which is used in order to supply a 150 square meters house. This photovoltaic system includes also batteries which store electrical energy and an additional energy source. As an additional energy source will be used a diesel generator which will both covers possible peaks of storage and loads batteries. To be more specific: In chapter 1 are reported all sources of energy both conventional and renewable in order to result in solar energy which is be exploited by the PV systems. Advantages, disadvantages, categories and applications of PV systems are included in this chapter. In chapter 2 solar radiation, distribution of solar radiation, solar cells, their optional inclination and orientation are presented. Chapter 3 that follows includes theory about PV phenomenon and PV cells. Material and technologies of PV cells in additional to electrical characteristics of cells and modules are also referred here. Chapter 4 is referred to batteries which are used to store electrical energy. Structure, function, categories, types and all characteristics that describe batteries are also presented. Chapter 5 follows with the electronics of PV systems, shunt controllers, series controllers, MPP charge controller and inverter DC- AC. Theory ends with chapter 6 in which there is a reference to diesel generator and its function in PV systems. The study of a hybrid PV diesel system in order to supply a 150 square meters house is presented in chapter 7. This study is separated to 3 parts, estimation of energy consumption, estimation of the system that will be finally used and the way that the demand of electrical energy will be apportioned. The project ends with all the conclusions that are resulted from this study.

Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι να εξεταστεί η ποιότητα ισχύος ενός μονοφασικού φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Αρχικά αναλύονται οι βασικές μονάδες από τις οποίες αποτελείται το φωτοβολταϊκό σύστημα και στη συνέχεια ακολουθεί ο σχεδιασμός και η εξομοίωσή του χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή σχετικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την ανάγκη χρησιμοποίησης τους και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα, σε σχέση με τις υπόλοιπες πηγές που υπάρχουν διαθέσιμες σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ηλιακή ακτινοβολία. Δίνονται στοιχεία για τον ήλιο και το ηλιακό δυναμικό της χώρας μας, ενώ στη συνέχεια εξηγούνται κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Παρουσιάζεται αρχικά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, ενώ στη συνέχεια γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των ηλιακών κυττάρων, καθώς και της ομαδοποίησης αυτών που οδηγεί στη δημιουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων και κατ’ επέκταση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι αντιστροφείς, οι οποίοι συνδέουν τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με το δίκτυο. Αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας τους και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους, δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στην ημιτονοειδή διαμόρφωση πλάτους παλμών που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η μελέτη και ο σχεδιασμός του φωτοβολταϊκού συστήματος. Καθορίζονται τα μεγέθη και τα χαρακτηριστικά των κυριότερων στοιχείων από τα οποία αποτελείται, ενώ γίνεται αναφορά και στις απαιτήσεις, όσον αφορά την ποιότητα ισχύος, για την σύνδεση με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται όλη η διαδικασία εξομοίωσης του φωτοβολταϊκού συστήματος, χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink. Αφού γίνει μία εισαγωγή στο λογισμικό, αναλύεται ο τρόπος δημιουργίας κάθε μέρους από το οποίο αποτελείται το φωτοβολταϊκό σύστημα, δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο το τελικό ολοκληρωμένο μοντέλο εξομοίωσης. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η εξομοίωση και παρουσιάζονται τα αποτελέσματά της. Σε κάθε στάδιο της εξομοίωσης γίνεται μεταβολή κάποιων σημαντικών παραμέτρων του συστήματος, όπως η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, ο DC πυκνωτής, το φίλτρο εξόδου, το φορτίο και το μήκος της γραμμή διανομής, ενώ παρουσιάζονται και τα αποτελέσματα των μεταβολών αυτών, όσον αφορά την ποιότητα ισχύος. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια συμπεράσματα και παρατηρήσεις, με βάση τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. / The purpose of this thesis is to examine the power quality of single-phase grid-connected photovoltaic system. At first, the basic units of which it is consisted are analysed and then, the whole photovoltaic system is designed and simulated using the software MATLAB/Simulink. The first chapter contains an introduction to renewable energy sources, the reason why they are necessary and the advantages of the photovoltaic systems, in comparison to the other renewable energy sources that are available nowadays. The second chapter deals with solar energy. It is referred to the sun and the high solar potential of Greece, while some typical parameters of solar radiation are explained. The third chapter contains an analysis of a photovoltaic generator. The photovoltaic effect is described, while there is also a detailed description of solar cells and how they are grouped in order to form the photovoltaic panel. The fourth chapter focuses on the inverters, which connect the photovoltaic generator to the grid. It includes an analysis of the way they work and their functional parameters, giving more importance to the sine-wave pulse width modulation (PWM), which was mainly implemented on this thesis. The fifth chapter constitutes the study and design of the photovoltaic system. The values and the parameters of the main parts of which it consists are determined. In addition, the necessary requirements of power quality that should be met, in order to establish a grid connection, are mentioned. The sixth chapter describes the simulation procedure of the photovoltaic system, using the software MATLAB/Simulink. It contains an introduction to the software and an analytical description of the way each part of the photovoltaic system was created, in order to form the complete simulation model. The seventh chapter contains the simulation and its results. The simulation includes various stages, on which critical parameters of the photovoltaic system, such as the solar radiation, the DC capacitor, the output filter, the load and the length of distribution line are changed, in order to see how these changes affect the power quality. The eighth chapter includes some comments and conclusions, regarding the results of the simulation.

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την προσομοίωση και την κατασκευή ενός αντιστροφέα για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης της εξόδου ενός φωτοβολταϊκού σε εναλλασσόμενη τάση, ενεργού τιμής και συχνότητας ίδιας με αυτή του δικτύου χαμηλής τάσης. Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας είναι ένας νέος τύπος μετατροπέα που συνδυάζει στοιχεία διάφορων ήδη υπάρχοντων μετατροπέων, όπως του μετατροπέα Boost-Flyback με ένα διακοπτικό στοιχείο και του αντιστροφέα Flyback. Η ιδέα είναι να ανυψώσουμε την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού μέσω του μετατροπέα Boost ανύψωσης τάσης και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί η αντιστροφή της και η περαιτέρω ανύψωσή της μέσω του Flyback. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Από την αναλυτική διερεύνηση της λειτουργίας των δύο μετατροπέων επιλέχθηκε η κατάσταση στην οποία θα λειτουργεί ο αντιστροφέας Boost-Flyback. Προσαρμόζοντας τις ήδη γνωστές εξισώσεις στην περίπτωσή μας εξήχθησαν οι εξισώσεις του αντιστροφέα Boost- Flyback. Με βάση τις εξισώσεις αυτές επιλέχθησαν οι τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιήσαμε αρχικά στις προσομοιώσεις και στη συνέχεια στην κατασκευή της διάταξης. Οι προσομοιώσεις, που έγιναν με το πρόγραμμα PSpice αλλά και η συνολική λειτουργία του προτεινόμενου αντιστροφέα επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη. / -

Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες παρουσιάζουν μια μη γραμμική χαρακτηριστική V-I και ένα σημείο λειτουργίας μέγιστης ισχύος (MPP) τα οποία ποικίλλουν ανάλογα με την ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Αυτή η εργασία παρουσιάζει έναν MPP-tracker βασισμένο στην ασαφή λογική και ένα σχέδιο ενός μονοφασικού inverter συνδεδεμένου στο ηλεκτρικό δίκτυο. Ο ασαφής ελεγκτής (FLC) παρέχει προσαρμοστικότητα στη επίδοση του συστήματος. Λαμβάνει υπόψη του το τρέχον φορτίο, τη θερμοκρασία, την ακτινοβολία, τον άνεμο καθώς και τις πιθανές σκιάσεις που καλύπτουν τα πλαίσια. Παρέχει επίσης άριστα χαρακτηριστικά όπως γρήγορη απόκριση, καλή επίδοση και την δυνατότητα να αλλάζουν οι παράμετροί του προκειμένου να βελτιώνεται ο έλεγχος του συστήματος. Το γεγονός ότι λαμβάνει υπόψη του τις εξωτερικές συνθήκες εξασφαλίζει καλύτερη γνώση της πραγματικής επίδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος και όχι της βέλτιστης επίδοσης που αυτό έχει στις πρότυπες συνθήκες (STC). Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος. / The photovoltaic generators show a non-linear characteristic VI and one maximum power point (MPP) which vary depending on insolation and temperature. This project presents a MPP tracker, based on fuzzy logic, and a plan of an one-phased grid connected inverter. Fuzzy logic controller provides adaptivity at the system’s performance. It takes into consideration current load, temperature, insolation, wind and possible shades covering the panels. It also provides excellent characteristics such as quick response, great performance and the capacity of changing the system parameters in order to improve the system control. The fact that it takes into consideration the external conditions (in vivo as opposed to in vitro-laboratorial conditions) ensures better knowledge of the actual performance of the photovoltaic systems and not the optimum performance the system can score in standard test conditions (STC). The results of this simulation have confirmed the effectiveness of the proposed system.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας σε εγκατεστημένο σε περιοχή της Κύπρου φωτοβολταϊκό πάρκο και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας του, μέσω της εξομοίωσης του με το λογισμικό EMTP-ATP, λαμβάνοντας υπόψη και το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις πηγές ενέργειας και στις συνέπειες που αυτές επιφέρουν στο περιβάλλον. Ακολούθως, γίνεται περιγραφή των ήπιων μορφών ενέργειας και παρουσιάζονται τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Το 2ο κεφάλαιο παρουσιάζει την βασική δομή των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Αρχικά αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης των φωτοβολταϊκών έναντι των υπολοίπων μορφών ενέργειας. Έπειτα, γίνεται η περιγραφή των φωτοβολταϊκών κυττάρων όσον αφορά την αρχή λειτουργίας που στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το ισοδύναμο κύκλωμα του οποίου η ανάλυση ξεκινά με την εξίσωση της διόδου n-p επαφής και την I-V χαρακτηριστική τους. Στη συνέχεια αναλύονται λεπτομερώς οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες, οι μονάδες μετατροπής ισχύος και οι συσσορευτές που αποτελούν τη δομή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Κλείνοντας παρουσιάζονται οι λόγοι που τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρίζουν αντικεραυνικής προστασίας. Εν συνεχεία, στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μέθοδοι προστασίας κατασκευών από τα πλήγματα κεραυνού. Περιγράφεται το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού και αναφέρονται τυπικές τιμές όσον αφορά τα πλήγματα ανά έτος. Η μελέτη αντικεραυνικής προστασίας που αναλύεται στη συνέχεια, περιέχει την αποτίμηση κινδύνου από κεραυνικό πλήγμα και την περιγραφή της στάθμης προστασίας. Αναφέρονται οι μέθοδοι υπολογισμού της συχνότητας άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή μέσω της εύρεσης της μέσης ετήσιας πυκνότητας πλήγματος κεραυνού στο έδαφος και της ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας. Έτσι, περιγράφεται πλήρως η διαδικασία επιλογής του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Το κεφάλαιο συνεχίζει με την σχεδίαση του συστήματος που αποτελείται από την εξωτερική και την εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας. Την εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας αποτελούν ουσιαστικά το συλλεκτήριο σύστημα το οποίο επιλέγεται με τη βοήθεια των μεθόδων της γωνίας προστασίας, της κυλιόμενης σφαίρας ή των βρόχων, οι αγωγοί καθόδου που πρέπει να πληρούν τους κανονισμούς που αναφαίρονται σε αυτούς και το σύστημα γείωσης του οποίου τα είδη και ο τρόπος επιλογής αναλύονται λεπτομερώς. Η εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας επιτυγχάνεται με τις ισοδυναμικές συνδέσεις, την σωστή δρομολόγιση των καλωδίων, την μαγνητική θωράκιση και τις διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων στο εσωτερικό της κατασκευής. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφεται το υπό μελέτη φωτοβολταϊκό πάρκο και υπολογίζονται οι απαραίτητες διαστάσεις για τις ανάγκες της μελέτης αντικεραυνικής προστασίας. Με τις μέθοδους που αναπτύχθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, επιλέγεται κατάλληλη στάθμη προστασίας και ξεκινά η σχεδίαση. Αρχικά, πραγματοποιείται εξωτερική και εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας του κτιρίου ελέγχου. Παρουσιάζονται οι διαστάσεις και διατομές καθώς και ο τρόπος τοποθέτησης του συλλεκτήριου συστήματος, των αγωγών καθόδου και των ηλεκτροδίων γείωσης και στη συνέχεια οι διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων στην ac πλευρά του φωτοβολταϊκού συστήματος. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη της συστοιχίας φωτοβολταϊκών και αφού επιλεγεί η στάθμη προστασίας σχεδιάζονται οι αγωγοί καθόδου και το πλέγμα γείωσης. Παρουσιάζονται οι διαστάσεις, διατομές και το ύψος του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και το κεφάλαιο κλείνει με την εσωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας στην dc πλευρά του συστήματος. Στο 5ο και τελευταίο κεφάλαιο, γίνεται η επιλογή του μοντέλου πλέγματος γείωσης και πραγματοποιείται εξομοίωση. Αναφέρεται η πορεία της τελικής μορφής των σχέσεων και του ισοδύναμου κυκλώματος της κυκλωματικής προσέγγισης ξεκινώντας από το 1980 μέχρι σήμερα και παρουσιάζονται τα βασικά πλεονεκτήματα της έναντι των υπόλοιπων μέθοδων. Με τη βοήθεια των σχέσεων υπολογίζονται όλες οι παράμετροι και περιγράφεται η κυματομορφή του ρεύματος κεραυνού όπως επιβάλλεται από τους κανονισμούς. Ακολούθως, γίνεται η εισαγωγή τους στο πρόγραμμα εξομοίωσης και παρουσιάζονται οι γραφικές και τα αποτελέσματα πάνω σε αυτές. Τέλος, εξάγονται τα συμπεράσματα όσον αφορά τις τάσεις που αναπτύσσονται στους προς μελέτη κόμβους και πως επηρέασαν σε αυτό οι παράμετροι των σχέσεων που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Παράρτημα Α, στο τέλος της εργασίας, παρουσιάζεται η διαδικασία της προσομοίωσης με το λογισμικό EMTP-ATP. Γίνεται παρουσίαση του τρόπου εισαγωγής των στοιχείων και της κυματομορφής του ρεύματος κεραυνού στο πρόγραμμα για την κατασκευή του ισοδύναμου κυκλώματος. Επεξηγείται ο τρόπος επιλογής των εξόδων της προσομοίωσης καθώς επίσης και οι παράμετροι που χρειάζονται για να τρέξει το πρόγραμμα. Στο τέλος, περιγράφεται ο τρόπος εξαγωγής των γραφημάτων στα σημεία του κυκλώματος που ενδιαφέρουν. / The subject of this thesis is to install lightning protection installed in the area of Cyprus photovoltaic park and to study the transient behavior of grounding grid photovoltaic array through the assimilation of the EMTP-ATP software taking into account the phenomenon of ionization soil. The first chapter is referring to the sources of energy and their consequences to the environment. Subsequently, a description is given of renewable energy and a presentation of their key characteristics. The second chapter presents the basic structure of photovoltaic systems. Firstly, the advantages of the use of photovoltaic over other forms of energy are mentioned. Then, a description is given of photovoltaic cells regarding its operating principle which is based on the photovoltaic effect, the equivalent circuit of which the analysis starts with the equation n-p diode contact and the IV characteristic. Later on , the paper analyzes in detail the solar arrays, power conversion units and accumulator which form the structure of a photovoltaic system. At the end, reasons are presented that photovoltaic systems are built so as to be protected from lightning. Then, the third chapter presents the construction methods of protection from lightning strikes. The natural phenomenon of lightning is described and the typical values for the attacks per year are reported. The study of lightning protection which is analyzed later includes the assessment of risk from lightning strike and the description of the level of protection. Reference is given to the methods for calculating the frequency of direct lightning strikes a structure by finding the average annual density of lightning hitting the ground and the equivalent collector surface. Therefore, the selection process on lightning protection is fully described. The chapter continues with the design of the system consisting of external and internal lightning protection installation. External lightning protection installation is essentially comprise of the collector system that is selected using the methods of protection angle, the rolling ball or loop, the conductor which must meet the regulations regarding them and of the grounding system of the species and the method of selection are analyzed in detail. The internal installation of lightning protection is achieved by equivalent connections, the right itinerary cables, magnetic shielding and protections against overvoltage inside the structure. Within the fourth section is been describe the solar farm under study and the necessary dimensions are been calculated for the needs of the study of lightning protection. With the methods developed in the previous chapter, the appropriate level of protection is selected and the design begins. Initially, an external and internal lightning protection installation of building control is accomplished. The dimensions and profiles are presented while how to load the interceptor system, of the conductors and grounding electrodes, and later on the protections against overvoltage on ac side of the photovoltaic system. Then the paper presents the study of solar array and having selected the levels of protection ,conductors are designed and the grounding grid. The dimensions, cross sections and the height of the lightning protection system are mentioned and lastly the chapter mentions the internal installation of lightning protection in the dc side of the system. In the fifth and final chapter, the selection of grounding grid model and simulation is carried out. It is mentioning the course of the final shape of relations and the equivalent circuit of the circuit approach, which starts from 1980 until today while the key advantages over other methods are mentioned as well. By means of the relations, all the parameters are calculated and the lightning current waveform is described as required by the regulations. Next, there are inducted in the program of simulation and graphics and effects regarding them are presented. Finally, drawing conclusions on trends in developed nodes for study and how this affected the relations of parameters used. In Appendix A, at the end of the study, the process of simulation is presented with the software EMTP-ATP. There is an explanation of how the input data and lightning current waveform in the program for the construction of the equivalent circuit. It is been explained how to choose the cost of simulation as well as the parameters needed to run the program. In the end, it is been described how to export the graph points in the circuit of interest.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής είναι η αντικεραυνική προστασία σε κατασκευές που περιέχουν φωτοβολταϊκές διατάξεις και η λήψη κατάλληλων μέτρων προστασίας ώστε το πλήγμα ενός κεραυνού να μην προκαλέσει ανθρώπινες ή οικονομικές και υλικές απώλειες. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε μια εφαρμογή υπολογισμού του κινδύνου μιας κατασκευής. Το περιβάλλον του προγράμματος είναι κατανοητό από τον χρήστη και απαλλαγμένο όσο κατέστη δυνατό από ανάγκη εισαγωγής αριθμητικών παραμέτρων που αφορούν σε τεχνικά χαρακτηριστικά. Το πρόγραμμα δίνει την δυνατότητα επιλογής στον χρήστη γενικών αλλά και ειδικών χαρακτηριστικών της κατασκευής και του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και εκτελεί πράξεις για τον υπολογισμό του κινδύνου με αντιστοίχιση των χαρακτηριστικών αυτών με αριθμητικές τιμές σύμφωνα με το πρότυπο IEC 62305. Το πρώτο μέρος αποτελείται από μια απαραίτητη θεωρητική μελέτη και ορισμένες γενικές πληροφορίες για το φαινόμενο του κεραυνού. Στο δεύτερο μέρος αναλύονται τα χαρακτηριστικά και οι προδιαγραφές που οφείλει να καλύπτει ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας σύμφωνα με το πρότυπο IEC 62305-2 του οργανισμού IEC. Γίνεται ανάλυση όλων των παραγόντων που συντελούν στον υπολογισμό του κινδύνου , το πώς τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας επηρεάζουν τους παράγοντες αυτούς καθώς και μια βήμα προς βήμα μέθοδος για τον υπολογισμό του κινδύνου. Με την ολοκλήρωση της μελέτης και την ανάλυση αυτή δίνονται τα αποτελέσματα περί επάρκειας ή μη του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας . Σε περίπτωση αρνητικού πορίσματος ο εξοικειωμένος με το πρότυπο IEC 62305 χρήστης καλείται να μεταβάλει παραμέτρους του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και να προσθέσει νέα μέτρα προστασίας για την μείωση του κινδύνου σε ανεκτά επίπεδα. Για την λήψη μέτρων προστασίας προσφέρεται κατάλληλος αλγόριθμος ώστε να υπάρχει αποτελεσματική εφαρμογή τους και ικανοποιητική μείωση του κινδύνου. Το τρίτο μέρος περιλαμβάνει μια αναλυτική παρουσίαση του προγράμματος με οδηγίες χρήσης και εξήγηση των βασικών λειτουργιών του. Στο μέρος αυτό ο χρήστης μπορεί να βρει αναλυτικές πληροφορίες για κάθε μεταβαλλόμενη παράμετρο που υπάρχει στις σελίδες εισαγωγής στοιχείων. Αφού ολοκληρωθεί η παρουσίαση του προγράμματος και όλων των σελίδων που αυτό περιέχει ακολουθεί ένα αναλυτικό παράδειγμα χρήσης του και σύγκριση των αποτελεσμάτων του με μια θεωρητική μελέτη για μια ρεαλιστική κατασκευή που περιέχει διατάξεις φωτοβολταϊκών στην οροφή. / The subject of this project is the protection against lightning in constructions that contain photovoltaic systems and also taking the necessary ways of protection, in order for the blow of lightning not to cause human or economical and material losses. Within this project ,an application which calculates the danger of one construction ,in an environment has developed. The environment of the program is understandable of its user and free as far as possible of need for introduction of arithmetical parameters that concern technical characteristics. The program gives the user the opportunity to choose among general and specific characteristics of the construction and the lightning protection system and also performs calculations in order to calculate the danger by matching these characteristics with arithmetical prices according to the standard IEC 62305. The first part is consisted of a necessary theoretical study and some general information about the lightning phenomenon. In the second part, the characteristics and the standards that a lightning protection system should cover according to the standard IEC 62305-2 of the organization IEC, are being analyzed. There is an analysis of all the factors that are contracting to the calculation of danger , about how the technical characteristics of a lightning system affect those factors and also , one step by step method in order to calculate danger. With the completion of the study and this analysis , the results about the adequacy or not of the lightning system . In the situation of a negative result , the familiar with the standard IEC 62305 user ,has the opportunity to change the lightning system’s parameters and to add new protection measures in order to decrease the danger in tolerable levels. When it comes to take protection measures, the most suitable algorithm is being offered in order to attain an effective application of them and a satisfying decrease of danger. The third part ,contains a detailed feature of the program with use instructions and explanation of its basic operations. In this part, the user can find detailed information about each and every one changing parameter that exists in the pages that data have been introduced. When the feature of the program and all of its contained pages will come to the end , then it comes a detailed example of its use and comparison of its results by one theoretical study referring to a realistic construction that contains photovoltaic systems in its roof.

Στις μέρες μας, οι ολοένα αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες καθώς και οι η μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που η χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα σύγχρονα συστήματα ενέργειας έχει αυξηθεί τις τελευταίες δεκαετίες. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι μια από τις πιο συνήθεις και αποτελεσματικές ανανεώσιμων πηγών για συνδεδεμένα στο δίκτυο ή αυτόνομα συστήματα. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση έλεγχου σε μετατροπέα δυο βαθμίδων για σύνδεση φωτοβολταικού συστήματος. Αρχικά, θα μελετήσουμε θεωρητικά διάφορους τύπους τοπολογιών που περιλαμβάνουν αντιστροφέα, στην περίπτωση μας, θα μοντελοποιήσουμε και προσομοιώσουμε ένα DC-DC μετατροπέα σε σύνδεση αλυσίδας με έναν τριφασικό DC-AC αντιστροφέα σε ένα απομονωμένο σύστημα. Ειδικότερα θα παρουσιάσουμε θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα έλεγχου της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Το βασικό κομμάτι αυτής της εργασίας είναι τα αποτέλεσμα του ελεγκτή που είναι βασισμένος στην παθητικότητα διασύνδεσης και εκχώρηση απόσβεσης (IDA PBC). Τέλος, θα μοντελοποιήσουμε και προσομοιώσουμε τον DC-AC μετατροπέα, του οποίου ελέγχουμε την τάση εξόδου από τους γνωστούς μας σε όλους αναλογικούς-ολοκληρωτικούς (PI) ελεγκτές. / Nowadays, increased energy needs and the increasing pollution levels of the environment are the main reasons that usage of renewable energy sources to modern power systems has significantly increased in the last decades. Photovoltaic (PV) generator systems are one of the most common and efficient renewable energy applications for grid-connected or stand-alone systems. The aim of the present thesis is the study and the simulation of control of a two level power converter used in photovoltaic systems. Firstly, we will study theoretically different types of topologies that include inverters, in our case, we model and simulate a DC-DC boost power converter string connected with a three phase DC-AC inverter to a stand-alone system. Especially we will present theoretical and experimental results controlling the DC-DC converter output voltage. The basic part of this thesis are the results of the controller, which is designed following the passivity-based interconnection and damping assignment methodology (IDA PBC). Finally, we will model and simulate the DC-AC inverter, where its output voltage is controlled by the well-known, proportional-integral (PI) controllers.