Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια πρακτικής εργασίας σε εταιρία εγκατάστασης αυτόνομων και διασυνδεμένων φωτοβολταϊκών και αιολικών συστημάτων παραγωγής ισχύος την περίοδο 1 Απριλιου-31 Ιουλιου 2012. Αποτελεί μία πραγματική τεχνική μελέτη ενός οικιακου φωτοβολταϊκού συστηματος ηλεκτρικής ενέργειας διασυνδεμένου στο δίκτυο, ισχύος 10 kWp,αφού πρώτα παρουσιάζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για την διεξαγωγή της μελέτης της εγκαταστάσεως. / This research is part of practical work in an installer autonomous and interconnected photovoltaic and wind power systems for the period 1 April-31 July 2012. It is a real technical study of a residential solar power system interconnected to the grid, power 10 kWp, after first presents the theoretical background necessary for the conduct of the study of plant.

Το μεγαλύτερο μέρος της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας από τα φωτοβολταϊκά (φβ) κύτταρα δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό αλλά σε θερμότητα, η οποία συντελεί στην αύξηση της θερμοκρασίας τους με συνέπεια την μείωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης. Η απαγωγή της θερμότητας από τα φβ πλαίσια βοηθά όχι μόνο στη μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας τους αλλά μπορεί και να αξιοποιηθεί αυξάνοντας τη συνολική ενεργειακή τους απόδοση. Τα ηλιακά συστήματα που έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν τόσο ηλεκτρική όσο και θερμική ενέργεια είναι τα υβριδικά φωτοβολταϊκά / θερμικά (φβ/θ ή PV/T) συστήματα, τα οποία αναπτύσσονται τελευταία και έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται σε επιδεικτικές εφαρμογές.Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από μία σχεδίαση ηλιακού υβριδικού φωτοβολταϊκού/θερμικού (φβ/θ ή PV/T) συστήματος, το οποίο αποτελείται από διάταξη απαγωγής της θερμότητας, με κυκλοφορία νερού. / Photovoltaic thermal hybrid solar collectors, sometimes known as hybrid PV/T systems or PVT, are systems that convert solar radiation into thermal and electrical energy. These systems combine a photovoltaic cell, which converts electromagnetic radiation (photons) into electricity, with a solar thermal collector, which captures the remaining energy and removes waste heat from the PV module. The capture of both electricity and heat allow these devices to be more overall energy efficient than solar photovoltaic (PV) or solar thermal alone. In this work the PV/T system was studied with working fluid the water.

Les pérovskites hybrides célèbrent cette année leurs 10e anniversaire dans le domaine du photovoltaïque. En plus de la progression inégalée des rendements des cellules solaires, les pérovskites ont des propriétés optoélectroniques ajustables et peuvent être fabriquées par des procédés bas coûts, ce qui en fait de sérieuses candidates pour les cellules solaires multijunctions. Le réseau cristallin caractéristique des pérovskites hybrides offre une certaine liberté, supportant l’introduction partielle de cations et d’ions halogénures multiples. L’ajustement de la composition d’un matériau pérovskite se traduit par un ajustement de ces propriétés électroniques dont notamment sa structure de bandes. En adaptant la composition il est possible d’obtenir un matériau pérovskite avec une bande interdite de 1,7 eV qui serait parfaitement adapté pour une cellule tandem à base de Silicium cristallin. Les films minces de pérovskites peuvent être fabriqués par une grande diversité de techniques de dépôt, à partir de précurseurs ‘bon marché’ (CH3NH3I et PbI2 par exemple), par des procédés à basse température. Même si la grande majorité des films de pérovskites sont obtenus par la méthode d’enduction centrifuge, celle-ci ne permet pas l’obtention de films homogènes, sur grandes surfaces et de façon répétable. Etant donné l’enjeu industriel qui attend les pérovskites et l’intérêt croissant pour les structures tandems Silicium/Pérovskite, les méthodes sans solvant semblent plus adaptées. Déjà très largement utilisé dans l’industrie des OLEDs, le procédé de coévaporation thermique semble constituer une solution commercialement viable. Publiée pour la première fois en 2013, la synthèse par coévaporation des pérovskites est pour le moment encore étudiée par peu de groupes, car nécessitant des équipements plus coûteux. La présente thèse vise à mettre en place et développer la technique de coévaporation pour la fabrication de films de pérovskites hybrides pour des applications en cellules solaires.Afin d’évaluer la faisabilité du procédé, nous avons commencé notre travail sur un réacteur de démonstration, ce qui nous a permis d’appréhender la réponse à la sublimation des deux précurseurs. Nous avons très vite identifié le comportement du sel organique CH3NH3I comme étant problématique car difficilement contrôlable (s’évaporant sous forme de « nuage »), comme nous l’avions lu dans la littérature. En six mois d’utilisation de ce réacteur, nous avons fabriqué des films de pérovskites ayant permis d’atteindre des rendements de 9% sur des cellules solaires, malheureusement avec une faible reproductibilité (que nous expliquons en partie par le caractère aléatoire de l’évaporation du composé organique CH3NH3I). Nous nous sommes trouvés dans l’incapacité de comprendre plus en profondeur le procédé à cause d’un manque de fonctionnalités de l’équipement. Grâce à ces différents retours d’expérience nous avons pu concevoir, en étroite collaboration avec l’équipementier, un réacteur semi-industriel dédié à la fabrication de films de perovskites par coévaporation. Suite à sa mise en place, nous nous somme focalisé sur la problématique de la reproductibilité dans nos expériences en essayant de diminuer l’impact du nuage organique. Bien que les efficacités atteintes en cellules solaires pour des films coévaporés fussent moindres que pour des films déposés par la technique classique d’enduction centrifuge, nous soupçonnions néanmoins une meilleure homogénéité des films obtenus par voie sèche. Nous avons ainsi intégré à cette thèse une étude comparative voie liquide/voie sèche par le biais d’une technique de spectromicroscopie rayons X en Synchrotron. / Hybrid perovskites celebrate this year their 10-year anniversary in the photovoltaic field. Besides the unprecedented rise in solar cells efficiencies, perovskite materials have tunable optical properties and can be manufactured at low cost, making them very promising candidates for the high efficiency, multijunction solar cells strategy. Perovskite crystal structure offers a relative degree of freedom, allowing the partial integration of multiple cations and halide ions. This chemical composition tuning translates into a bandgap tuning. Through fine chemical engineering, the 1.7 eV requirement for a c-Si-based tandem device can be achieved. Perovskite thin films can be prepared by a large variety of deposition techniques, from low cost precursors (CH3NH3I and PbI2 for instance), through low-temperature processes. While most of the reported works on perovskite thin films are based on the basic wet-process spincoating technique, this latter hardly allows large scale, homogeneous and reproducible deposition. With the future challenge of industrialization and the increasing interest for the Silicon/Perovskite tandem approach, solvent-free methods appear more suitable. Already widely implemented in the OLED industry, coevaporation stands as a viable option for perovskites’ future. Reported for the first time in 2013, coevaporated perovskites are still scarcely studied compared to wet-based techniques, requiring more expensive set ups. In the present thesis, we implemented and developed the coevaporation process to fabricate perovskite thin films for solar cells applications.Starting off on a proof-of-concept reactor to assess the feasibility of the technique, we got accustomed to the perovskite precursors behaviour and identify very early on the organic precursor to be hardly manageable, as reported in the literature. In six months, we were nonetheless able to obtain nice perovskite films leading to 9% efficient photovoltaic devices, unfortunately with a poor reproducibility that we think to be partially due to the cloud vapour behaviour of CH3NH3I. We eventually found ourselves missing some features on the equipment, preventing us from accurately get a grasp on the process. From this feedback we then designed, hand in hand with the manufacturer, a dedicated semi-industrial equipment for perovskite coevaporation. Following its implementation, we then focused on establishing the reproducibility of the method, trying to mitigate the parasitic effect of the organic compound. Even though the efficiencies in solar cells were still slightly lower for coevaporated perovskites, with respect to classical spincoated ones, we expected the material homogeneity to be in favour of the vacuum-based process. We then eventually integrated to this thesis a comparative study between wet- and dry-processed perovskite films using a Synchrotron-based X-ray spectromicroscopy technique.

Le but de la thèse était de simuler le spectre d'absorption de méta-matériaux pour les applications photovoltaïques. Par méta-matériaux, nous entendons une assemblée d'objets de taille nanométrique situés à distance mésoscopique. L'idée sous-jacente est qu'en modifiant la taille du nano-objet et l'arrangement géométrique, on peut ajuster le seuil d'absorption. Pour calculer ces quantités, j'ai utilisé l'état de l'art du formalisme, c'est-à-dire des méthodes ab initio.La première étape du travail a été dédiée au calcul de l'absorption d'un objet isolé (tranche de silicium, graphène, hBN). Dans le cadre de codes périodiques, on utilise une supercellule avec du vide pour isoler l'objet, et une méthode a été développée précédemment dans le groupe de Spectroscopie Théorique du LSI, pour obtenir des résultats indépendants du vide. Elle est appelée Selected-G, et a été appliquée avec succès aux surfaces de silicium. Pour une tranche isolée, une expression modifiée du potentiel coulombien dans l'espace réciproque, appelé "slab potential", doit être utilisée. Pour valider l'utilisation du potentiel de slab pour le calcul de la matrice diélectrique microscopique, j'ai simulé les spectres de perte d'énergie d'électrons pour des empilements de quelques plans de graphène, et reproduit avec succès les données expérimentales disponibles. Cela a offert la possibilité d'étudier la dispersion du plasmon d'un plan de graphène, et discuter la nature des excitations électroniques dans ce système (transitions interband ou plasmon 2D).La second étape a été consacrée à l'étude du spectre d'absorption d'une assemblée de tranches en interaction. Comme il a été mis en évidence que le formalisme de supercellule agit comme une théorie de matériau moyen avec du vide, avec l'effet erroné d'avoir des spectres dépendant de la taille de la supercellule, j'ai renversé la procédure pour extraire le spectre de la tranche en interaction, affranchi du problème du vide. La faisabilité a été démontrée sur les tranches de hBN, dont le caractère semi-conducteur à large bande interdite évite les instabilités numériques.Cela a permis de comprendre la raison pour laquelle l'absorption de la tranche en interaction de silicium apparaît à plus basse énergie que celle du matériau massif: cela vient de la présence des états de surface dans la bande interdite de la structure de bandes du massif. Néanmoins, la différence avec la tranche isolée doit être encore étudiée.La troisième partie a été dédiée à l'étude de matériaux utilisés, ou candidats, aux applications photovoltaïques comme InP et InSe. J'ai étudié dans un premier temps les structures de bandes des massifs. Pour corriger la sous-estimation de la bande interdite calculée dans l'approximation de la densité locale (LDA), j'ai calculé les corrections GW, et utilisé la fonctionnelle d'échange et corrélation de Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE). Le spectre d'absorption de InP massif a été calculé en résolvant l'équation de Bethe-Salpeter, qui permet de tenir compte des effets excitoniques. Comme ce calcul est très lourd numériquement, j'ai également comparé avec le calcul beaucoup plus léger de TDDFT avec le kernel à longue portée pour introduire les effets excitoniques. Pour le massif de InSe, j'ai calculé les corrections HSE pour les valeurs propres et obtenus un bon accord avec la bande interdite expérimentale. Les spectres obtenus en TDDFT, avec le kernel à longue portée, donne de bons résultats. J'ai commencé l'étude de tranches de ces deux matériaux. Des couches épaisses de InP et InSe ont été considérées et une reconstruction de surface (2x2) a été réalisée sur InP pour obtenir une surface semi-conductrice. La structure de bande LDA et les spectres d'absorption ont été calculés. Comme des systèmes d'une telle taille sont hors de portée des calculs de corrections HSE, l'étude s'est concentrés sur des tranches beaucoup plus fine de InSe. / The purpose of the thesis was to simulate the absorption spectrum of meta-materials for photovoltaic applications. By meta-material, we mean an assembly of nanometric size objects at mesoscopic distance. The underlying idea is that by adjusting the size of the nano-object and the geometric arrangement, one could tune the absorption edge. To calculate these quantities, I used state-of-the art formalism, namely ab-initio methods.The first step of the work has been dedicated to the calculation of the absorption of an isolated object (slab of silicon, graphene, hBN). In the framework of periodic codes, one uses a supercell with vacuum to isolate the object, and a method has been developed previously in the Theoretical spectroscopy group at LSI, to provide results independent of vacuum. It is called “Selectd-G” method, and was successfully applied to silicon surfaces. For an isolated slab, a modified expression of the reciprocal space Coulomb potential, called “slab potential”, must be used. To validate the use of the slab potential on the microscopic dielectric matrix, I have simulated Electron Energy Loss spectra for slabs of few graphene layers, and successfully reproduced available experimental data. This has also offered the possibility to study the plasmon dispersion of a single graphene layer, and discuss the nature of electronic excitations in the system (intraband transitions or 2D-plasmon).The second step has been dedicated to the study of the absorption spectrum of an array of interacting slabs. Since it has been evidenced that the supercell formalism acts as an effective medium theory with vacuum, with the spurious effect of having spectra dependent on the size of the supercell, I have reversed the procedure to extract the spectrum of the interacting slab, "cured" from the vacuum problem. First, the feasibility has been demonstrated on slabs of hBN, as their semi-conducting characteristics with a the large gap prevent numerical instabilities. Then, it has allowed us to understand the reason why the absorption of the interacting slab of silicon appears at lower energy than its bulk counterpart: it is due to the presence of surface states in the gap of the bulk band structure. Nevertheless, the difference with the isolated slab must be further investigated.The third part has been dedicated to the study of materials currently used or candidates for photovoltaic applications: InP and InSe. I have first studied the band structures of bulk InP and InSe. To correct for the underestimation of the band gap in the local density approximation (LDA), I have used GW corrections and the Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) exchange-correlation functional. The absorption spectrum for bulk InP has been calculated by means of the solution of the Bethe-Salpeter equation to correctly account for the excitonic effects. As expected, the experimental macroscopic function is well reproduced. Since the calculation is numerically demanding, I have also compared the results with the much lighter calculation using TDDFT where I used the long range kernel to mimic the excitonic effects. For bulk InSe, I have calculated the HSE corrections for the eigenvalues and obtained a good agreement with the experimental band gap. The spectrum obtained within TDDFT, with the long range kernel, gives satisfying results. We have started the calculations for slabs of these two materials. Thick slabs of InP and InSe have been considered and a 2x2 reconstruction have been performed for the InP slab to recover the semi-conducting surface. The LDA band structures and absorption spectra have been calculated. Then, such large systems being out of range of HSE corrections calculations, the study has been focused on much thiner slabs in the case of InSe.

Στην παρούσα εργασία, γίνεται μια παραμετρική διερεύνηση για το σχεδιασμό αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων για περιοχές της νοτίου Ελλάδος. Ο όρος «αυτόνομα», αναφέρεται στα φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία λαμβάνουν την ηλιακή ενέργεια, την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια και εν συνεχεία μέσα από διάφορες ηλεκτρικές διατάξεις (μετατροπείς DC/DC, DC/AC κ.ά.) τροφοδοτούν είτε απευθείας είτε μέσω συσσωρευτών, το απαιτούμενο φορτίο. Μερικές κύριοι παράμετροι που μελετώνται είναι η κλίση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η επιφάνεια της, το μέγεθος συσσωρευτών κ.ά.. Η μελέτη αυτή λαμβάνει χώρα για εφτά πόλεις τις νοτίου Ελλάδας, με δεδομένα την ηλιακή ενέργεια που φθάνει σε κάθε πόλη για κάθε μήνα του χρόνου. Πιο συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1, γίνεται μια εισαγωγή στην ηλεκτρική ενέργεια και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2, μελετάται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και γενικότερα τα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Στο κεφάλαιο 3, μελετάται η σύνδεση πολλών φωτοβολταϊκών κυττάρων για το σχηματισμό ενός πλαισίου, ενός πάνελ ή μιας συστοιχίας. Στο κεφάλαιο 4, γίνεται αναφορά στα διάφορα είδη συσσωρευτών που υπάρχουν στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο επόμενο 5ο κεφάλαιο, μελετάται η ηλιακή ακτινοβολία και πως μεταβάλλεται αυτή ανάλογα με τη κλίση της επιφάνειας πρόσπτωσης, και επίσης ποια είναι η βέλτιστη κλίση της συστοιχίας. Τέλος, στα κεφάλαια 6 και 7, γίνεται η παραμετρική διερεύνηση για το σχεδιασμό αυτόνομων Φ/Β συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, στο 6ο μελετάται η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων για ετήσια λειτουργία του συστήματος, ενώ στο 7ο, για θερινή λειτουργία. / The present work presents a research on the parameters of autonomous photovoltaic systems for regions of south Greece. The term "autonomous" is referred to photovoltaic systems which receive solar power, they convert it into electric power and after that, through various electrical devices (converters DC/DC, DC/AC etc.) they feed either directly, or through batteries, the required load. Some main parameters that are studied are the tilt angle and surface of the photovoltaic array, the size of the batteries, etc. This research is carried out for seven cities of south Greece, with incoming data the solar radiation that arrives in every city for every month of the year. 5 More specifically, in chapter 1, there is an introduction about electric power and renewable energy sources. In chapter 2, it is studied what the photovoltaic effect is and generally the photovoltaic cells. In chapter 3, there is a research about connecting many photovoltaic cells, which are more commonly known as panels or arrays. Chapter 4 is dealt with to the various types of batteries that are used in the photovoltaic systems. In chapter 5, the solar radiation is studied and how it changes depending on the tilt angle of the surface of incidence and also which is the optimal inclination of the array. Finally, in chapters 6 and 7, there is a parametric research on the design of autonomous PV systems. More precisely, in chapter 6 is studied the effect of various parameters on the design of the system when the system is operating during the whole year, while in chapter 7, when the system is operating only during the summer period.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση και την κατασκευή μιας καινοτόμας τοπολογίας μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στα πλαίσια του θεσμού της πρακτικής άσκησης, ένα τμήμα της εκπονήθηκε στην τεχνική εταιρία Πάραλος Α.Ε. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι συμβολή της στη μελέτη των νέων τεχνολογιών στον τομέα των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, λαμβάνοντας υπόψιν τις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που μειώνουν δραστικά την διάρκεια ζωής των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών και συνεπώς των ίδιων των μετατροπέων. Επί του πρακτέου διερευνάται και κατασκευάζεται μια βελτιωμένη εκδοχή του υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα ρεύματος βασιζόμενου στην τοπολογία Flyback. Η βελτίωση αφορά την ενσωμάτωση ενός κυκλώματος αποσύζευξης της ισχύος, που εξομαλύνει το ρεύμα εισόδου αναιρώντας την ανάγκη χρήσης ηλεκτρολυτικού πυκνωτή τόσο στην είσοδο, όσο και στο κύκλωμα αποσύζευξης αυξάνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του μετατροπέα, καθιστώντας τον με αυτόν τον τρόπο κατάλληλο για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules). Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας έχει προταθεί στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία και στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται κατά κύριο λόγο η μεθοδολογία κατασκευής του ώστε να διευρευνηθεί η λειτουργία και η απόδοσή του Αρχικά έγινε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση και μελέτη των καταστάσεων λειτουργίας του αλλά και της συνολικής συμπεριφοράς του βελτιωμένου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback. Με την εμπειρία που αποκτήθηκε στην διάρκεια της πρακτικής άσκησης, ακολούθησε η συσχέτιση των παραμέτρων του αντιστροφέα και η επιλογή αυτών ώστε να ανταποκριθεί στις προδιαγραφές που τέθηκαν και να ανταπεξέλθει στα δεδομένα του ηλεκτρικού δικτύου της Ελλάδας. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση της τοπολογίας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή με ειδικό πρόγραμμα προσομοιώσεων ηλεκτρικών κυκλωμάτων (PSpice). Επιβεβαιώθηκε η λειτουργία του, έγινε ο βέλτιστος σχεδιασμός και τέλος πραγματοποιήθηκε ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα διάφορα στοιχεία ώστε να γίνει ορθή επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Τέλος, έγινε η κατασκευή του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η ορθή λειτουργία του για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Έπειτα συγκεντρώθηκαν μετρήσεις, αφ’ ενός μεν για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόδοση, αφ’ ετέρου δε για σύγκριση με τα αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα. / This diploma thesis deals with the study, analysis and implementation of a novel single phase inverter which is used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric utility grid of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The diploma thesis was also partially conducted within the internship at the engineering company Paralos S.A. This project pertains to the sector of Dispersed Power Generation PV systems, especially to Alternating Current Photovoltaic Modules (AC-PV Modules) systems in which a low power dc-ac utility interactive inverter is individually mounted on a PV module. Taking into account that the lifetime of the ac module inverter is shortened because it operates under very high atmospheric temperature, an improved Flyback-type single phase high frequency current source inverter is proposed. The improvement relies on the integration of a power pulsation decoupling circuit which aims at input current smoothing without using electrolytic capacitors and enables employment of film capacitors with small capacitance not only for the dc input line but also for the decoupling circuit. The additional circuit is expected to extend the lifetime of the inverter since the use of electrolytic capacitors under a high temperature environment drastically shortens their life.The proposed inverter circuit has already been presented in the international scientific community but the current thesis mainly analyzes the implementation methodology and investigates the inverter’s performance and behavior. Initially, a thorough theoretical analysis was made on the flyback-type utility interactive inverter’s operation and its circuit configuration. Subsequently, analytical mathematical equations were developed to describe the relationships between the parameters of the proposed inverter. Using these equations, the electric components were selected, as to meet up with the Greek electric utility grid specifications. The next step is the simulation of the topology, which was performed by a specialized on electric circuit simulation computer program (PSpice). The proper behavior of the simulated circuit was confirmed and the precise losses of the components were calculated through the program. Regarding this fact, the components were selected for an optimal design of the inverter. Last but not least, the Flyback-type current source inverter with decoupling capacitor was constructed and its operation was experimentally confirmed. Also, measurements of the inverter’s performance were collected.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η μελέτη της συμπεριφοράς φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτής ταινίας CIS, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Μελετάται η επίδραση διάφορων εξωτερικών παραγόντων και κυρίως της θερμοκρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας και της σκίασης. Με στόχο την εκτίμηση της παραγόμενης DC ισχύος σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας., έχουν πραγματοποιηθεί μετρήσεις ρεύματος-τάσης στο χώρο του Πανεπιστημίου Πατρών, σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο CIS ονομαστικής ισχύος 75W. Οι μετρήσεις ήταν συνήθως ημερήσιες και καταγράφονταν οι τιμές για διάφορες συνθήκες λειτουργίας και σε διαφορετικές εποχές του έτους. Με ένα μεταβλητό φορτίο συνδεδεμένο με το εν λόγω φωτοβολταϊκό πλαίσιο, ήταν δυνατός ο προσδιορισμός της χαρακτηριστικής I-V καμπύλης σε κάθε μέτρηση και ως εκ τούτου, ο υπολογισμός του σημείου μέγιστης ισχύος. Για κάθε μέτρηση καταγράφονταν, εκτός του ρεύματος και της τάσης, η λαμβανόμενη ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία αέρα καθώς και οι θερμοκρασίες στις δύο όψεις του συλλέκτη. Αρχικά, υπολογίζεται η απόδοση του πλαισίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας ενώ σε αυτό προσπίπτουν ίδια ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας. Επίσης, μελετάται ποιες χαρακτηριστικές παράμετροι επηρεάζονται περισσότερο όπου διαπιστώνεται πως η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση της τάσης και μία μικρή αύξηση του ρεύματος η οποία όμως, δεν είναι ικανή να αντισταθμίσει την μείωση της τάσης, με αποτέλεσμα η αύξηση της θερμοκρασίας να επιδρά αρνητικά στην απόκριση ισχύος. Στη συνέχεια, γίνεται αντίστοιχος υπολογισμός και για την ηλιακή ακτινοβολία όπου παρουσιάζεται η θετική της επίδραση στην απόδοση του πλαισίου, ενώ ταυτόχρονα μελετάται η συμπεριφορά του CIS σε συνθήκες ηλιοφάνειας αλλά και συννεφιάς. Κατά την επεξεργασία των αποτελεσμάτων αυτών, ήταν δυνατός ο υπολογισμός μίας μέσης τιμής της αποδιδόμενης ισχύος τόσο για τη θερινή όσο και για τη χειμερινή περίοδο. Τέλος, προκαλώντας τεχνητή σκίαση στο 30% περίπου της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου κατά τη διάρκεια κάποιων μετρήσεων, υπολογίζεται το ποσοστό μείωσης της παραγόμενης DC ισχύος, συγκριτικά με τις περιπτώσεις όπου κάτω από τις ίδιες εξωτερικές συνθήκες, το πλαίσιο δεν σκιάζεται. / The objective of this diploma thesis, is to study the behavior of a thin film photovoltaic module CIS, under real conditions of operation. The effect of various exterior factors is studied and mainly the factors of temperature, solar radiation and shading. To estimate the produced DC Power in various conditions, measurements has been took place at the University of Patras using a CIS photovoltaic module, of 75W Maximum Power. Measurements were usually daily and were taken in all seasons of year. With a variable load connected to the photovoltaic module, the determination of the I-V curve was possible for each measurement and consequently, the calculation of the Maximum Power Point could be made. At each measurement, were noted the current, the voltage and also the received solar radiation, the air temperature as well as the temperatures at the two sides of the module. At first, the output and the efficiency of the module in different temperatures of operation are calculated , while the received solar radiation is the same in every case. Also, it is studied witch parameters are more influenced by increasing temperature and it is proved that voltage is decreased and current is a little increased. However, the increasing current is not capable to compensate the decreasing voltage, so the increase of temperature affects negatively the output power and the efficiency. Afterwards, a similar calculation has been made, studying the influence of solar radiation at the characteristic parameters of the CIS photovoltaic module. During these calculations, except the positive effect of solar radiation it is presented the behavior of CIS in sunlight and also cloudy conditions. As a result, an average output power of the module has calculated for the aestival and the wintry period. Finally, causing artificial shading in about the 30% of the module's surface, it is determined the rate of reduction of produced DC power, comparatively the case where the module is not shading under the same exterior conditions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή μιας διάταξης που παρακολουθεί συνεχώς τη θέση του ήλιου στον ουρανό και στρέφει αντίστοιχα ένα φωτοβολταϊκό πάνελ κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό και επομένως και η ενεργειακή του απόδοση (solar tracker). Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η εφαρμογή, το ίδιο το φωτοβολταϊκό πάνελ χρησιμοποιήθηκε ως ανιχνευτής της θέσης του ήλιου στον ουρανό απλουστεύοντας έτσι την κατασκευή και μειώνοντας το κόστος της καθώς δεν χρειάστηκαν επιπλέον αισθητήρες. Συγκεκριμένα, ανά τακτά χρονικά διαστήματα δειγματοληπτούνταν η τιμή της τάσης στα άκρα του φωτοβολταϊκού πάνελ από τον μικροελεγκτή msp430F169 της εταιρείας texas instruments, αποθηκεύονταν στους καταχωρητές του και αφού μετατρεπόταν το σήμα από αναλογικό σε ψηφιακό συγκρινόταν με τις προηγούμενες τιμές. Ανάλογα με το αποτέλεσμα της σύγκρισης, ο μικροελεγκτής έδινε εντολή στον κινητήρα που κατεύθυνε το φωτοβολταϊκό πάνελ να κινηθεί στην αντίστοιχη κατεύθυνση. Η διαδικασία επαναλαμβανόταν μέχρις ότου βρεθεί το σημείο εκείνο όπου η τάση στα άκρα του γίνεται μέγιστη. Το σύστημα που κατασκευάσαμε περιλαμβάνει κίνηση γύρω από έναν άξονα. Συγκεκριμένα παρακολουθεί την αζιμουθιακή κίνηση του ήλιου ξεκινώντας από την ανατολή (Earth) και καταλήγοντας στη δύση (West). / The present thesis deals with the study and construction of a solar tracker that constantly detects the sun position to the sky and directs correspondingly a photovoltaic panel in order to maximize the intensity of solar radiation prostrating to it and as a result, its energy performance as well. In order the application to be realized, the same photovoltaic panel was used as detector of the sun position to the sky, simplifying the construction and reducing its cost, as no further sensors were required. Particularly, the point-to-point voltage value of the photovoltaic panel was regularly sampled by the microcontroller msp430F169 of the Texas Instruments Company, it was saved to the register, and after the signal was being converted from analog to digital, it was being compared to the previous value. Depending on the result of the comparison, the microcontroller ordered the motor directing the photovoltaic panel to move across the corresponding direction. The process was being repeated until a point was found were the point-to-point voltage value was the maximum. The system created includes motion around one axis. Particularly, it observes the azimuthal solar motion starting from East and ending to West

Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, και είναι η κυριότερη μορφή ανανεώσιμης πηγής. Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως "φωτοβολταϊκά" ή "Φ/Β", αποτελούν μία προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Κατα τη διάρκεια αυτής της διπλωματικής εργασίας έγινε μια αναλυτική περιγραφή του τρόπου λειτουργίας τους και ιδιαίτερα υπό συνθήκες χαμηλής συγκέντρωσης. Πιο συγκεκριμένα, στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ιδιαίτερα στην ηλιακή. Παρουσιάζεται η εξέλιξη των Α.Π.Ε. στον ελλαδικό χώρο και οι αιτίες που έστρεψαν τον άνθρωπο σε νέες μορφές ενέργειας πέραν τον ορυκτών καυσίμων. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στη θεωρία της Ηλιακής Γεωμετρίας που συνδέεται με τις δυο κύριες κινήσεις της Γης, την ημερήσια περιστροφή της και την ετήσια γύρω από τον Ήλιο. Παρουσιάζονται θεωρητικά μοντέλα πρόβλεψης της ηλιακής ακτινοβολίας και σχέσεις υπολογισμού της σε επιφάνειες στο επίπεδο της Γης. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια σύντομη περιγραφή της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων και των φυσικών ιδιοτήτων αυτών των ημιαγώγιμων διατάξεων. Επίσης γίνεται λόγος για τις υπάρχουσες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και για διάφορα φαινόμενα που επηρεάζουν τη λειτουργία τους. Το Κεφάλαιο 4 είναι αφιερωμένο στα συγκεντρωτικά συστήματα και σε όλες τις υπάρχουσες γεωμετρίες που χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή και ιδιαίτερα στη γεωμετρία του V-Trough που χρησιμοποιήθηκε στο πειραματικό σκέλος. Επίσης γίνεται αναφορά για τα συστήματα παρακολούθησης του Ήλιου. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται διάφορες τεχνολογίες ψύξης που έχουν δημοσιευθεί σε επιστημονικές εργασίες και συνοδεύουν τα συγκεντρωτικά συστήματα, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επιφέρουν στα κύτταρα. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται αναφορά στο πειραματικό κομμάτι της εργασίας με παρουσίαση των μετρητικών οργάνων και των αποτελεσμάτων των μετρήσεων που έγιναν στο συγκεντρωτικό σύστημα V-Trough, στο σταθερό φωτοβολταϊκό μονοκρυσταλλικού πυριτίου και στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο μικρομορφικού πυριτίου (thin film). Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται υπολογιστικές μέθοδοι για την εκτίμηση της ακτινοβολίας και της παραγόμενης ενέργειας από το V-Trough και το σταθερό φωτοβολταϊκό πλαίσιο σε ετήσια βάση. Επίσης παρουσιάζεται μέθοδος υπολογισμού της βέλτιστης κλίσης για κεκλιμένες επιφάνειες και μέθοδος για την αποφυγή σκιάσεων αυτών των επιφανειών. Επίσης γίνεται εξομοίωση φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων με χρήση του προγράμματος PV*SOL. Το Κεφάλαιο 8 περιέχει τα συμπεράσματα ως προς τη χρήση του συγκεντρωτικού συστήματος, τις υπολογιστικές μεθόδους και τα υπόλοιπα θέματα που παρουσιάσθηκαν σε αυτή τη διπλωματική. / The solar energy is practically inexhaustible, and it is the main form of renewable source. The solar radiation provides the Earth with a huge amount of energy. The solar cells, known as photovoltaics, compose an approach of high technology for the direct conversion of light into electricity. During this thesis an analytic description of their operation was made and specifically under low concentration conditions. Particularly, in the 1st Chapter is made an introduction to the renewable sources and specifically in solar. Showing the evolution of R.E.S. in Greece and the reasons that turned humans into new forms of energy than the fossil fuels. Chapter 2 refers to the theory of solar geometry associated with the two main movements of Earth, the daily rotation and the yearly around the Sun. Presented theoretical models, predicting and calculating the solar radiation on surfaces at the Earth’s level. Chapter 3 presents a brief description of the operation of photovoltaic cells and the physical properties of these semiconductor devices. Also refers to the existing photovoltaic technologies with their advantages and disadvantages and to various effects that influence their operation. Chapter 4 is devoted to the concentrating systems and all existing geometries used at this time and especially the V-Trough geometry that used in the experiments. A reference also is made to solar tracking systems. Chapter 5 presents various cooling technologies that have been published in scientific papers and accompanying concentrating systems due to high temperatures that cause to cells. Chapter 6 refers to the experimental part of this thesis with presentation of the experimental devices and the results of measurements made in the concentrating system V-Trough, the stable monocrystilline silicon photovoltaic panel and the micromorph silicon thin film panel. Chapter 7 presents computational methods for the estimation of radiation and the energy produced by the V-Trough and stable photovoltaic panel on an annual basis. Also presents method of calculating the optimum tilt for inclined surfaces and a method of avoiding the shading on this surfaces. Also a simulation of photovoltaic plants is made by the PV*SOL software. Chapter 8 contains the general conclusions related with the experimental results, the theoretical calculations and all the other issues that presented in this thesis.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την κατασκευή ενός μονοφασικού αντιστροφέα Η5, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως σε τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι να καταστεί σαφής η λειτουργία του αντιστροφέα Η5 μέσω της θεωρητικής ανάλυσής του. Ακόμη, σκοπός της εργασίας αυτής είναι να γίνει κατανοητός ο λόγος για τον οποίο ο αντιστροφέας Η5 βρίσκει μεγάλη εφαρμογή και προτιμάται έναντι άλλων τοπολογιών αντιστροφέων στα φωτοβολταϊκά συστήματα ισχύος της τάξης των 5-20 kW. Αρχικά, παρουσιάζεται η ανάγκη εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας και περιγράφονται εν συντομία τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που αποτελούν καθοριστικό ρόλο στον τομέα αυτό. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα φωτοβολταϊκά συστήματα, οι τρόποι διασύνδεσής τους με το δίκτυο χαμηλής τάσης καθώς και οι τοπολογίες αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή. Ακολούθως, παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και η προσομοίωση του αντιστροφέα Η5 καθώς και η σύγκρισή του με την τοπολογία πλήρους γέφυρας. Τέλος, αναλύεται η διαδικασία υλοποίησης κάθε σταδίου του μονοφασικού αντιστροφέα τύπου Η5 και παρατίθενται παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / This thesis deals with the design and construction of a single-phase H5 inverter, which is widely used in transformerless inverter topologies to interconnect PV modules to the low voltage grid. The study was prepared in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The aim of this thesis is to clarify the operation of the H5 inverter through theoretical analysis. Moreover, the aim of this work is to illustrate the reason why the H5 inverter finds wide application and is preferred over other transformerless inverter topologies in photovoltaic power systems in the range of 5-20 kW. Initially, is presented the need to exploit solar energy and are described shortly PV modules which form a key role in this area. Then, takes place a description of photovoltaic systems, the interconnection ways to the low voltage grid as well different transformerless topologies. Thereafter,is presented the theoretical analysis and simulation of H5 inverter and its comparison with the full-bridge topology. Finally, is analyzed the implementation process of every step of the single-phase H5 inverter,while some graphs and measurements obtained from the experiments carried out after the copletion of H5 inverter's construction in a lab environment are cited.