Remotely located and sparsely populated areas often do not have access to an efficient grid connection for electricity supply. However, plenty of biomass is normally available in such areas. Instead of employing island solutions such as small diesel generators or large battery stacks for power provision, a flexibly operating microscale biomass power plant using locally available and renewable feedstock is not only an efficient way of providing those areas with competitive and reliable electricity, but also a step towards energy self sufficiency for a large share of areas worldwide, and towards mitigating the looming high costs of grid infrastructure upgrading and extension. A novel power plant design combining thermo chemical and biochemical biomass treatment was developed in this research. This system consists of a small scale gasifier and an anaerobic digester unit, both coupled to a gas storage system and a micro turbine as the generation unit. This design is suitable to continuously provide reliable electricity and accommodate fluctuating residential power demand, and it can be scaled to a level of around 100kWe, which is a fitting size for a group of residential customers, such as in a remote village. The project covers a review of available technology; the choice of suitable technology for such a plant and the design of the system; the set up of a detailed plant model in chemical engineering software; extensive simulation studies on the basis of load profiles to evaluate and optimise operation; and feedstock sourcing, efficiency and economic analyses. It will be shown that such a system is a feasible and economic solution for remote power supply, and that it can overcome many of the current obstacles of electrifying rural regions.

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).

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The continuous economic development of many countries and the emerging environmental issues (gas emissions and the greenhouse effect) observed in the last decades forced an intense research in renewable energy sources. Hydro, photovoltaic (PV) and wind energy conversion are the most explored technologies due to their considerable advantages, such as reliability, low environmental impact and capability to support microgrid systems or to connect to the electric grid. Among these energy sources the PV is pointed out as one of the most modular and environmentally friendly technologies. Furthermore, this technology enabled, by means of stand-alone or off-grid systems, the access of electricity in many communities distant form the grid, and even in difficult access remote applications. However, the PV panel still represents low efficiency and high cost, making imperative the use of efficient and reliable energy processing stages. Therefore, this work proposes a stand-alone photovoltaic system with decentralized configuration, aiming a high energy yield. For the output stage, a multilevel inverter was chosen, aggregating the intrinsic advantages that these converters present. The analysis of each energy processing stage is presented, as well as the modeling and control of the employed converters. Due to the requirement of a backup system (in stand-alone systems), a decentralized configuration of the battery bank is proposed. Moreover, aiming to optimize the backup system lifetime and reduce the maintenance costs, a controlled charge/discharge process on the batteries is implemented. Simulation and experimental results are presented, verifying the functionality of the proposed structure. / O contínuo desenvolvimento econômico de diversos países e as emergentes questões ambientais (emissão de gases e efeito estufa), observados nas últimas décadas, forçaram uma intensa pesquisa em fontes renováveis de energia. Hidro, fotovoltaica (PV Photovoltaic) e eólica são as tecnologias mais exploradas devido as suas vantagens consideráveis, como confiabilidade, reduzidos impactos ambientais e capacidade de suprir pequenas redes ou conexão com a rede elétrica de distribuição. Entre estas fontes de energia, a fotovoltaica destaca-se por ser uma das tecnologias mais modulares, apresentando os menores índices de impactos ambientais. Ainda, esta tecnologia possibilitou, através dos sistemas autônomos (off-grid), o acesso de energia elétrica a diversas comunidades distantes da rede de distribuição, e também em aplicações remotas de difícil acesso. Entretanto, o painel PV ainda apresenta reduzido rendimento e elevado custo, tornando indispensável o uso de estágios de processamento de energia eficientes e confiáveis. Nesse sentido, este trabalho propõe um sistema fotovoltaico autônomo que utiliza uma configuração descentralizada, visando um melhor aproveitamento de energia gerada. Para o estágio de saída, optou-se pela utilização de um inversor multinível, agregando as vantagens intrínsecas que este tipo de conversor apresenta. São apresentadas as análises de cada estágio de processamento de energia, bem como a modelagem e controle de cada conversor empregado. É proposta uma configuração descentralizada para o banco de baterias, visto que se faz necessário um sistema de armazenamento para sistemas autônomos. Ainda, o controle empregado para o sistema de armazenamento de energia implementa um processo de carga/descarga controlado no banco de baterias, visando o aumento da vida útil destas e a redução dos custos por manutenção. São apresentados resultados de simulação e experimentais, comprovando a funcionalidade da estrutura.

Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί, παρουσιάζει τη μελέτη και μοντελοποιήση ενός αυτόνομου υβριδικού συστήματος. Το αυτόνομο σύστημα που εξετάζεται είναι ένα υβριδικό σύστημα ηλεκτροπαραγωγής που αποτελείται από ένα φωτοβολταϊκό πάρκο, μία ανεμογεννήτρια, μία μονάδα υδρογόνου και δύο γεννήτριες βιομάζας και φυσικού αερίου. Για την μοντελοποίηση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδιάσης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Στην εργασία αυτή το ενδιαφέρον εστιάζεται στη συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στη συμπεριφορά σε κάποια μεταβατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: - Βραχυκύκλωμα των τριών φάσεων ως προς γη στο ζυγό της σύγχρονης γεννήτριας φυσικού αερίου - Συμπεριφορά συστήματος σε απότομη αποσύνδεση της ανεμογεννήτριας - Συμπεριφορά συστήματος σε διακοπή παροχής ρεύματος στην μονάδα υδρογόνου από το Φ/Β πάρκο Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία γενικότερη αναφορά στο Φ/Β σύστημα. Στο Κεφαλαιο 2 γίνεται μία γενικότερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μία γενικότερη αναφορά στο υδρογόνο. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται μία γενικότερη αναφορά στην βιομάζα. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται μία γενικότερη αναφορά στο φυσικό αέριο. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται μία γενικότερη αναφορά στις σύγχρονες μηχανές και στο μαθηματικό τους υπόβαθρο. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφεται η δομή και τα στοιχεία που αποτελούν το αυτόνομο υβριδικό δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής στο περιβάλλον του προγράμμματος μοντελοποιήσης, του PSCAD και παρουσιάζονται τα μοντέλα που απαρτίζουν το συνολικό σύστημα. Στο Κεφάλαιο 8 εξετάζεται η συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Στο Κεφάλαιο 9 εξετάζεται η συμπεριφορά του συστήματος στα τρία μεταβατικά φαινόμενα που έχουν προαναφερθεί, στο βραχυκύκλωμα των τριών φάσεων ως προς γη στο ζυγό της σύγχρονης γεννήτριας φυσικού αερίου, στην απότομη αποσύνδεση της ανεμογεννήτριας και στην διακόπη παροχής ρεύματος στην μονάδα υδρογόνου. / The thesis that follows, presents the study and the modelling of an autonomous hybrid system. The autonomous system that is examined is an electricity generating hybrid system that constists of a photovoltaic system, a wind generator, a hydrogen unit, a biomass generator and a natural gas generator. For the modelling of the system a designing and simulation program is used known as PSCAD. The main course of the current subject is the behavior of the system in the permanent situation of operation and the behavior of it in certain transient states. The transient states that are examined are the following: - Short-circuit of the three phases as for the ground on the natural gas generator bus. - Behavior of system in abrupt detachment of wind generator. - Behavior of system in abrupt detachment of the hydrogen unit. In Chapter 1 follows a theoretical analysis of the PV system. In Chapter 2 follows a theoretical analysis of the wind generator. In Chapter 3 follows a theoretical analysis of the hydrogen unit. In Chapter 4 follows a theoretical analysis of the biomass. In Chapter 5 follows a theoretical analysis of the natural gas. In Chapter 6 follows a theoretical and mathematical analysis of the synchronous machines. In Chapter 7 we describe the structure and the elements that constitute the autonomous hybrid system of electric generation in the environment of PSCAD. Also, the models that compose the total system are shown. In Chapter 8 is examined the reaction of system in the permanent situation of operation. In Chapter 9 is examined the reaction of system in the three transient states that have been mentioned before.