Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε μέσω του προγράμματος Simulink ένα φωτοβολταϊκό σύστημα το οποίο αποτελούνταν από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο των 60W, έναν DC/DC μετατροπέα Buck-Boost και ένα φορτίο. Στη συνέχεια εφαρμόσθηκαν τέσσερις διαφορετικές μέθοδοι ελέγχου στο φωτοβολταϊκό σύστημα με στόχο να λειτουργεί στο σημείο απόδοσης μέγιστης ισχύος (MPP) και συγκρίναμε τα αποτελέσματα της κάθε μια μεθόδου. Οι μέθοδοι που εφαρμόσθηκαν ήταν η μέθοδος Ανοιχτού Κυκλώματος (Open Voltage Method), η μέθοδος Διαταραχής και Παρατήρησης (Perturb and Observe Method), η μέθοδος Διαφορικής Αγωγιμότητας (Incremental Conductance) και προτείναμε και μια βελτιωμένη μέθοδο Διαταραχής και Παρατήρησης (Improved Perturb and Observe Method). / In this diploma thesis a photovoltaic system was simulated with the program Simulink. The photovoltaic system consisted of a photovoltaic panel of 60W, a buck-boost DC/DC converter and a load. Then four different control methods where applied so that the photovoltaic system would operate at the maximum power point (MPP) and the results of each control method were compared. The control methods which were applied were the Open Voltage Method, the Perturb and Observe Method, the Incremental Conductance Method and we proposed an improved Perturb and Observe Method.

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 διπλωματική μεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης παρουσιάζει μελέτη σε φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζεται βιβλιογραφική ανασκόπηση των φωτοβολταϊκών κυττάρων και γίνεται εμβάθυνση στον μηχανισμό λειτουργίας των φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων με χρωστική ουσία (Dye-sensitized Solar Cells, DSSC). Αναλύονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση του ηλιακού κυττάρου: υποστρώματα από Indium-Tin Oxide (ITO), υμένιο από νανο-κρυσταλλικό διοξείδιο του τιτανίου (TiO2), οργανικές χρωστικές ουσίες, υγρός/στερεός ηλεκτρολύτης ιωδίου και αντιηλεκτρόδιο. Επιπλέον, περιγράφονται πειραματικές διατάξεις από ελληνικά και διεθνή εργαστήρια τα οποία παρουσιάζουν τις νέες εξελίξεις στον τομέα των φωτοευαίσθητων φωτοβολταϊκών. Στο πειραματικό μέρος περιγράφεται η διαδικασία σύνθεσης φωτοευαίσθητων ηλιακών κυττάρων στο εργαστήριο. Γίνεται μελέτη των επιμέρους υλικών και σύνθεση νέων ηλιακών κυττάρων, έτσι ώστε να επιτευχθεί αύξηση της απόδοσης και της σταθερότητας των υποστρωμάτων τους. Σύμφωνα με την θεωρία Shockley–Queisser, η μέγιστη θεωρητική απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου φτάνει το 30% και με επόμενες παρόμοιες μεθόδους υπολογίσθηκε ότι μπορεί να φτάσει το 68%. Παρουσιάζονται επιπλέον, πειραματικές διατάξεις με εφαρμογή χαμηλοδιάστατου ημιαγωγού, με σκοπό την αύξηση της απόδοσης και ταυτόχρονα την μείωση του υλικού και του κόστους του φωτοβολταϊκού. Η μελέτη και ο χαρακτηρισμός των επιμέρους υλικών έγινε με την χρήση τεχνικών οργάνων, όπως: XRD, UV, PL, SEM. Η μέτρηση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων πραγματοποιήθηκε σε εσωτερικό σκοτεινό χώρο με προσομοίωση του ηλιακού φωτός με την χρήση του ηλεκτρομέτρου και υπολογίστηκαν οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών κυττάρων. / The present master thesis presents a study on photo-sensitized solar cells, which convert solar radiation into electricity. The theoretical part includes a literature of relevant works on solar cells and a description of the operation mechanism of photo-sensitized solar cells using pigment (Dye-sensitized solar cells, DSSC). The materials used for the fabrication of solar cell were Indium-Tin Oxide (ITO) for the substrate, thin film from nanoparticles of titanium dioxide (TiO2), organic pigments, liquid/solid iodide electrolyte and counter electrode. In addition, testing devices and cell fabrication procedures, from national and international laboratories covering the developments in the field of photosensitive solar cells, are also included. In the experimental part, the procedure for the synthesis of photo-sensitized solar cells is extensively described. The used materials and the synthesis mode to achieve new cell types with increased efficiencies and substrate stability are presented. According to Shockley-Queisser theory, the theoretically maximum efficiency of solar cell is up to 30%, which in other methods it has been extended to 68%. In the same part, experimental procedures for other semiconductor application are additionally presented, aiming to a reduction in material and cost. The study and the characterization of the used materials were performed by using suitable equipment as XRD, UV, PL and SEM. The solar cell efficiency was measured in a dark room using electrometer and the efficiency were obtained.

Στην περιγραφόμενη διπλωματική εργασία μελετώνται τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα και γίνεται η μελέτη για την τροφοδότηση μιας αγροικίας στην περιοχή της Πάτρας. Τέτοια συστήματα αποτελούνται από φωτοβολταϊκά πλαίσια, συσσωρευτές και ηλεκτρονικές διατάξεις. Τα πλαίσια είναι αυτά που συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και μέσω ενός μηχανισμού, που λέγεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο, την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι συσσωρευτές αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια, την οποία εκμεταλλευόμαστε όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις, δηλαδή ο μετατροπέας τάσης και ο ελεγκτής φόρτισης, ευθύνονται για την μετατροπή της συνεχούς ισχύος σε εναλλασσόμενη καθώς, επίσης, και για την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Αφού γίνει παρουσίαση όλης της θεωρίας και των μαθηματικών τύπων που απαιτούνται, γίνεται εφαρμογή τους μέσω του σχεδιασμού του κατάλληλου φωτοβολταϊκού συστήματος για την τροφοδότηση της αγροικίας. / The subject of this diploma thesis is the study of stand-alone photovoltaic systems. Such systems include photovoltaic modules, batteries, inverters and charge controllers as well. The photovoltaic modules collect solar energy and transform it into electrical energy via a mechanism that is called photovoltaic effect. Batteries storage electrical energy and are used when the electrical demand is greater than the energy generated by the modules. Inverters are used to convert DC power into AC power and charge controllers connect or disconnect the batteries from the system, as needed. After presenting the theory data required, a stand-alone photovoltaic system is designed so as to supply a country house.