Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι μελέτη της ευαισθητοποίησης από κοινού (co-sensitization) με την χρήση απλών οργανικών χρωστικών με παρόμοιο φάσμα απορρόφησης. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν μείγματα διαφόρων χρωστικών ουσιών τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την ευαισθητοποίηση ηλιακών κυψελίδων (DSSCs) με ημιαγωγό νανοδομημένου ZnO. Οι χρωστικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ευαισθητοποίηση ήταν απλές οργανικές, όπως η Rose-Bengal, η Rhodamine-B, η Eosin-B, η Coumarin 343 και η Malachite Green. Παρασκευάστηκαν μείγματα δυο και τριών χρωστικών ουσιών με σκοπό την επίτευξη υψηλότερης απόδοσης της ευαισθητοποιημένης ηλιακής κυψελίδας. / In this work we investigate co-sensitization effects by using simple organic dyes with complimentary absorption spectra. A combination of different organic dyes was used in this work to sensitize nanostructured ZnO films for Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) devices. The dyes used to sensitize the films were the simple organic molecules Bengal Rose, Rhodamine B, Eosin B, Coumarin 343 and Malachite Green. Binary and ternary blends of these dyes were used in order to enhance the performance of ZnO DSSCs.

Cette thèse a pour but le développement d'une source photovoltaïque autonome ayant des capacités d'auto-diagnostic. Un structure d'hybridation spécifique est proposée consistant en une hybridation DC de sources photovoltaïques, d'une batterie au lithium et de supercondensateurs. Des modèles dynamiques des convertisseurs boost conventionnels et de leur variante avec isolation galvanique sont proposés. Un observateur d'état est ensuite présenté pour estimer en ligne les différents paramètres représentant les pertes des convertisseurs. On montre qu'il est possible d'utiliser ces paramètres estimés pour la gestion de l'énergie dans le système, avec en particulier l'optimisation du rendement de structures parallèles. L'optimisation des sources photovoltaïques est aussi étudiée avec une attention particulière accordée aux phénomènes d'ombrage partiel et le design d'un algorithme de maximisation de la puissance produite (MPPT) dans le cas d'une architecture distribuée série. De part une architecture de puissance spécifique, on propose aussi une méthode d'estimation de l'état de santé (SOH) de la batterie qui est validée sur des cellules de batterie Li - ion et LiFePO4. On montre que le convertisseur Cuk isolé avec inductances couplées est parfaitement adapté pour faire du diagnostic en ligne sur les batteries par injection de courant. Enfin, un schéma de gestion de l'énergie global est proposé, et on vérifie le bon fonctionnement de l'ensemble de la source hybride proposée / This thesis interested on developing a stand-alone photovoltaic system with self-diagnosis possibility. A specific structure has been proposed consisting in a DC hybridization of photovoltaic sources, a Lithium-based battery and supercapacitors. Dynamics models of the boost converter and the current-fed dual-bridge DC-DC converter are proposed and an efficient state observer is proposed to estimate the models equivalent losses' parameters online. It is shown that the estimated parameters can be used in the energy management scheme, with in particular optimisation of the efficiency of paralleled structures. The photovoltaic source optimization is also studied with special attention on shading phenomenon and design of MPPT technique especially on the case of distributed series architecture. Through a specific hybridization structure, State-Of-Health estimation is tested on Li-ion and LiFePO4 batteries. It is shown that the isolated coupled-inductors Cuk converter is very efficient for battery estimation through current injection. Finally, a global energy management scheme is proposed, and the developed stand-alone photovoltaic system is validated to operate as supposed

Le contexte actuel de forte croissance des besoins en énergie dans le monde nécessite une diversification de sa production, notamment vers des sources renouvelables tout en limitant autant qu’il est possible l’émission de gaz à effet de serre. Parmi les énergies renouvelables une des plus prometteuses et abondantes est l’énergie solaire et il apparaît évident que l’énergie solaire, thermique ou photovoltaïque, représente un enjeu crucial pour diminuer la consommation d’énergie fossile. Actuellement 90 % des générateurs solaires sont élaborés en silicium cristallin, ce qui pose un problème d’approvisionnement en matière première, les producteurs de silicium n’ayant pas su anticiper la forte expansion de la filière solaire. Des concepts innovants présentent une forte potentialité en termes de coût de production et d’application, notamment les filières organiques et hybrides (organique/oxyde métallique). En Europe, la France est très active dans ce domaine de recherche, en particulier en ce qui concerne l’utilisation de nouveaux matériaux nanostructurés organiques ou de structures hybrides. C'est pourquoi Disasolar, une start-up française spécialisée dans le photovoltaïque souple, souhaite développer cette activité en élaborant des modules solaires souples par impression jet d'encre. Les objectifs de cette thèse sont d'étudier des nouveaux matériaux d'interface imprimables et d'évaluer l'effet de la dimension des nanoparticules sur la topologie et les performances des dispositifs. Et dans un deuxième temps l'étude portera sur l'impression des matériaux d'interface et la stabilité des cellules solaires organiques. / The current context of strong growth in energy demands in the world requires diversification of its production, in particular towards renewable sources while limiting as far as possible the emission of greenhouse gases. Among the most promising and abundant renewable energies is solar energy and it is evident that solar, thermal or photovoltaic energy represents a crucial issue to reduce the consumption of fossil energy. Currently 90% of the solar generators are made of crystalline silicon, which poses a problem of supply of raw material, as silicon producers did not know how to anticipate the strong expansion of the solar sector. Innovative concepts present a high potential in terms of cost of production and application, in particular organic and hybrid (organic / metal oxide) dies. In Europe, France is very active in this area of research, particularly with regard to the use of new organic nanostructured materials or hybrid structures. This is why Disasolar, a French start-up specializing in flexible photovoltaics, wants to develop this activity by developing flexible solar modules by inkjet printing. The objectives of this thesis are to study new printable interface materials and to evaluate the effect of nanoparticle size on the topology and performance of devices. And secondly, the study will focus on the printing of interface materials and the stability of organic solar cells.

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με ευαισθητοποίηση χρωστικής (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs) κίνησαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας ύστερα από την πρωτότυπη δημοσίευση του 1991 των Grätzel και O' Regan. Προτάθηκαν ως μία φθηνή εναλλακτική λύση σε σύγκριση με τα συμβατικά ηλιακά στοιχεία από άμορφο πυρίτιο (amorphous silicon). Οι κύριοι παράγοντες που οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα να στραφεί προς αυτή την κατεύθυνση ήταν η ευκολία σύνθεσης των χρωστικών με σχετικά απλές χημικές διαδικασίες και η λειτουργία των νέων αυτών φωτοβολταϊκών στοιχείων υπό συνθήκες διάχυτου φωτός. Γενικά, ένα τέτοιο φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από μία φωτοάνοδο (photoanode), ένα πορώδες υπόστρωμα από ημιαγώγιμο οξείδιο μετάλλου (metal oxide semiconducting film), μία χρωστική που χρησιμοποιείται ως φωτοευαισθητοποιητής (sensitizer), έναν ηλεκτρολύτη (electrolyte) και ένα αντιηλεκτρόδιο (counter electrode), το οποίο, συνήθως, επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα από πλατίνα (Pt). Η κύρια διεργασία που λαμβάνει μέρος σε ένα DSSC, μετά από την απορρόφηση φωτός, είναι μία διεπιφανειακή μεταφορά φορτίου (interfacial electron transfer IET) από την ηλεκτρονιακά διεγερμένη στάθμη της χρωστικής προς τη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Η χρονική της διάρκεια είναι της τάξεως των μερικών εκατοντάδων fs και κατατάσσεται στα υπερταχέα φαινόμενα. Ο όρος που έχει επικρατήσει, για τη διεργασία αυτή στα DSSCs, είναι έκχυση ηλεκτρονίων (electron injection) και χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Η τεχνική της φασματοσκοπίας φθορισμού χρονικής ανάλυσης με παλμούς διάρκειας μερικών δεκάδων fs, αποτελεί μία από τις πιο αξιόπιστες και άμεσες τεχνικές για την καλύτερη δυνατή καταγραφή υπερταχέων φαινομένων, όπως η έκχυση ηλεκτρονίων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της έκχυσης ηλεκτρονίων με τη χρήση δύο νέων οργανικών χρωστικών, της μορφής D-π-A, ως φωτοευαισθητοποιητές σε DSSCs με την τεχνική αυτή.Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία γενική επισκόπηση των βασικών αρχών που διέπουν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με ευαισθητοποίηση χρωστικής. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα μέρη που αποτελούν ένα τέτοιο φωτοβολταϊκό στοιχείο και ακολούθως στα υλικά και στις διεργασίες οι οποίες συμμετέχουν σε ένα ολοκληρωμένο DSSC.Στο δεύτερο κεφάλαιο επιχειρείται, στο πρώτο σκέλος, μία γενική ανασκόπηση της θεωρίας του Markus για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων (Markus Theory). Έπειτα, πραγματοποιείται μία αναλυτική επισκόπηση της δυναμικής και κινηματικής των διεργασιών που συντελούνται στα DSSCs. Συνεχίζοντας στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται πληροφορίες σχετικές με τα υποστρώματα και τις χρωστικές που χρησιμοποιούνται στα DSSCs. Το κεφάλαιο επικεντρώνεται στην περιγραφή των υποστρωμάτων TiO2 και ΖnO, τα οποία αποτελούν τα κύρια υποστρώματα που χρησιμοποιούνται στα DSSCs. Στο δεύτερο σκέλος του κεφαλαίου, πραγματοποιείται αναφορά στις ιδιότητες που οφείλουν να πληρούν οι χρωστικές, για τη χρήση τους στα DSSCs, καθώς και εκτενής ανασκόπηση των χρωστικών, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί, μέχρι σήμερα, ως φωτοευαισθητοποιητές. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που συμμετέχουν κατά την αποδιέγερση ενός οργανικού μορίου και οι χρονικές κλίμακες, που αυτοί εμφανίζονται (διάγραμμα Jablonski). Επίσης, γίνεται αναφορά στις πληροφορίες που εξάγονται από τα φάσματα σταθερής κατάστασης (steady state spectra) και χρονικής ανάλυσης (time-resolved spectra), καθώς και η μεταξύ τους σύγκριση. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία αναλυτική περιγραφή της πειραματικής διάταξης, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή των πειραματικών δεδομένων. Τέλος, στα τελευταία δύο κεφάλαια (πέμπτο και έκτο) περιγράφεται, στο πρώτο, ο φωτοφυσικός χαρακτηρισμός των δύο νέων οργανικών χρωστικών, ΜΖ-173 και ΜΖ-175, της δομής D-π-Α, σε διάλυμα THF και σε στερεό υπόστρωμα TiO2 αντίστοιχα, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως το υπόστρωμα προσρόφησης των χρωστικών. Ακολούθως, μελετήθηκε η δυναμική και η απόδοση της έκχυσης των ηλεκτρονίων από τις χρωστικές αυτές προς το ημιαγώγιμο υπόστρωμα TiO2, με χρήση της τεχνικής της φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης φθορισμού με παλμούς διάρκειας μερικών δεκάδων fs (femtosecond time resolved fluorescence spectroscopy). Ως δείγμα αναφοράς, για την εύρεση της απόδοσης της έκχυσης των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού, χρησιμοποιήθηκε νανοκρυσταλλικό υπόστρωμα Al2O3. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η μελέτη της δυναμικής της έκχυσης των ηλεκτρονίων με τη χρήση του μορίου CDCA, ως συνπροσροφητή στην επιφάνεια των υποστρωμάτων TiO2 και Al2O3, μαζί με χρωστική ΜΖ-173, σε διάφορες συγκεντρώσεις. Αυτή η μελέτη έγινε με σκοπό τη μείωση της συσσωμάτωσης των μορίων της χρωστικής, αφού το μόριο CDCA έχει την ιδιότητα, λόγω της δομής του, να κρατά σε απόσταση τα μόρια της χρωστικής. / Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have attracted great scientific interest after the first demonstration of Grätzel and O’Regan in 1991. They were proposed as low cost alternatives to the conventional amorphous silicon solar cells. The key factors which led the scientific community to this direction are the simplicity of their fabrication procedures with mild chemical processes and their operation under ambient conditions of diffused light. Generally, a DSSC consists of a photoanode, a nanostructured metal oxide semiconducting film, a dye sensitizer, an electrolyte and a counter electrode which is usually coated with Pt. The fundamental process that takes place in a DSSC, after the absorption of a photon by the dye, is an interfacial electron transfer (IET) from the dye’s electronically excited state to the semiconductor’s conduction band (CB), taking place within a few hundred femtoseconds. The term which is generally used for this process in DSSCs is electron injection. Ultrafast fluorescence upconversion spectroscopy is one of the most precise and direct techniques for the study and interpretation of such phenomena. The main subject of this master thesis is the presentation of two novel synthesized organic dyes with D-π-A structure and their study as photosensitizers for DSSCs. It is focused on the photophycical properties of these two dyes in solution and on titanium dioxide (TiO2) substrate, which is used as the metal oxide semiconducting film, and especially on the dynamics of electron injection process from the dye’s excited state to the conduction band of the TiO2 with the aforementioned technique. Finally, the electron injection dynamics of one of dyes with coadsorption of co-adsorbers also investigated. This type of molecules can decrease the amount of aggregates penetrating among the dye molecules but on the same time they cause a decrease of the total amount of the adsorbed dye molecules.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η ανάλυση και ο έλεγχος ενός φ/β συστήματος διασυνδεδεμένου στο δίκτυο, με στόχο να παρέχει μονίμως την μέγιστη ισχύ του και η άεργος ισχύς που εγχέεται στο δίκτυο να μηδενίζεται. Το φ/β σύστημα αποτελείται από μια φ/β συστοιχία, έναν πυκνωτή και έναν DC/AC αντιστροφέα (με το κύκλωμα ελέγχου του) με τον οποίο συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός RL φίλτρου. Στο κύκλωμα ελέγχου περιλαμβάνεται ο έλεγχος για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT ελεγκτής) καθώς και όλοι οι PI ελεγκτές που είναι απαραίτητοι τόσο για τον έλεγχο της dc τάσης όσο και για τον έλεγχο της αέργου ισχύος. Το σύστημα προσομοιώνεται στο περιβάλλον Simulink του Matlab υπό μεταβαλλόμενη ηλιακή ακτινοβολία. Αρχικά, για τον MPPT έλεγχο εφαρμόζεται η κλασική Perturb & Observe τεχνική και στη συνέχεια προτείνεται και εφαρμόζεται μια βελτιωμένη εκδοχή της, η οποία αποδεικνύεται ότι έχει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα. / The main subject of this diploma thesis is the analysis and the control of a grid connected Photovoltaic system, in order that it can permanently provide the maximum power and the reactive power injected to the grid could be reduced to zero as well. The P/V system consists of a P/v array, a capacitor and a DC/AC inverter (and the whole control circuit) which is connected to the grid through an RL filter. The control circuit includes the control for the detection (tracking) of the maximum power point (MPPT controller) and all the PI controllers that are necessary in order to control both the dc voltage and the reactive power. The system is simulated by the Simulink in Matlab under changing solar irradiation. Initially, for the MPPT control the classical Perturb & Observe technique is implemented and then an improved version of this technique is proposed and implemented, since it is proved to be much more efficient.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή διάταξης διασύνδεσης φωτοβολταϊκών συστημάτων δύο βαθμίδων με το δίκτυο της χαμηλής τάσης. Αντικείμενο της εργασίας ήταν η πρώτη βαθμίδα που αναλαμβάνει την ανύψωσης της τάσης, που δίνει στην έξοδο ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, με σκοπό να συνδεθεί στην επόμενη βαθμίδα, όπου γίνεται η αντιστροφή της τάσης. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι ένας μετατροπέας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης εξόδου και επιλέχθηκε από τη σειρά των μετατροπέων Luo. Συγκεκριμένα έπειτα από μελέτη των τοπολογιών και με βάση τις προδιαγραφές που είχαμε στη παρούσα εργασία έγινε η επιλογή δύο διατάξεων ως οι πιο κατάλληλες για την εφαρμογή. Η διάταξη Re-lift ανύψωσης τάσης και το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης μελετήθηκαν θεωρητικά και έγινε προσομοίωση της λειτουργίας τους με πραγματικά στοιχεία. Με βάση τα αποτελέσματα που λήφθηκαν έγινε σύγκριση των δύο μετατροπέων και επιλέχθηκε η μία εκ των δύο για κατασκευή. Τελικά στο εργαστήριο κατασκευάστηκε το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης και ο έλεγχος της διάταξης έγινε με τη χρήση μικροελεγκτή (dsPIC30F4011). Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Ο βαθμός απόδοσης που προέκυψε στις πειραματικές μετρήσεις θεωρείται μάλλον χαμηλός της τάξης του 80% για την εφαρμογή αυτή, καθώς αποτελεί την πρώτη βαθμίδα σε σύστημα δύο βαθμίδων. Η συμπεριφορά όμως και το κέρδος τάσης είναι ικανοποιητικά για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. / The present diplomatic work deals with the study, simulation and manufacture of a device for the connection of photovoltaic systems of two stages with the network of low voltage. Object of the work was the first stage that undertakes the elevation of voltage; we receive at the output of a photovoltaic panel, so as to connect it with the next stage, where the voltage is inverted. The circuit that was studied is a converter of elevation and stabilisation of the output voltage was selected from the Luo converters. In particular, after studying the topologies and taking into account the specifications that we had in the present work, two topologies were chosen as the most suitable for the application. The Re-lift converter and the elementary circuit of the superlift converters were studied theoretically and their operation was simulated with real elements. Based on the results that were taken, the two converters were compared and was selected which one of the two to manufacture. Finally the superlift elementary circuit was manufactured in the laboratory and the control of the circuit was done with the use of a microcontroller (dsPIC30F4011). The experimental results confirmed the theoretical analysis and the correct operation of the circuit. The degree of efficiency that resulted in the experimental measurements is considered rather low in the order of 80% for this application, while it constitutes the first stage in a system of two stages. The behaviour however and the voltage transfer gain are satisfactorily for applications of low power

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται κατάλληλα μοντέλα για τις επιμέρους μονάδες φωτοβολταϊκού (ΦΒ) συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Στόχος είναι να αντιμετωπιστούν ταυτόχρονα και αποτελεσματικά οι ιδιαιτερότητές του, που οφείλονται στη συμπεριφορά των διακοπτικών στοιχείων και στα μη γραμμικά χαρακτηριστικά της ΦΒ γεννήτριας και του μετασχηματιστή απομόνωσης. Αναπτύσσονται μέθοδοι που αυξάνουν την ταχύτητα εξομοίωσης. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση αυξητικών μοντέλων για τα μη γραμμικά στοιχεία και αποτελεσματικών αλγορίθμων για την αντιμετώπιση της μεταβλητής τοπολογίας. Τα μοντέλα που παρουσιάζονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συνδεδεμένα στο δίκτυο ΦΒ συστήματα οποιασδήποτε διάταξης. Μέσω εξομοιώσεων της λειτουργίας ενός οικιακού ΦΒ συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο διερευνάται η ευαισθησία της αρμονικής παραμόρφωσης τάσεων και ρευμάτων σε μεταβολές παραμέτρων του συστήματος. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα νέο μοντέλο για τη ροή ενέργειας σε κυκλώματα με μη ημιτονοειδείς κυματομορφές. Το μοντέλο παρέχει μαθηματική περιγραφή μέσω του πολυδιανύσματος της ισχύος, το οποίο γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ στιγμιαίας και φαινομένης ισχύος, όπως η μιγαδική ισχύς υπό ημιτονοειδείς συνθήκες. Το πολυδιάνυσμα της ισχύος επιτρέπει συστηματική και ενιαία αντιμετώπιση όλων των περιπτώσεων. Το μοντέλο ροής ενέργειας που παρουσιάζεται περιγράφει τις συνιστώσες ισχύος όχι μόνο ποσοτικά, αλλά και ποιοτικά. Από φυσικής πλευράς βασίζεται στη γενίκευση της έννοιας της αμοιβαίας σύζευξης. Η προσέγγιση που ακολουθείται επιτρέπει την φυσική ερμηνεία όλων των συνιστωσών της ισχύος, οι οποίες συνδέονται με μια αναπαράσταση μέσω ισοδυνάμου κυκλώματος. Οι προϋπάρχουσες μέθοδοι μπορούν να προκύψουν ως ειδικές περιπτώσεις του μοντέλου. Η βαθύτερη κατανόηση των φαινομένων ισχύος που παρέχει θέτει το θεωρητικό υπόβαθρο για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων, όπως η αντιστάθμιση. Ακολούθως εξετάζεται η επιλογή του βέλτιστου μεγέθους παθητικών φίλτρων με παράλληλους συντονιζόμενους κλάδους. Η διερεύνηση λαμβάνει υπόψη όχι μόνο πηγές αρμονικών ρευμάτων λόγω μη γραμμικών φορτίων αλλά και την παρουσία προϋπάρχουσας αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης. Μέσω αναλυτικής μεθόδου προκύπτουν εκφράσεις κλειστής μορφής για απλοποιημένες περιπτώσεις. Αυτές μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων. Επίσης διαμορφώνεται η γενικότερη περίπτωση του προβλήματος και αντιμετωπίζεται με Γενετικούς Αλγόριθμους. Μέσα από εκτεταμένες εξομοιώσεις για διάφορα επίπεδα αρμονικών τάσης και ρεύματος, διερευνώνται διεξοδικά οι δυνατότητες των παθητικών φίλτρων. Τα πρακτικά συμπεράσματα που προκύπτουν μπορούν να βοηθήσουν στη λήψη αποφάσεων για τον έλεγχο των αρμονικών σε διάφορες εφαρμογές. / In this thesis, appropriate models for the individual components of a grid-connected photovoltaic (PV) system are developed. The aim is to simultaneously and efficiently handle its peculiarities, which are due to the switching action of the switching devices and the nonlinear characteristics of the PV generator and the isolation transformer. Methods that increase simulation speed are developed. This is accomplished by using incremental models for the nonlinear components and efficient algorithms to handle the variable topology. The presented models can be used for grid-connected PV systems of any configuration. Through simulations of the performance of a residential grid-connected PV system the sensitivity of the harmonic distortion of voltages and currents to variations in system parameters is investigated. Next, a novel model for the energy flow in circuits with nonsinusoidal waveforms is presented. This model provides a mathematical description through the power multivector, which bridges the gap between the instantaneous and apparent power, like the complex power does under sinusoidal conditions. The power multivector permits a systematic and uniform treatment of all cases. The presented energy flow model describes power components not only quantitatively but also qualitatively. From a physical perspective it is based on the generalization of the concept of mutual coupling. The approach that is followed permits the physical interpretation of all power components, which are associated with an equivalent circuit representation. Pre-existing methods can be derived as special cases of the model. The deeper understanding of power phenomena it provides sets the theoretical foundation for the solution of practical problems, such as compensation. Next, the optimal sizing of shunt, passive, single-tuned filters is examined. The investigation takes into account not only harmonic current sources due to nonlinear loads but also the presence of background voltage harmonic distortion. Through an analytical approach closed-form expressions are derived for simplified cases. These can help in the comprehension of the influence of various parameters. Moreover, the general case of this problem is formulated and solved using Genetic Algorithms. Through extensive simulations for various current and voltage harmonic levels, the potentialities of these filters are thoroughly investigated. The practical conclusions that are drawn can facilitate decisions regarding harmonic control in various applications.

Τα συστατικά μιας ευαισθητοποιημένης φωτοηλεκτροχημικής ηλιακής κυψελίδας μελετήθηκαν ξεχωριστά: ημιαγωγός, χρωστική και ηλεκτρολύτης. Παρασκευάστηκε και χαρακτηρίστηκε ένας στερεός ηλεκτρολύτης με βάση το υψηλού μοριακού βάρους πολυαιθυλενοξείδιο και νανοδομημένη τιτάνια. Ο ηλεκτρολύτης αυτός έφτασε σε ολικές αποδόσεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική της τάξεως του 4,55%, μία από τις μεγαλύτερες τιμές στη βιβλιογραφία. Χρήση άλλων ημιαγωγών πέρα του διοξειδίου του τιτανίου, όπως το οξείδιο του κασσιτέρου, δεν επέφερε αύξηση της παραπάνω απόδοσης. Νέα σύμπλοκα δισθενούς ρουθηνίου με διαφορετικούς πυριδινικούς υποκαταστάτες χρησιμοποιήθηκαν επίσης ως χρωστικές με αποδόσεις που έφτασαν μόλις το 1.74%. Επίσης, έγινε χρήση της φασματοσκοπίας micro-Raman για να θεμελιωθούν αρχικά συνθήκες συντονισμού και να μελετηθεί η χημειορρόφηση της χρωστικής στον ημιαγωγό. Τέλος μελετήθηκαν οι αλληλεπιδράσεις του οξειδοαναγωγικού ζεύγους με τη χρωστική κατά τη λειτουργία της κυψελίδας. / Τhe components of a dye-sensitized solar cell were thoroughly studied:semiconductor, dye and electrolyte. A novel electrolyte based on high molecular weight polyethylene oxide polymer filled with titania nanoparticles was prepared and characterized. The use of this electrolyte led to significantly high overall efficiencies (solar to electrical power) up to 4.55%, a value that is still one of the highest in literature. The use of different than titania conducting substrates, like tin oxide, did not improve the above efficiencies. Novel ruthenium(II) complexes with diver pyridine ligands were used leading to efficiencies up to only 1.74%. Micro-Raman spectrocopy was also used in order to establish resonance conditions to detect the dye chemisorption on the semiconductor substrate. Finally, the redox couple-dye interactions were thorouglh studied during the cell operation.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και κατασκευή μιας διάταξης μετρήσεων για φωτοβολταϊκά συστήματα. 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 υλοποίηση ενός εργαλείου με το οποίο ο χρήστης θα μπορεί να έχει την επίβλεψη των μεγεθών της ηλεκτρικής ενέργειας που διακινούνται από το σύστημα του. Για παράδειγμα να γνωρίζει τα ποσά ισχύος που παράγονται, τα επίπεδα της τάσης και του ρεύματος ακόμα και τα ποσά ισχύος με τα οποία μπορεί να τροφοδοτήσει το δίκτυο της ΔΕΗ αν σκοπεύει να χρησιμοποιεί μέρος της παραγόμενης ενέργειας για της ανάγκες του και να πουλά το περίσσευμα. Αρχικά έγινε η μελέτη και κατασκευή μιας πλακέτας για την προσαρμογή του πραγματικού σήματος του ρεύματος και της τάσης. Ο επεξεργαστής ο οποίος χρησιμοποιείται σε τέτοιου είδους εφαρμογές δεν μπορεί να «διαβάσει» σήματα των οποίων το πλάτος ξεπερνά τα 5 V. Οπότε πρέπει εμείς να φέρουμε τα μεγάλα σήματα σε τέτοια κλίμακα ώστε να είναι διαχειρίσιμα. Ακόμα πρέπει να μετατρέψουμε το σήμα ρεύματος σε σήμα τάσης ανάλογης κλίμακας για να είναι διαχειρίσιμο και αυτό από το υπολογιστικό σύστημα. Στη συνέχεια έγινε μελέτη της διαδικασίας της δειγματοληψίας και αφού υπολογίστηκαν και το SNR, η το ελάχιστο σφάλμα δειγματοληψίας σχεδίασα ένα κατωδιαβατό φίλτρο τύπου Butterworth 4ης τάξης για να περιορίσω τα φαινόμενα aliasing που δημιουργούνται λόγω αλλοίωσης. Το επόμενο βήμα, το οποίο ήταν και το πιο δύσκολο και απαιτητικό, ήταν να σχεδιαστεί ο κώδικας με τον οποίο θα γινόταν η δειγματοληψία και ο υπολογισμός των μεγεθών που μας ενδιέφεραν σε πραγματικό χρόνο (real time). Έγινε πολλαπλασιασμός σε γλώσσα μηχανής (assembly) και χρήση μόνο ακεραίων τιμών για να γίνει ο κώδικας όσο γίνεται πιο γρήγορος μιας και σε ένα τέτοιο σύστημα το βασικότερο που μας απασχολεί είναι η ταχύτητα των πράξεων. Ακόμα χρειάστηκε να συντονιστούν με σήματα interrupt διάφορα περιφερειακά του μικροελεγκτή για να δουλέψει σωστά το σύστημα. Τέλος έγινε προσπάθεια διασύνδεσης του υπάρχοντος προγράμματος με Η/Υ μέσω σειριακής για να γίνει απεικόνιση των αποτελεσμάτων μέσω μιας γραφικής διεπαφής (GUI). / This thesis is about a measuring system for a Photo voltaic Array connected to the grid. In the first chapter there is a survey for the importance of sustainable power sources. Next the project is presented. After that there is a chapter about the sensors that are used. The method of sampling and and filtering the signal is described in the next 3 chapters. Last but not least in the last chapter the user interface is presented

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνώνται οι προδιαγραφές για την εγκατάσταση και τη διασύνδεση με το δίκτυο διανομής ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Ο όρος «οικιακό» αναφέρεται σε φωτοβολταϊκά συστήματα μικρής ισχύος, έως 10 kWp, τα οποία τοποθετούνται πάνω σε κτίρια ή ενσωματώνονται σε αυτά ενώ παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο μέσω της ίδιας παροχής του κτιρίου. Τα οικιακά φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα ώστε να αποτελέσουν πόλο έλξης για τους μελλοντικούς παραγωγούς όπως θερμική μόνωση, ηχομόνωση, ηλιο-προστασία, δεν απαιτούν επιπλέον χώρο για την εγκατάσταση τους, συνεισφέρουν στην κάλυψη του φορτίου αιχμής, δε περιλαμβάνουν κινητά μέρη, προσφέρουν έναν ελκυστικό σχεδιασμό κτιρίου και αντικαθιστούν συμβατικά κατασκευαστικά υλικά. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια θεωρητική ανασκόπηση της φύσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή του ηλιακού κυττάρου, των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των αρχών λειτουργίας τους, καθώς και παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και οι παράγοντες που τα επηρεάζουν. Εν συνεχεία, στο τρίτο κεφάλαιο μπορούμε να δούμε τα κριτήρια με τα οποία επιλέγεται ο τόπος και ο τρόπος εγκατάστασης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, και παρουσιάζονται οι αρχές σχεδιασμού του συστήματος ξεκινώντας από την επιλογή του αντιστροφέα μέχρι τα μέσα προστασίας και την καλωδίωση. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι απαιτήσεις που πρέπει να τηρούνται ώστε να καθίσταται εφικτή η διασύνδεση με το δίκτυο ΧΤ μιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζονται τα κριτήρια τήρησης των ανωτέρω απαιτήσεων, όπως η επάρκεια του δικτύου, η διαμόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης, οι μεταβολές της τάσης, το φαινόμενο flicker, η έγχυση αρμονικών, η νησιδοποίηση και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. Εν τέλει, στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για την μελέτη των παραπάνω προδιαγραφών σε δύο διατάξεις που εξομοιώθηκαν με το πρόγραμμα PSCAD. Η μια διάταξη περιλαμβάνει μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ισχύος 9.6 kWp, έναν μετατροπέα υποβιβασμού τάσης ο οποίος κάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος, έναν τριφασικό αντιστροφέα με παλμοδότηση SPWM, το φίλτρο LC για τη μείωση του αρμονικού περιεχομένου, έναν μετασχηματιστή απομόνωσης και ανύψωσης τάσης 150V/400V, το δίκτυο ΧΤ και το οικιακό φορτίο. Η δεύτερη διάταξη διαφοροποιείται από την πρώτη στο ότι δεν περιλαμβάνει μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, έτσι ο αντιστροφέας αναλαμβάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος. Αρχικά παρουσιάζεται η απόκριση των συστημάτων σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας και μέση φόρτιση, ενώ εξετάζεται και η επίδραση των τιμών των ελεγκτών στην απόκριση τους. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη αρμονικών και η διερεύνηση της επίδρασης της ακτινοβολίας στους συντελεστές ολικής αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος και τάσης, και στο συντελεστή ισχύος. Έπειτα εξετάζεται η απόκριση των συστημάτων σε απότομες μεταβολές της ακτινοβολίας και του φορτίου. Τέλος διερευνώνται οι διακυμάνσεις της τάσης που εμφανίζονται σε οριακές καταστάσεις λειτουργίας του φωτοβολταϊκού και φόρτισης του δικτύου ενώ εξετάζονται και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. / The aim of the present thesis is the study of the installation and grid-interconnection requirements and specifications of a domestic photovoltaic system. The term “domestic” refers to low power photovoltaic systems (up to 10 kWp), installed or integrated into buildings while providing electric power to the grid through the buildings main power connection. Domestic photovoltaic systems have a number of advantages, such as thermal / sound insulation, solar protection, they do not require extra space in order to be installed, they can contribute in the case of high power demand, they do not require any moving parts, they can prove attractive in terms of building design and even eventually substitute conventional building materials. These advantages are bound to put them in the center of electric power producers’ attention in the immediate future. In the first chapter a theoretic overview of the nature of solar radiation is presented. In the second chapter, photovoltaic cells and panels as well as their function and electrical properties are briefly analyzed. In the third chapter, the criteria of the photovoltaic system’s installation location and method – from the selection of a proper inverter to the system’s electrical protection equipment and wiring. In the fourth chapter the requirements that must be met in order to establish a connection with the power distribution grid are being presented. The relevant criteria such as: a) power grid adequacy, b) proper design and configuration of the grid connection protection equipment, c) voltage variations, d) flickering, e) voltage/current harmonics, f) islanding, and g) effects on 175Hz remote-operation systems are being studied. Finally, in the fifth chapter, PSCAD-realized simulations with two configurations are presented. The first configuration consists of a 9.6kWp photovoltaic array, a dc-to-dc buck converter which implements a maximum-power-point-tracking algorithm, a SPWM-pulsed three-phase inverter, a LC harmonic filter, an isolating 150V/400Vvoltage transformer, the low-voltage grid and a domestic electric load. The second configuration does not include a buck converter and thus, the maximum-power-point-tracking algorithm is implemented on the inverter. The systems’ response in normal operating conditions and with a medium load as well as the effect of different controller gains in the aforementioned response are initially presented. Afterwards, the system’s voltage/current harmonics and the effect of solar radiation in the Total Harmonic Distortion and Power factors are being studied. In continuation the system’s response in rapid change of solar irradiance / electrical load is presented. Finally, voltage variations which appear in boundary operating conditions of the grid and photovoltaic system, as well as the impact on 175Hz remote-operation systems are studied.