Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των βασικών διατάξεων από τις οποίες αποτελείται ένα μονοφασικό φωτοβολταϊκό σύστημα που συνδέεται στο δίκτυο, ο σχεδιασμός του καθώς επίσης και η εξομοίωσή του με χρήση του πακέτου MATLAB/SIMULINK. Το σύστημα περιλαμβάνει την φωτοβολταϊκή γεννήτρια, τον μονοφασικό αντιστροφέα, τον dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα, ένα L-C φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα καθώς επίσης και φορτίο, το οποίο μεσολαβεί μεταξύ φίλτρου και δικτύου. Ο σχεδιασμός ενός συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος περιλαμβάνει: τον προσδιορισμό του αριθμού των κυττάρων ή πλαισίων που θα συνδεθούν σε σειρά και παράλληλα, της χωρητικότητας του dc πυκνωτή στην είσοδο του αντιστροφέα και του μεγέθους του L-C φίλτρου. Η εξομοίωση στο γραφικό περιβάλλον SIMULINK είχε σαν στόχο την απεικόνιση των κυματομορφών ρεύματος και τάσης σε διάφορα σημεία του κυκλώματος καθώς επίσης και την καταγραφή των αρμονικών μέχρι και 49ης τάξης της τάσης στο φορτίο και του ρεύματος στον κλάδο πριν το φορτίο. Οι συνθήκες που έπρεπε να πληρούνται κατά την εξομοίωση ήταν: 1) η dc τάση στην είσοδο του αντιστροφέα να κυμαίνεται κοντά στην τιμή της τάσης που αντιστοιχούσε στο σημείο μέγιστης ισχύος 2) η διαφορά φάσης μεταξύ τάσης στο φορτίο και ρεύματος στον κλάδο πριν το φορτίο να είναι σχεδόν μηδενική. / -

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση φωτοβολταϊκού (ΦΒ) συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο διανομής της ΔΕΗ. Στόχος είναι η αναλυτική παρουσίαση των μονάδων που χρησιμοποιούνται στο συνδεδεμένο στο δίκτυο φωτοβολταϊκό σύστημα ούτως ώστε να καθίσταται δυνατή η εγκατάσταση του. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγική αναφορά για την ανάγκη χρησιμοποίησης των ΦΒ συστημάτων, τα είδη των συστημάτων που χρησιμοποιούνται σήμερα καθώς και των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που έχουν σε σχέση με τις υπόλοιπες πηγές ενέργειας που έχει στη διάθεση του ο άνθρωπος σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή της ηλιακής ακτινοβολίας. Παρουσιάζονται οι εξισώσεις υπολογισμού της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και οι εξισώσεις υπολογισμού της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας που προσπίπτουν σε μια επιφάνεια. Ακόμα, γίνεται αναφορά στη διαδικασία επιλογής κατάλληλου προσανατολισμού του φωτοβολταϊκού πλαισίου ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από το ΦΒ πλαίσιο. Στο τελευταίο τμήμα του κεφαλαίου αυτού περιγράφονται τα όργανα μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας και η αρχή λειτουργίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται λεπτομερώς η διαδικασία παραγωγής ενέργειας όταν προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία σε μια επαφή δυο διαφορετικά νοθευμένων ημιαγωγών (φωτοβολταϊκό φαινόμενο). Στη συνέχεια περιγράφονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων και οι σημαντικότεροι παράγοντες που τα επηρεάζουν. Ακόμα γίνεται αναφορά στα είδη των φωτοβολταϊκών στοιχείων που έχουν κατασκευαστεί καθώς και στα ημιαγωγικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τους. Το κεφάλαιο κλείνει με την περιγραφή του τρόπου σύνδεσης των ΦΒ στοιχείων και τις διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται ώστε να μειώνονται όσο το δυνατόν περισσότερο οι απώλειες όταν κάποιο από τα συνδεδεμένα ΦΒ στοιχεία είτε δεν λειτουργεί είτε είναι σκιασμένο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αρχικά γίνεται μια αναφορά των ειδών των συνδεδεμένων στο δίκτυο φωτοβολταϊκών συστημάτων που υπάρχουν και εν συνεχεία παρουσιάζονται εκτενώς οι κατηγορίες των DC-AC μετατροπέων που χρησιμοποιούνται στα συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα. Επίσης, περιγράφονται οι λειτουργίες που εκτελούν οι σύγχρονοι συνδεδεμένοι με το δίκτυο αντιστροφείς, η αρχή λειτουργίας τους, τα χαρακτηριστικά τους καθώς και οι ιδιότητες τους. Ακόμα περιγράφεται η συμπεριφορά του αντιστροφέα όταν συμβαίνει το φαινόμενο της υπερφόρτωσης. Στο τελευταίο τμήμα της ενότητας αυτής δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη ώστε να επιλεγεί ο κατάλληλος αντιστροφέας για τη βέλτιστη λειτουργία του συστήματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη του συνδεδεμένου στο δίκτυο συστήματος. Αναφέρονται τα κριτήρια επιλογής της ισχύος του συστήματος και ο τρόπος υπολογισμού της ενέργειας που παράγεται. Στη συνέχεια, καταγράφονται οι εξισώσεις υπολογισμού του αριθμού των πλαισίων, καθορισμού της συνδεσμολογίας της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, υπολογισμού της ισχύος εξόδου, υπολογισμού της ελάχιστης απόστασης μεταξύ δυο γειτονικών σειρών ΦΒ πλαισίων και του εμβαδού που θα καταλαμβάνουν τα ΦΒ πλαίσια. Κατόπιν, περιγράφεται η διαδικασία επιλογής του ιδανικού αντιστροφέα ώστε να επιλεγούν οι απαραίτητοι ηλεκτρικοί αγωγοί με την κατάλληλη διατομή. Εν συνεχεία, αναφέρεται ο τρόπος υπολογισμού των ηλεκτρικών καταναλώσεων που ενδεχομένως θα υπάρχουν. Τέλος, περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος γείωσης του συστήματος καθώς και των παραμέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη ώστε να είναι ασφαλής η σύνδεσή του στο δίκτυο. Στο έκτο κεφάλαιο μελετάται αναλυτικά η εγκατάσταση των συνδεδεμένων στο δίκτυο φωτοβολταϊκών συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις. Περιγράφεται ο τρόπος επιλογής σωστού προσανατολισμού των φωτοβολταϊκών πλαισίων τα οποία είναι τοποθετημένα σε κτιριακή εγκατάσταση και γενικότερα οι παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη για τη σχεδίαση και εγκατάσταση ενός κτιριακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Ακολούθως, αναφέρεται η προστασία των ΦΒ από τυχόν υπερτάσεις καθώς και η αντικεραυνική προστασία τους. Ακόμα, εξηγείται αναλυτικά και παρουσιάζεται με σχήματα η σύνδεση των ΦΒ συστημάτων στο δίκτυο. Τέλος, παρουσιάζονται τα επιτρεπτά όρια και τα προβλήματα που προκύπτουν από την έγχυση αρμονικών συνιστωσών του ρεύματος και της τάσης στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο έβδομο κεφάλαιο μελετάται η εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος 2880 W που περατώθηκε στο εργαστήριο παραγωγής, μεταφοράς , διανομής και χρησιμοποιήσεως ηλεκτρικής ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Περιγράφονται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και οι αντιστροφείς που επιλέχθηκαν, η διαδικασία σύνδεσης των πλαισίων και τέλος υπολογίζονται οι διατομές των καλωδίων που χρησιμοποιήθηκαν. Στα παραρτήματα παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πλαισίων και των αντιστροφέων από τις εταιρίες παραγωγής . / The purpose of the present thesis is the design of a grid connected photovoltaic system. Firstly, the solar radiation as well as the solar radiation particularly in Greece is reported and the mathematical tools to calculate the solar radiation on earth´s surface are provided too. Moreover, the photovoltaic effect is presented and the electrical features of solar cells are analyzed. Yet, an important part of the thesis is the description of the features and properties of the grid connected inventers. Furthermore, a detailed study of a grid connected photovoltaic system is reported (PV modules, inverters, grounding etc.) especially the PV system on a building installation. Finally, a reference to the PV system of a nominal power of 2880W which is installed in the power systems laboratory at the Electrical and Computer Engineering Department at the University of Patras is made.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό ενός Φωτοβολταϊκού Συστήματος, και τη σύνδεση αυτού στο δίκτυο διανομής. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός, πέρα από την εγκατάσταση του εξοπλισμού, είναι η μελέτη του συστήματος που σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί με 3 διαφορετικούς τρόπους: α) Μονοφασικό Σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής, β) Τριφασικό Σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής και γ) Μονοφασικό αυτόνομο Σύστημα. Αρχικά, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και περιγράφεται η κατάσταση στην Ελλάδα σχετικά με αυτές. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς επίσης και ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται ο βέλτιστος τρόπος τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Επιπλέον, εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων και αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών κυττάρων που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Συνεχίζοντας, παρατίθενται τα στοιχεία ενός συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος και οι γενικές αρχές σχεδίασής του. Έπειτα, παρουσιάζεται η μελέτη, ο τρόπος λειτουργίας και ο εξοπλισμός του συστήματος που εγκαταστάθηκε στο Εργαστήριο, και καταγράφονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν και τα σχετικά διαγράμματα για μονοφασική και τριφασική συνδεδεμένη στο δίκτυο λειτουργία. Τέλος, γίνεται αναφορά στις δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. / The Scope of this thesis is the design of a Photovoltaic System, and its connection to the distribution grid. The project was conducted at the Power Systems Laboratory in the Department of Electrical and Computer Engineering of the School of Engineering at the University of Patras. An additional aim of the thesis is the study of the commissioned system, designed to operate in three different functions: a) Single-phase system connected to the distribution grid, b) Three-phase system connected to the distribution grid, and c) Stand-alone Single-phase system. The opening chapter of this study contains a detailed presentation of the existing Renewable Energy Sources, followed by a description of the current situation in Greece. In the next chapter, the variables concerning solar irradiance are analyzed, and the optimal principles of mounting photovoltaic modules are extrapolated. Furthermore, the photovoltaic phenomenon and the electrical behavior of photovoltaic cells is explained, and the photovoltaic technology employed today is concisely mentioned. Also, the components of a photovoltaic system are presented, and the categories and general design principles are covered in detail. Moreover, the study, mode of operation and components of the commissioned system are presented, along with the measurements and the relevant diagrams concerning the Single-phase and Three-phase, grid-connected operation. In conclusion, there is a description of the difficulties and problems that were encountered during the installation of the components.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και την εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός, πέρα από την εγκατάσταση του εξοπλισμού, είναι η μελέτη του συστήματος που δημιουργήθηκε ώστε να λειτουργεί με 3 διαφορετικούς τρόπους: α) Μονοφασικό συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής, β) Τριφασικό συνδεδεμένο στο δίκτυο διανομής και γ) Μονοφασικό αυτόνομο. Το σύστημα που δημιουργήσαμε αποτελείται από μία φωτοβολταϊκη συστοιχία με ονομαστική ισχύ 2880 W, τρείς αντιστροφείς συνδεδεμένου συστήματος και ένα αντιστροφέα αυτόνομου συστήματος. Ακόμη για τη σωστή εγκατάσταση χρησιμοποιήσαμε κατάλληλα προστατευτικά στοιχεία, βάσεις, καλώδια και συσσωρευτές. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή για την ενέργεια και τη χρησιμοποίηση της από τον άνθρωπο και περιγράφεται η ηλεκτροπαραγωγή, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και τα βασικά στοιχεία του ηλεκτρικού συστήματος στην Ελλάδα για το 2009. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς επίσης και ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται ο βέλτιστος τρόπος τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στο τρίτο κεφάλαιο, εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων, αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και αναφέρονται οι διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών στοιχείων που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στα είδη των μετατροπέων ισχύος και στο βαθμό απόδοσης τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρατίθενται οι γενικές αρχές δημιουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και παρουσιάζονται τα είδη των Φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μελέτη, ο τρόπος λειτουργίας και ο εξοπλισμός του συστήματος που εγκαταστάθηκε στο Εργαστήριο. Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν και τα σχετικά διαγράμματα, ο σχολιασμός τους όπως επίσης και ο τρόπος καταγραφής τους. Στο όγδοο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στις δυσκολίες που παρουσιάστηκαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. / The present thesis is concerned with the design and installation of a photovoltaic system. The work was conducted at the Power systems Laboratory of the Department of Electrical and Computer Engineering School of Engineering, University of Patras. The objective of this thesis is the installation of the equipment and the study of the system, set up to work in three different ways: a) Single-phase grid connected, b) Three-phase grid connected and c) Single phase stand-alone. The photovoltaic system that was installed in the laboratory consists of a photovoltaic array with rated power 2880W, 3 inverters for a grid connected system and 1 inverter for a stand-alone system. In addition, cables, protective equipment, mounting bases and batteries were used. The first chapter is an introduction to energy and describes the power production, the renewable energy sources and the basic information of the electrical system of Greece in 2009. The second chapter presents the features of solar radiation, and the optimal method for the mounting of the modules. The third chapter explains the way that the operation of a photovoltaic cell, analyses the electric characteristics and reports the various technologies of the photovoltaics. The fourth chapter analyses the types of the power converters and their efficiency. The fifth chapter presents the general principles of creating a photovoltaic system, the way of their connection, and presents the types of Photovoltaic systems. The sixth chapter presents the way of operation and the equipment of the photovoltaic system that was installed in the Laboratory. The seventh chapter explains the details of the present study regarding the mode of operation and the equipment of the system that was installed in the Lab, showing the relevant measurements and charts. The eighth chapter is a reference to the difficulties encountered throughout the implementation of the project.

Η παρούσα διπλωματική έχει ως σκοπό να διερευνήσει τους τρόπους με τους οποίους θα μπορέσουμε να λειτουργήσουμε φωτοβολταϊκά συστήματα στο βέλτιστο σημείο τους, στο σημείο μέγιστης ισχύος. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται γενικά χαρακτηριστικά, αρχές λειτουργίας και σχέσεις μοντελοποίησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Στο δεύτερο κεφάλαιο εξετάζονται οι διατάξεις Ανίχνευσης Μέγιστου Σημείου Ισχύος (Maximum Power Point Tracking) και δίνεται βαρύτητα στις 3 βασικότερες τοπολογίες των μετατροπέων: DC-DC μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (step down ή buck DC-DC converter), DC-DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης (step up ή boost DC-DC converter), μικτός DC-DC μετατροπέας (step down/up ή buck-boost DC-DC converter). Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά ο μικτός DC-DC μετατροπέας και όλες οι περιπτώσεις λειτουργίας του (λειτουργία συνεχούς ρεύματος, οριακή λειτουργία, ασυνεχής λειτουργία) Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται οι αρχές λειτουργίας και οι βασικές ιδιότητες των αλγόριθμων αναζήτησης MPP. Κατηγοριοποιούνται σε ομάδες ενώ αναφέρονται τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Αναφορικά κάποιοι από αυτούς είναι: ο αλγόριθμος διατάραξης και παρατήρησης, ο αλγόριθμος αυξητικής αγωγιμότητας και ο αλγόριθμος παρασιτικής χωρητικότητας. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται προσομοίωση στον υπολογιστή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος με DC-DC μετατροπέα και σταθερό ωμικό φορτίο με τη βοήθεια του λογισμικού Matlab/Simulink. Γίνεται υπολογισμός των βασικών στοιχείων του και εξάγονται οι γραφικές παραστάσεις για τη λειτουργία του σε διαφορετικές καταστάσεις ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Τέλος, από την προσομοίωση φαίνονται τα αποτελέσματα στην απόδοση του φωτοβολταϊκού όταν μεταβάλουμε το βήμα διαταραχής της σχετικής διάρκειας αγωγής και το χρόνο δειγματοληψίας. / -

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

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

Τα τελευταία χρόνια οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ένας τομέας που παρουσιάζει αλματώδη ανάπτυξη. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ενέργεια, αλλά και σε θέματα προστασίας του περιβάλλοντος, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη αυτή. Στην εργασία αυτή γίνεται μελέτη των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στους μετατροπείς ισχύος, για σύνδεση ανανεώσιμων συστημάτων παραγωγής ενέργειας στο δίκτυο. Αρχικά, θα παρουσιαστούν τοπολογίες μετατροπέων ισχύος για σύνδεση με το δίκτυο φωτοβολταικών (ΦΒ) συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Ο μετατροπέας ισχύος, που λειτουργεί ως αντιστροφέας στην περίπτωση σύνδεσης με το δίκτυο ΦΒ συστημάτων, είναι το κυριότερο στοιχείο του συστήματος γιατί μετατρέπει την DC ισχύ που παράγεται από το ΦΒ σύστημα σε AC ισχύ, που παρέχεται στο δίκτυο. Για τη σύνδεση διανεμημένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας με το δίκτυο πρέπει να πληρούνται ορισμένες προϋποθέσεις, έτσι ώστε να διασφαλισθεί ασφαλής και συνεχής ροή ισχύος στο δίκτυο. Οι προϋποθέσεις που απαιτούνται παρουσιάζονται στο δεύτερο κεφάλαιο. Το ηλεκτρικό δίκτυο είναι ένα δυναμικό σύστημα, του οποίου η συμπεριφορά εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Συνεπώς, οι συδεδεμένοι στο δίκτυο μετατροπείς ισχύος θα πρέπει να είναι σχεδιασμένοι έτσι ώστε να εγγυώνται σταθερή λειτουργία υπό κανονικές συνθήκες τάσης. Ακόμα, πολύ σημαντικός είναι και ο σχεδιασμός αλγόριθμων ελέγχου οι οποίοι εγγυώνται ασφαλή και σθεναρή λειτουργία κατά τη διάρκεια σφαλμάτων. Η AC ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο, υπό κανονικές συνθήκες, πρέπει να είναι συγχρονισμένη με αυτό. Οι μέθοδοι συγχρονισμού του AC ρεύματος του μετατροπέα, που παρέχει την ισχύ στο δίκτυο, παρουσιάζονται στο τρίτο κεφάλαιο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης. Δίνονται λόγοι για τους οποίους το φαινόμενο αυτό είναι ανεπιθύμητο σε ΦΒ συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τεχνολογίες που ανιχνεύουν το φαινόμενο ώστε να αποσυνδέσουν το σύστημα από το δίκτυο. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται στρατηγικές υλοποίησης ελεγκτών, ώστε υπό μη κανονικές συνθήκες οι μετατροπείς ισχύος να παρέχουν την απαιτούμενη στήριξη στο δίκτυο. / In the last few years, renewable energy sources have experienced swift growth, due to the evergrowing needs for energy and environmental concerns. In the present, the technologies used in grid connected power converters for renewable energy sources are studied. In the first chapter, widely used topologies for grid connected power converters, mainly used in photovoltaic (PV) systems, are presented. The power converter, which in this case functions as an inverter, is the key element in grid connected PV systems. This is beacause it is used to convert the DC power generated by PV panels into grid-synchronized AC power. Grid connected PV systems have to comply with requirements, so that safe and seamless tranfer of electrical energy is ensured. These requiremnts are presented in the second chapter. The electrical grid is a dynamical system, whose behaviour depends upon many factors. As a consequence, grid connected power converters should be designed in such way, so that proper operation under generic grid voltage conditions is guaranteed. Furthermore, control algorithms which can guarantee a robust and safe performane under abnorman grid conditions is a key factor in the design of grid connected power converters. The AC power delivered to the grid from a renewable energy source, under generic grid conditions, should be synchronised with a grid parameter. Grid synchronization methods for the regulation of the AC currents or voltages supplied to the grid by the power converter (in PV systems) are presented in the third chapter. In the fourth chapter, the condition of islanding is presented. The reasons why the islanding condition is unwanted in PV systems are mentioned and anti-islanding methods are discussed. Finally, in the fifth chapter, implementation methods of controllers that can guarantee the support to the grid by the power converter, under unbalanced grid conditions, are presented.

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