Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με την επίδραση των πραγματικών συνθηκών στις dc παραμέτρους φωτοβολταϊκών πλαισίων άμορφου πυριτίου (a-Si) και την επενέργειά τους στη διαστασιολόγιση φωτοβολταϊκού συστήματος. Συγκεκριμένα οι μετρήσεις έγιναν στο Πανεπιστήμιο Πατρών και το πλαίσιο είναι άμορφο πυρίτιο τύπου Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12. Ειδικότερα, μετρήσαμε την τάση φωτοβολταϊκού πλαισίου αμόρφου πυριτίου, το ρεύμα, την ηλιακή ακτινοβολία, την θερμοκρασία περιβάλλοντος και τις θερμοκρασίες στην πίσω και τη μπροστινή πλευρά του, σε διαφορετικές ώρες της ημέρας, διαφορετικές κλίσεις και καιρικές συνθήκες. Από τις μετρήσεις αυτές εξάγαμε συμπεράσματα και γραφικές παραστάσεις ρεύματος-τάσης (I-V) και ισχύος-τάσης (P-V) για κάθε μέτρηση. Στην συνέχεια υπολογίσαμε το βέλτιστο συντελεστή απόδοσης του πλαισίου και οδηγηθήκαμε σε συμπεράσματα για την ηλιακή ακτινοβολία η οποία όσο μεγαλύτερη είναι έχουμε και καλύτερη απόδοση του πλαισίου μας. Επίσης, μετρήσαμε τις διαστάσεις του Πανεπιστημιακού γυμναστηρίου και βρήκαμε το βέλτιστο αριθμό πλαισίων και τη βέλτιστη κλίση ώστε να τοποθετηθούν στο χώρο αυτό για να έχουμε τη βέλτιστη απόδοση. γίνεται μελέτη εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων αμόρφου πυριτίου τύπου Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12 στο Πανεπιστημιακό Γυμναστήριο Πατρών και η δυνατότητα λειτουργίας αυτού με πλήρη αυτονομία ή με σύνδεσή του στο δίκτυο της ΔΕΗ. Όσον αφορά την πλήρη αυτονομία οδηγηθήκαμε στο συμπέρασμα ότι υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στην επιφάνεια που έχουμε και στην επιφάνεια που χρειάζεται για να τοποθετηθούν τα Φ/Β πλαίσια έτσι ώστε να καλύπτεται πλήρως το Πανεπιστημιακό Γυμναστήριο. Στη συνέχεια έπειτα από τη μελέτη για το διασυνδεδεμένο σύστημα με το δίκτυο της ΔΕΗ υπολογίστηκε ότι η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι 51,7 MWh/έτος ή 1115 kWh/έτος/kWp για τα συγκεκριμένα Φ/Β πλαίσια και η απαιτούμενη εγκατεστημένη ισχύς PpΣ=46,4 kWp. Με τη χρήση του προγράμματος PVsol προέκυψε ότι η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι ίση με 46,73 kWh/έτος και ότι η εγκατάσταση θα παράγει τελικά 46,73 kWh/έτος *1450 Φ/Β πλαίσια = 67,7 MWh/έτος ή 1.460 kWh/έτος/kWp . Αξίζει να σημειώσουμε ότι οι πειραματικές μετρήσεις της συγκεκριμένης μελέτης αποτελούν ένα μέρος από τις απαιτούμενες μετρήσεις για την ολοκληρωμένη εφαρμογή με την οποία ασχοληθήκαμε στη παρούσα Διπλωματική εργασία. Τέλος, σειρά έχουν τα συμπεράσματα της διπλωματικής αυτής εργασίας και κατόπιν το παράρτημα όπου εκεί βρίσκονται οι μετρήσεις οι οποίες έγιναν για την δημιουργία των γραφικών παραστάσεων που θα χρησιμοποιηθούν παρακάτω / This diploma thesis dealt with the effect of actual conditions in the dc parameters of solar panels amorphous silicon (a-Si) and their effects on diastasiologisi solar system. Specifically, measurements were made at the University of Patras and the framework is amorphous silicon type Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12.Specifically, we measured the voltage of amorphous silicon photovoltaic panel, electricity, solar radiation, ambient temperature and temperatures in the back and front side, at different times of day, different slopes and weather conditions.

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να μελετήσουμε τη λειτουργία και τη συμπεριφορά φωτοβολταϊκών πλαισίων κάτω από πραγματικές συνθήκες και να σχεδιάσουμε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα που θα καλύπτει πλήρως τις ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας. Γι’ αυτόν το σκοπό πραγματοποιήσαμε μετρήσεις στην ταράτσα του κτιρίου Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Πατρών, οι οποίες διήρκησαν από τον Οκτώβρη του 2009 μέχρι τον Σεπτέμβρη του 2010. Οι μετρήσεις γίνονταν μια φορά την εβδομάδα κάτω από διάφορες καιρικές συνθήκες και είχαν συχνότητα μία ώρα από την ανατολή μέχρι τη δύση του ηλίου. Συλλέξαμε δεδομένα για πολλές κλίσεις τοποθέτησης (0ο,30ο,38ο,45ο,60ο, 80ο) ώστε να διαπιστώσουμε τη βέλτιστη κλίση για κάθε περίοδο του έτους. Καταγράφουμε την επίδραση των διαφορετικών κλίσεων στην αποδιδόμενη ενέργεια λόγω του ότι τα Φ/Β τοποθετούνται σε κτίρια όπου πολλές φορές ο χώρος δεν επιτρέπει την τοποθέτηση τους στη κλίση βέλτιστης απόδοσης. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν νότιος ώστε να πετυχαίνουμε καλύτερη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας, αφού η Ελλάδα βρίσκεται στο βόρειο ημισφαίριο. Τα πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν πολυκρυσταλλικού πυριτίου και δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CIS) ονομαστικής ισχύος 80Wp και 75Wp αντίστοιχα. Για την εξαγωγή των πειραματικών δεδομένων χρησιμοποιήσαμε ένα όργανο αποτύπωσης χαρακτηριστικών καμπυλών ρεύματος-τάσης PVPM 2540C ενώ επιπλέον καταγράφαμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία πλαισίου, καθώς και την αποδιδόμενη ισχύ. Στην επεξεργασία των μετρήσεων εστιάσαμε στην επίδραση ορισμένων εξωτερικών παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και η σκίαση, στην παραγόμενη ισχύ και μελετήσαμε ηλεκτρικά μεγέθη όπως το ρεύμα βραχυκύκλωσης και η τάση ανοιχτοκύκλωσης. Σχετικά με την επίδραση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας τα συμπεράσματά μας για τα δύο πλαίσια είναι κοινά. Όσο μεγαλώνει η ισχύς της ακτινοβολίας αυξάνεται ανάλογα και η παραγόμενη ισχύς τους, μέχρι τα 1000 W/m2 όπου φτάνουν τα ονομαστικά τους μεγέθη. Όσο αφορά στην επίδραση της θερμοκρασίας των πλαισίων στη λειτουργίας τους, το πλαίσιο CIS φαίνεται να υπερτερεί, αφού οι αρνητικές επιπτώσεις των υψηλών θερμοκρασιών στην απόδοσή του είναι μικρότερες από εκείνες του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Επίσης τα περισσότερα ηλεκτρικά μεγέθη του CIS εμφανίζουν μεγαλύτερη σταθερότητα με την άνοδο της θερμοκρασίας. Ακόμα, τα αποτελέσματα που πήραμε σκιάζοντας τα δύο πλαίσια έδειξαν πως η επίδραση της οριζόντιας σκίασης είναι παρόμοια στους δύο τύπους φωτοβολταϊκών σε αντίθεση με την κάθετη σκίαση, όπου το πλαίσιο CIS αποδίδει πολύ καλύτερα. Στη συνέχεια προσδιορίσαμε την βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων ανά μήνα αλλά και μία βέλτιστη σταθερή κλίση τοποθέτησης για όλο το χρόνο, η οποία βρέθηκε 30ο. Επιπλέον, υπολογίσαμε την ετήσια παραγόμενη ενέργεια κάθε πλαισίου για σταθερή κλίση 30ο, η οποία αντιστοιχεί σε 1668,45 kWh/kWp∙έτος ή 207,26 kWh/m2∙έτος για το poly-Si και 1743,95 kWh/kWp∙έτος ή 159,5 kWh/m2∙έτος για το CIS. Σε αυτά τα μεγέθη δεν συμπεριλαμβάνονται συντελεστές απωλειών ανομοιογένειας, μεταφοράς, απώλειες στη δίοδο αντεπιστροφής και άλλες μειώσεις της τελικής παραγόμενης ενέργειας που υπάρχουν σε ένα εγκατεστημένο Φ/Β σύστημα. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας αναλύσαμε τα μέρη ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος και σχεδιάσαμε ένα τέτοιο σύστημα για την κάλυψη των αναγκών μιας κατοικίας που κατοικείται όλο το χρόνο, με 4 μέρες αυτονομίας. Το ημερήσιο φορτίο το οποίο μπορεί να καλύψει το σύστημά μας ανέρχεται σε 8,3 kWh/ημέρα. Το τελικό κόστος εγκατάστασης υπολογίστηκε 25100 € ή 4550 €/kWp και η οριζόντια έκταση που καταλαμβάνει 63,4 m2. Με τη βοήθεια του προγράμματος PV*Sol επαληθεύσαμε την μελέτη κάνοντας μοντελοποίηση του αυτόνομου Φ/Β συστήματος που σχεδιάσαμε. Η διαστατοποίηση που προτείνει το πρόγραμμα, μας δίνει ένα σύστημα που έχει κοινές ηλεκτρικές διατάξεις και εγκατεστημένη ισχύ με αυτή που είχε υπολογισθεί. Προτείνοντας, τέλος, μια εναλλακτική λύση προσθέσαμε ένα επιπλέον φορτίο περίπου 7,8-9,3 kWh/ημέρα τους μήνες που έχουμε μεγάλο πλεόνασμα ηλιακής ακτινοβολίας με αποτέλεσμα την αύξηση κατά 50% του μέσου συντελεστή απόδοσης του Φ/Β συστήματος. / The aim of this diploma thesis is to study and analyze the operation of solar modules under real conditions and to design a photovoltaic system that will fully meet the needs of a typical suburban house. In order to achieve that, measurements have been realized on the roof of the building of the department of Electrical and Computer Engineering at the University of Patras, throughout a whole year (October 2009 - September 2010). These measurements were carried out once a week under several weather conditions, every hour from sunrise till sunset. It was essential to collect data within a range of tilt angles (0ο, 30ο, 38ο, 45ο, 60ο, 80ο) to define the optimum one for each period of the year as well as to estimate the energy produced for any probable scenario, since we often can’t place the P/V modules at the most efficient tilt angle due to the building’s space limitation. The module orientation was south to achieve the best utilization of solar radiation, as Greece is located in the northern hemisphere. We used solar modules made of polycrystalline silicon (poly-Si) and copper indium selenide (CIS) of peak power 80 Wp and 75 Wp respectively. In order to obtain the necessary data a device (PVPM 2540C) that plots current–voltage characteristics of P/V modules was used, while we noted down the solar radiation, the module temperature and its power output. During the data process we focused on the influence of certain external factors, such as temperature, solar radiation and shading, regarding the power output and other crucial electrical values as short circuit current and open circuit voltage. So we estimated an optimal tilt angle for each month as well as a fixed optimum angle for the whole year. In addition, we calculated the annual energy yield of each module and analyzed their properties comparing our results. In the final part of this thesis, we described the components of a stand-alone photovoltaic system and designed one that meets all the requirements of a normal house, which is occupied all year round, providing 4 days of autonomy. Finally, our previous report was verified by using a P/V simulating software (PV*Sol).

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά κυρίως τη μελέτη των Αυτόνομων Φωτοβολταϊκών συστημάτων καθώς και τη μεθοδολογία σχεδιασμού τους. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή στη φωτοβολταϊκή τεχνολογία και παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης της. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται λόγος για τα ηλιακά κύτταρα, για τον τρόπο λειτουργίας τους (φωτοβολταϊκό φαινόμενο), για τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και τις παραμέτρους που τα επηρεάζουν. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στις ομαδοποιήσεις των ηλιακών κυττάρων και κυρίως στις συστοιχίες. Παρουσιάζονται τα προβλήματα που δημιουργούνται λόγω της σκίασης και της ανομοιομορφίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ηλιακών κυττάρων και είναι το φαινόμενο των Απωλειών Προσαρμογής και των Τοπικών Υπερθερμάνσεων (φαινόμενο hot-spot). Κατόπιν, παρουσιάζονται οι λύσεις για την αντιμετώπιση των παραπάνω φαινομένων που είναι η χρήση των διόδων παράκαμψης και αντεπιστροφής. Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής αναφορά στους τύπους των συσσωρευτών, τη λειτουργία τους, καθώς και στα προβλήματα που αυτοί αντιμετωπίζουν κατά τη διάρκεια της ζωής τους (θειίκωση, στρωματοποίηση, γήρανση). Επιπλέον, παρουσιάζεται η χρήση των συσσωρευτών σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο, αναπτύσσεται η μεθοδολογία σχεδιασμού ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, που συνίσταται στον υπολογισμό τριών χαρακτηριστικών μεγεθών του, δηλαδή της γωνίας κλίσης β της συστοιχίας, της επιφάνειας Α αυτής και της χωρητικότητας των συσσωρευτών C. Έχοντας ως δεδομένα τις απαιτήσεις του φορτίου και τις τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια με τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, εκλέγεται ο κατάλληλος συνδυασμός των παραπάνω μεγεθών β, Α, C ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του συστήματος. / This thesis mainly concerns the study of autonomous photovoltaic systems and their design methodology. Initially, an introduction to solar technology is curried out and the advantages and disadvantages of its use are presented. The second chapter talks about solar cells, how they work (photovoltaic effect), their electrical characteristics and the parameters that affect them. The third chapter refers to groupings of solar cells and to arrays in particular. It discusses the problems created by shading and variations in the electrical characteristics of solar cells, which are the phenomenon of mismatch losses and local overheating (hot-spot phenomenon). Then, solutions are presented to address these problems, that is the use of by-pass and blocking diodes. The fourth chapter is a detailed report on the types of batteries, their operation as well as the problems they face during their life (sulfation, stratification and aging). Furthermore, we present the use of batteries in photovoltaic systems. The last chapter develops the methodology of designing a stand-alone photovoltaic system, which consists in measuring magnitudes of three characteristics, namely the angle of the array β, its surface A and the battery capacity C. Having the load requirements and the values of solar radiation on a horizontal surface as the data by using a computer, the appropriate combination of the above sizes β, A, C is chosen to meet the system requirements.

Η εμπειρία έχει δείξει ότι στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, η μπαταρία είναι το πιο αδύναμο στοιχείο αφού το προσδόκιμο ζωής της είναι συνήθως αρκετά μικρότερο από ότι όλων των άλλων στοιχείων του συστήματος και για το λόγο αυτό είναι και το πιο ακριβό στοιχείο με το 30% ή και περισσότερο του κόστους ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος καθ’όλη τη διάρκεια της ζωής του να οφείλεται στο σύστημα αποθήκευσης. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η μελέτη των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (που είναι ο βασικός τύπος μπαταριών που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση στα φωτοβολταϊκά συστήματα) και οι τρόποι αντιμετώπισής τους με σκοπό αφενός την επέκταση της διάρκειας της χρήσιμης ζωής των μπαταριών αυτών και αφετέρου τη μείωση του κόστους συντήρησης και αντικατάστασής τους. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στο πρόβλημα της θειίκωσης, το οποίο έχει αποδειχθεί ο σημαντικότερος παράγοντας γήρανσης και τελικά καταστροφής της πλειοψηφίας των μπαταριών μολύβδου οξέος που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα και παρουσιάζονται τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη και την αντιμετώπιση του πολύ σοβαρού αυτού προβλήματος. / Experience has shown that in stand alone photovoltaic systems, battery is the weakest element since its expected lifetime is usually considerably smaller than those of other elements. Thus its cost is the most expensive with 30% or above of the total cost of stand alone photovoltaic system throughout its whole lifespan. Subject of this dissertation is the study of problems that lead acid batteries face and the way to treat them. The aim is to extend their useful lifetime and the reduction of the cost of maintenance and replacement. The problem of sulphation is given special importance, since it has been proved that it constitutes the main aging factor for the majority of lead acid batteries used in photovoltaic systems. Suggestions for treatment are given.

Malgré son grand potentiel, l’énergie photovoltaïque n’arrive pas encore à trouver une grande place dans le paysage énergétique mondial. Elle se heurte à deux problèmes de taille : le coût et le rendement. Les cellules solaires à base du silicium multicristallin (mc-Si) perdent beaucoup de leur rendement à cause de la présence des impuretés métalliques. Plusieurs recherches ont montré que les cavités induites par implantation ionique sont efficaces dans le piégeage des impuretés. Mais les techniques utilisées dans l’implantation n’ont pas permis à ce procédé de se développer dans l’industrie à cause de leur coût élevé. Le plasma immersion ion implantation (PIII) est une technique bas coût qui permet d’implanter de grandes surfaces. Elle est utilisée dans le traitement de surface à l’échelle industrielle, mais à ce jour aucune étude n’a montré son utilisation dans le piégeage des impuretés dans le silicium. Dans cette thèse nous avons créé des cavités dans le mc-Si par implantation d’hydrogène par PIII. Plusieurs techniques de caractérisation ont été utilisées afin d’étudier le mécanisme de formation de ces cavités. La MET, la photoluminescence et les positons ont été utilisées pour avoir un maximum d’informations sur la nature et l’évolution des défauts créés par implantation d’hydrogène. Nous avons également étudié la différence entre les cavités formées par PIII et celles formées par implantation classique. Les cavités formées ont été utilisées, par la suite, pour le piégeage des impuretés métalliques présentes dans le mc-Si (Cu, Fe, Cr et Ni). Les résultats obtenus par SIMS ont monté l’efficacité de notre procédé dans le piégeage des impuretés métalliques. / Extraction of silicon metal impurities to be used for photovoltaic by plasma immersion ion implantation (PII)

Στην παρούσα διατριβή δοκιμάστηκαν καινοτόμα υλικά ως προς τις δυνατότητές τους να χρησιμοποιηθούν σε διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό. Τα συμβατικά ηλιακά στοιχεία, τα αποκαλούμενα και φωτοβολταϊκά πρώτης γενιάς, αποτελούνται από κρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο με κατάλληλες προσμείξεις παράγει ηλεκτρισμό αξιοποιώντας τη φωτοβόληση μιας επαφής p-n. Στην κατεύθυνση αντικατάστασης των συμβατικών ηλιακών στοιχείων έχει προταθεί η κατασκευή κυψελίδων με νανοδομημένα υλικά τα οποία μπορούμε να επιστρώσουμε υπό τη μορφή λεπτών υμενίων. Στην κατεύθυνση αυτή, στην παρούσα διατριβή κατασκευάστηκαν τρεις τύποι τέτοιων ηλιακών στοιχείων: Φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες, ευαισθητοποιημένες είτε μέσω οργανομεταλλικών χρωστικών είτε μέσω ανόργανων νανοκρυστάλλων (Κβαντικές τελείες), υβριδικές κυψελίδες στερεού τύπου, επίσης ευαισθητοποιημένες τόσο μέσω οργανομεταλλικών χρωστικών όσο και μέσω κβαντικών τελειών και τέλος, φωτοκυψέλες καυσίμου (PEC). Η δομή των συστημάτων αυτών σε γενικές γραμμές συμπεριλαμβάνει: (α) το ηλεκτρόδιο ανόδου (φωτοάνοδος), το οποίο αποτελείται από έναν ημιαγωγό ευρέως χάσματος, όπως η τιτάνια, και από τον ευαισθητοποιητή, (β) το ηλεκτρόδιο καθόδου (αντιηλεκτρόδιο) το οποίο εμπλέκει κατά κανόνα κάποιο ευγενές μέταλλο με μεγάλο έργο εξόδου, και (γ) τον ηλεκτρολύτη που εμπεριέχει το κατάλληλο οξειδοαναγωγικό ζεύγος. Στην περίπτωση των ηλιακών στοιχείων στερεού τύπου, ο ηλεκτρολύτης αντικαθίσταται με κάποιο άλλο υλικό, οργανικό ή ανόργανο το οποίο ολοκληρώνει τη δομή και λειτουργία της συσκευής. Καθώς το ηλιακό φως προσπίπτει στην κυψελίδα, φωτόνια απορροφούνται από τα ημιαγώγιμα στρώματα, την τιτάνια, την χρωστική ή τις κβαντικές τελείες, ανάλογα με τη δομή της κυψελίδας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την απορρόφηση των φωτονίων από τα ηλεκτρόνια, τη διέγερση των ηλεκτρονίων αυτών στη ζώνη αγωγιμότητας, την δημιουργία οπών στη ζώνη σθένους στη θέση των ηλεκτρονίων, και εν τέλει τη δημιουργία προϋποθέσεων κυκλοφορίας των iv φορέων ανάμεσα στα υλικά με στόχο την συλλογή τους εξωτερικά και την αξιοποίηση του παραγόμενου (φωτο)ρεύματος. Οι δικές μας παρεμβάσεις αφορούν στην κατασκευή και χαρακτηρισμό ηλιακών στοιχείων καθώς και στη σύνθεση και χαρακτηρισμό καινοτόμων υλικών προκειμένου να αξιοποιηθούν σε ηλιακά στοιχεία στην κατεύθυνση βελτιστοποίησης της απόδοσης αυτών. Στις ευαισθητοποιημένες μέσω χρωστικής, φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες δοκιμάστηκε η χρήση του PEDOT ως ηλεκτροκαταλύτη στην κάθοδο, με σκοπό την αντικατάσταση του Pt, υλικού σπάνιου και ακριβού. Έπειτα δοκιμάστηκε η χρήση συνδυασμού ανόργανων νανοκρυστάλλων, CdS, CdSe, ZnS για την ευαισθητοποίηση του ημιαγωγού στο ορατό φάσμα της ακτινοβολίας, αντί των οργανομεταλλικών χρωστικών. Στις κυψελίδες αυτές επίσης χρησιμοποιήθηκαν τόσο CuS όσο και CoS ως ηλεκτροκαταλύτες στην κάθοδο. Στα ηλιακά στοιχεία στερεού τύπου οι παρεμβάσεις έγιναν τόσο με την προσθήκη πρόσθετων ουσιών με σκοπό την αύξηση της κινητικότητας των φορέων όσο και στην χρήση ανόργανων ευαισθητοποιητών, παράλληλα με την προσθήκη θυσιαστήριων ουσιών προς αντιμετώπιση των φαινομένων οξείδωσης. Τέλος στις φωτοκυψέλες καυσίμου δοκιμάστηκε η χρήση πολυπυρρολίου στην κάθοδο, επικεντρώνοντας και εδώ στην αντικατάσταση του λευκόχρυσου. / In this thesis, novel materials were tested for their potential use in devices that convert solar energy into electricity. The conventional first generation photovoltaic cells consist of crystalline silicon, which with suitable impurities generates electricity utilizing a p-n contact. In the direction of replacing those conventional solar cells, has been proposed the construction of solar cells with nanostructured materials, which can be applied as thin films. In this thesis we constructed three types of such cells: photoelectrochemical cells sensitized either by organometallic dyes or through inorganic nanocrystals (quantum dots), hybrid solid state solar cells also sensitized both through organometallic dyes and through inorganic nanocrystals and finally photofuel cells (PEC). The structure of these systems generally includes: (a) the anode electrode, which consists of a wide gap semiconductor such as titania or zinc oxide and the sensitizer (b) the cathode (counter electrode) which is normally a noble metal with a large work function, and (c) the electrolyte, which comprises a suitable redox couple. In the case of the solid type solar cells, the electrolyte is replaced with a solid state hole conductor, organic or inorganic, which completes the structure and operation of the device. As sunlight falls on the cell, photons are absorbed by the semiconductor layer, titania, the dye or the quantum dots depending on the structure of the cell. This results in the absorption of photons by the electrons, the excitation of these electrons in the conduction band, creating holes in the valence band, ,and ultimately the creation of charge mobility conditions for the carriers between the combined materials with the purpose to collect them externally and to utilize the produced (photo) current. Our own interventions were related with the test of novel materials in the mentioned solar cells in the direction of the optimization of their performance. In the case of dye sensitized solar cells, PEDOT was tested as the cathode electrocatalyst, towards the replacement of Pt, a rare and expensive material. Then we tried to use a combination of inorganic nanocrystals, CdS, CdSe, ZnS to sensitize the semiconductor in the visible range of radiation in substitution of the organometallic dyes. In the case of quantum dot sensitized solar cells, we also used both CuS and CoS as cathode electrocatalysts. In hybrid solid state solar cells, interventions were made by adding additives in the direction of increasing the mobility of carriers. We also used inorganic sensitizers while adding sacrificial substances to deal with oxidation phenomena. Finally in Photo fuel cells we tested polypyrrole as electrocatalyst in the cathode, focusing again in replacing platinum.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Aσύρματης Τηλεπικοινωνίας του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, και έχει ως σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της εν σειρά αντίστασης στις βέλτιστες τιμές των χαρακτηριστικών παραμέτρων των φωτοβολταϊκών κυττάρων τύπου CIS. Το θεωρητικό μέρος της εργασίας αποσκοπεί στην παράθεση των βασικών αρχών της φυσικής των ημιαγωγών με ιδιαίτερη έμφαση στις φωτοηλεκτρικές τους ιδιότητες και συγκεκριμένα στο λόγο ύπαρξης της εν σειρά αντίστασης ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου. Παρουσιάζονται πρόσφατες μελέτες σχετικές με το θέμα, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά για τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας. Ακολουθώντας τη μελέτη των Priyanka, M. Lal, S.N. Singh, πήραμε μετρήσεις σε συνθήκες σκότους, και από τις I-V χαρακτηριστικές υπολογίσαμε την εσωτερική αντίσταση σειράς του κυττάρου. Στη συνέχεια πραγματοποιήσαμε μετρήσεις τάσεως και ρεύματος στα άκρα του κυττάρου, όταν αυτό φωτίζεται, για να δούμε την επίδραση της αντίστασης σειράς στα χαρακτηριστικά του μεγέθη. Αναλυτικότερα, η πειραματική διαδικασία έγινε αρχικά σε εργαστηριακό περιβάλλον, και στη συνέχεια σε πραγματικές συνθήκες, με χρήση εξωτερικών αντιστάσεων συνδεδεμένων σε σειρά με το κύτταρο CIS. Στην πρώτη περίπτωση η διέγερση του κυττάρου έγινε με λάμπα τόξου υδραργύρου, και η προσπίπτουσα στο κύτταρο ακτινοβολία διατηρείτο σταθερή κατά τη διάρκεια του πειράματος όπως επίσης και η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Πραγματοποιήσαμε μετρήσεις για δύο διαφορετικές κλίσεις του κυττάρου ως προς το οριζόντιο επίπεδο, τις 350 και τις 900, ενώ η δέσμη ακτινοβολίας παρέμενε παράλληλη στο οριζόντιο επίπεδο και για τις δύο περιπτώσεις. Το ίδιο προσπαθούσαμε να πετύχουμε και στις πραγματικές συνθήκες, (όπου το κύτταρο ήταν εκτεθειμένο σε ηλιακή ακτινοβολία) δηλαδή για όσο ήταν δυνατόν σταθερή ακτινοβολία και θερμοκρασία περιβάλλοντος, ώστε οι μετρήσεις να επηρεάζονται μόνο από τη μεταβολή της εν σειρά αντίστασης. Στην περίπτωση αυτή πραγματοποιήσαμε μετρήσεις για τρείς διαφορετικές κλίσεις του κυττάρου ως προς τον ορίζοντα, τις 900, τις 580, και τις 00.Υπολογίσαμε τη μέση ημερήσια αλλά και τη μέση μηνιαία αποδιδόμενη ενέργεια σε kWh, τόσο για τις πειραματικές όσο και για τις θεωρητικές τιμές της ισχύος και της ηλιακής ακτινοβολίας. Η διαφορά τους είναι της τάξης του 28%, και δικαιολογείται λόγω των παραγόντων απωλειών. Στη συνέχεια, πήραμε μετρήσεις από ένα πλαίσιο των 75W με τη βοήθεια κατάλληλης συνδεσμολογίας με υπολογιστή, τον οποίο προγραμματίσαμε να παίρνει μετρήσεις ανά 10 λεπτά. Υπολογίσαμε την ημερήσια ποσότητα ενέργειας σε kWh που μας δίνει το πλαίσιο και επεκτείναμε τον υπολογισμό στη μέση μηνιαία αποδιδόμενη ενέργεια χρησιμοποιώντας αρχικά τις πειραματικές μετρήσεις και στη συνέχεια τις θεωρητικές τιμές της ισχύος του πλαισίου και της ηλιακής ακτινοβολίας. Η διαφορά που προκύπτει είναι της τάξης του 10%. Η μελέτη ολοκληρώθηκε με την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων και την εξαγωγή χαρακτηριστικών καμπυλών του κυττάρου, μέσα από τις οποίες γίνεται δυνατή η σύγκρισή τους με τα θεωρητικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσόμενου ρεύματος (AC-PV module) και τη σύνδεση αυτής στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου (Φ/Β) με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης του Φ/Β πλαισίου και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντίστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε συγκρίνουμε τις τεχνολογίες διασύνδεσης Φ/Β στο δίκτυο χαμηλής τάσης στοχεύοντας στο να εντάξουμε ομαλά τον αναγνώστη στην υπό μελέτη τοπολογία. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης των φωτοβολταικών χαρακτηριστικών, συγκρίνουμε και προσομοιώνουμε δύο τοπολογίες μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή (boost και flyback). Επιπρόσθετα μελετούμε και προσομοιώνουμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών" (sPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η λεπτομερής διαστασιολόγηση ολόκληρου τού υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση της κάθε μονάδας του ξεχωριστά. Αφού διασφαλίσουμε ότι οι αυτοτελείς μοντελοποιημένες μονάδες λειτουργούν με επιτυχία προχωρούμε στην προσομοίωση της πλήρους διάταξης τόσο απουσία κλειστού βρόχου ελέγχου όσο και παρουσία αυτού. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται. και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / Analysis and practical implementation of a two stage topology for connection between PV modules and the common grid.

Les électrodes transparentes sont intégrées dans de nombreux dispositifs optoélectroniques tels que (les OLED, les cellules photovoltaïques, les écrans tactiles...). De nos jours, l’électrode transparente la plus utilisée est l’oxyde d’indium dopé étain (ITO : Indium Tin Oxide) qui présente une transparence élevée et une faible résistance carrée. Malgré ces propriétés optoélectroniques exceptionnelles, l’ITO présente des inconvénients tels que la rareté de l’indium et sa fragilité qui est incompatible avec les substrats flexibles. Les nanofils d’argent (AgNWs) sont considérés comme une alternative potentielle pour remplacer l’ITO en vue de leur excellentes propriétés optoélectroniques et leur flexibilité. Néanmoins, les AgNWs souffrent de certains inconvénients (adhérence au substrat, rugosité). Dans ce travail nous proposons une structure de type Oxyde/Métal/Oxyde (OMO) en insérant une couche d’AgNWs comme couche métallique entre deux couches de nanoparticules d’oxydes (ZnO, AZO, WO3) pour fabriquer des électrodes tricouches de type ZAZ, AAA et WAW. Ces dernières ont montré transmission élevée combinée à une faible résistance carrée, ce qui leur permet d’être considérées comme des électrodes alternatives à l’ITO. De plus, les électrodes ZAZ et AAA ont été intégrées avec succès dans des cellules solaires organiques. En outre, un outil numérique potentiel utilisant la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain) nous permis de confirmer les résultats expérimentaux pour les électrodes ZAZ. Ainsi, l’amélioration de l’absorption au sein de la couche active via l’effet plasmonique des AgNWs a été démontrée également. Finalement, nous avons pu modéliser un réseau semi-aléatoire des AgNWs inséré entre deux couches de ZnO tout en démontrant la différence en transmission entre une couche dense et une en nanoparticules de ZnO. / Transparent Electrodes (TEs) are crucial components of wide variety of optoelectronic devices as (OLEDs, photovoltaic cells, touch screen…). Nowadays, the transparent electrode widely used is Indium Tin Oxide (ITO), due to its good optoelectronic properties. However, it presents some drawbacks such as the indium scarcity and its brittleness which is not compatible with flexible substrates. Silver nanowires (AgNWs) were considered as potential alternative to replace ITO because of their good optical and electrical properties. Although promising, the AgNWs presents some drawbacks, including the poor adhesion to substrate and the surface roughness. In this work, we propose a sandwich structure Oxide/Metal/Oxide (OMO), where the metallic layer is based on AgNWs. We embedded AgNWs between two nanoparticles oxide layers of (ZnO, AZO, WO3) in order to fabricate trilayer electrodes which are ZAZ, AAA, WAW. These trilayer electrodes show a high transmittance and a low sheet resistance, which lead to consider them on of the alternative to the ITO. In addition, the ZAZ and AAA electrodes were successfully integrated in organic solar cells with good photovoltaic performance. Moreover, using the potential numerical method FDTD (Finite Difference Time Domain) we demonstrated a good agreement between the experimental and numerical results for the ZAZ electrodes. Therefore, the enhancement of absorption inside active layer due to the plasmonic effect of AgNWs was also demonstrated. Finally, we can model a randomly network of AgNWs embedded between two layers of ZnO, with investigating the difference between a dense and nanoparticles layer of ZnO.

Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η εξομοίωση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος διασυνδεδεμένου στο τριφασικό δίκτυο με σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας του και του καλύτερου σχεδιασμού του. Το σύστημα περιλαμβάνει τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ένα φίλτρο διασύνδεσης της γεννήτριας με τον αντιστροφέα και ένα απλοποιημένο μοντέλο του τριφασικού συστήματος. Για την εξομοίωση του κυκλώματος το οποίο είναι χρονικά μεταβαλλόμενο λόγω της διακοπτικής λειτουργίας του μετατροπέα αναπτύσσεται μια συστηματική και αποτελεσματική μέθοδος για την ανάλυση κυκλωμάτων που περιέχουν e-R-L, C κλάδους και ιδανικούς διακόπτες. Χρησιμοποιώντας την τοπολογία του κυκλώματος και κατάλληλες μήτρες μετασχηματισμού οι εξισώσεις που περιγράφουν το αγώγιμο και μη αγώγιμο τμήμα του κυκλώματος προκύπτουν αυτόματα. Οι χρησιμοποιούμενες μήτρες μετασχηματισμού προκύπτουν με απλό και συστηματικό τρόπο από τις θεμελιώδης μήτρες του κυκλώματος. Σε κάθε βήμα προκύπτουν τα ρεύματα όλων των κλάδων του κυκλώματος από την επίλυση του αγώγιμου τμήματος αυτού και οι τάσεις των βαλβίδων που δεν άγουν από την επίλυση του μη αγώγιμου τμήματός του. Η μέθοδος είναι γενική και μπορεί να εφαρμοστεί για την μελέτη τυχόντων σφαλμάτων σε οποιοδήποτε τμήμα του κυκλώματος. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για λειτουργία του μετατροπέα ως ανορθωτή, ως αντιστροφέα, ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και με ανιχνευτή σημείου μέγιστης ισχύος. Το χρησιμοποιηθέν μοντέλο θα μπορούσε να βελτιωθεί αν στην θέση του τριφασικού συστήματος χρησιμοποιηθεί ακριβέστερη αναπαράσταση του τριφασικού δικτύου στην οποία να περιλαμβάνεται και ο τριφασικός μετασχηματιστής ισχύος που διασυνδέει το φωτοβολταϊκό σύστημα με το AC δίκτυο. / The objective of this “Diploma Thesis” is the simulation of a grid connected photovoltaic (PV) system and the study of its operation. The system consists of a PV generator, a DC filter and a simplified model of the three-phase system. The method which was used for the simulation of the circuit (which is a varying topology circuit due to the switching operation of the converter) is a systematic, efficient and conceptually simple method for the analysis of circuits consisting of linear e, R, L, C elements and ideal switches. On the basis of well known network topological concepts a suitable transformation tensor is constructed at every step. This tensor constitutes a flexible and powerful tool to assemble automatically the necessary on-switch current and off-switch voltage equations required for any conduction pattern. The method is general and can be applied for the study of any random faults in any part of the circuit. Results of the simulation for operation of the converter as rectifier, as inverter with battery, as inverter with PV generator and as inverter with PV generator and with MPPT are presented. The used model could be improved if the three-phase system is more precisely represented by a power three-phase transformer which connects the PV system with the AC network.