Κεντρικός άξονας της εργασίας είναι η παρουσίαση της δομής ενός αυτονόμου φωτοβολταϊκού συστήματος, καθώς και η τεχνικοοικονομική μελέτη ενός τέτοιου συστήματος. Επίσης μέσα από αυτήν την εργασία θα βγουν συμπεράσματα για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος σε μεταβατική κατάσταση υπό τις δυσμενέστερες συνθήκες. Ξεκινώντας παραθέτουμε τους λόγους για τους οποίους υπάρχει έντονη ανάγκη για την ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας(ΑΠΕ), όπως είναι η μόλυνση του περιβάλλοντος από τις συμβατικές πηγές, η εξάντληση των αποθεμάτων του πετρελαίου αλλά και άλλων πηγών ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς επίσης και μια σειρά από πολιτικοοικονομικούς λόγους με πρώτο την ιδιοπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Εν συνεχεία στο κεφάλαιο 2 αναλύεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε όλη του την έκταση, το πώς δηλαδή μετατρέπεται η ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική με την βοήθεια των ιδιοτήτων των ημιαγώγιμων υλικών που χρησιμοποιούνται στα ηλιακά πλαίσια. Ακόμη αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών, για να δωθεί έτσι και μαθηματικά η σχέση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η παρουσίαση της μπαταρίας. Αρχικά δίνεται η αρχή λειτουργίας και τα είδη των μπαταριών (επαναφορτιζόμενες η μη). Στη συνέχεια εξετάζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, δηλαδή η χωρητικότητα, το βάθος εκφόρτισης-DOD, η στάθμη φόρτισης-SOC και ο συντελεστής φόρτισης της μπαταρίας, που δίνει την απόδοση ισχύος της. Στο κεφάλαιο 4 εξετάζουμε στα μέρη του, ένα τυπικό αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα. Σκοπός του κεφαλαίου είναι να δείξει τη λειτουργία των ηλεκτρονικών μετατροπέων, τον έλεγχο τους και την καταπολέμηση των αρμόνικων που παράγουν αυτοί. Αναλυτικά παρουσιάζεται ο μετατροπεας συνεχούς τάσης DC/DC, ο τρόπος με τον oποίο γίνεται ο έλεγχος του. Επίσης εξηγείται ο καθοριστικός ρόλος του στην λειτουργία του συστήματος. Το ίδιο γίνεται και για τον αντιστροφέα συνεχούς-εναλλασσομενου DC/AC, που είναι μια εξαπαλμική γέφυρα με IGBT μετατροπείς. Τέλος γίνεται και μια εισαγωγή στο θέμα των αρμονικών συνιστωσών που παράγουν οι μετατροπείς μας. Δίνονται στοιχεία για τους κανονισμούς μέσω των οποίων γίνεται και η επιλογή των μετατροπέων και των φίλτρων που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό των αρμονικών συνιστωσών. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται στοιχεία από την οικονομική επιστήμη πάνω στα οποία θα βασιστεί η οικονομική μελέτη που πραγματοποιείται στο κεφάλαιο 7. Οι οικονομικοί δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία αυτή είναι η Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV), ο Εσωτερικός Βαθμός Απόδοσης (IRR), και η Έντοκη Περίοδος Αποπληρωμής (ΕΠΑ). Επίσης στο κεφάλαιο αυτό δόθηκαν στοιχεία για τις μεθόδους αποπληρωμής δανείων, καθώς επίσης αναλύθηκαν οι κλασσικές και οι σύγχρονες μορφές χρηματοδότησης ενός επενδυτικού σχεδίου. Στο κεφάλαιο 6 πραγματοποιείται ο τεχνικός σχεδιασμός του συστήματος. Με βάση τον τόπο εγκατάστασης και τα στοιχεία ακτινοβολίας και θερμοκρασίας γίνεται η επιλογή της κλίσης των συλλεκτών. Στη συνέχεια και με βάση τις απαιτήσεις του φορτίου γίνεται καθορισμός της ισχύος αιχμής, του πλήθους και της οργάνωσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Τέλος με βάση τις απαιτήσεις για επάρκεια ηλεκτρικής ενέργειας για συνεχή λειτουργία του συστήματος καθορίζεται το μέγεθος των συσσωρευτών. Στο κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται η οικονομική μελέτη για δυο διαφορετικά επενδυτικά σχέδια, με τη βοήθεια των οικονομικών δεικτών που αναφέρθησαν παραπάνω. Τα δυο σενάρια διαφέρουν ως προς τον τρόπο χρηματοδότησης (επιχορήγηση-δανειοδότηση) και με την εξέταση τους βγαίνουν πολύ χρήσιμα συμπεράσματα για την επενδυτική αξία τους. Η μελέτη αυτή μπορεί να χρησιμεύει και σαν οδηγός για άλλες παρομοίου τύπου μελέτες. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται το σύστημα που εξετάζουμε στο πρόγραμμα εξομοίωσης PSCAD. Ο λόγος που γίνεται η εξομοίωση είναι για να μελετηθεί ακολούθως η μεταβατική ευστάθεια του συστήματος, δηλαδή η απόκριση του συστήματος σε αλλαγές του φορτίου μας. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονιστεί ότι το PSCAD είναι από τα καταλληλότερα προγράμματα για το σκοπό αυτό, γιατί τα μοντέλα που διαθέτει ανταποκρίνονται σε μεταβατικές συνθήκες. Στο κεφάλαιο 9 πραγματοποιείται η μελέτη μεταβατικής ευσταθείας, αλλάζοντας βηματικά το μηχανικό φορτίο του κινητήρα, που αποτελεί το φορτίο του συστήματος μας. Για να έχουμε αποτελέσματα προς την ασφαλή πλευρά το σύστημα έχει μελετηθεί χωρίς την παρουσία μπαταρίας, δηλαδή υπό τις δυσμενέστερες συνθήκες. Στο κεφάλαιο αυτό δίνονται και εξηγούνται με φυσικό τρόπο τα γραφήματα που φανερώνουν την τελική κατάσταση του συστήματος, εάν δηλαδή το σύστημα οδηγήθηκε στην αστάθεια η όχι. Τέλος στο κεφάλαιο 10 υπάρχει ο επίλογος της εργασίας με ταυτόχρονη προσθήκη και των σημείων οπού επιδέχεται επέκταση η εργασία. / -

Σκοπός της διπλωματική αυτής εργασίας είναι η παραμετρική διερεύνηση ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος. Η διερεύνηση αυτή γίνεται για έξι πόλης της Βορείου Ελλάδος με στόχο την εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων σχετικά με τον σχεδιασμό αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων. Πριν προχωρήσουμε στην παραμετρική διερεύνηση, θεωρήθηκε σκόπιμο να μελετήσουμε θεωρητικά τα κυριότερα μέρη ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Αρχικά, παρατίθεται μια σύντομη Εισαγωγή στην οποία παρουσιάζεται το ενεργειακό, ενώ τονίζεται η σημασία της ανάπτυξης και βελτίωσης ηλεκτροπαραγωγικών μεθόδων βασιζόμενες στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Στο κεφάλαιο 1, αναλύεται η αρχή λειτουργίας των ηλιακών κυττάρων. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στην εξίσωση, την I-V χαρακτηριστική και την απόδοση των Φ/Β κυττάρων, ενώ αναφέρονται και τα κυριότερα είδη αυτών. Στο κεφάλαιο 2, αναφερόμαστε στα κύρια δομικά χαρακτηριστικά μιας Φ/Β συστοιχίας, καθώς και στα προβλήματα που αυτή αντιμετωπίζει και την επίλυση αυτών. Στο κεφάλαιο 3 παρατίθεται η αρχή λειτουργίας καθώς και η δομή των δευτερευόντων συσσωρευτών. Επίσης, ειδική αναφορά γίνεται στους συσσωρευτές Νικελίου-Καδμίου. Στο κεφάλαιο 4, αναπτύσσεται το μοντέλο το οποίο χρησιμοποιούμε για να μετατρέψουμε τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια σε αντίστοιχες τιμές σε κεκλιμένη επιφάνεια. Στο κεφάλαιο 5, χρησιμοποιούμε το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 4 για τον υπολογισμό τιμών της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένη επιφάνεια, για τις έξι υπό μελέτη πόλεις, χρησιμοποιώντας ως τιμές εισόδου τις τιμές που παρατίθενται στον πίνακα Α.1 (Παράρτημα). Οι τιμές που υπολογίζουμε στο κεφάλαιο αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σχεδιασμό Φ/Β συστημάτων συνδεδεμένων με το δίκτυο. Στο κεφάλαιο 6, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία υπολογισμού αυτόνομων Φ/Β συστημάτων. Στα κεφάλαια 7 και 8, χρησιμοποιούμε την μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο για να προσομοιώσουμε την λειτουργία ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος για ετήσια και καλοκαιρινή λειτουργία αντίστοιχα. Μάλιστα, στο κεφάλαιο 8 χρησιμοποιούμε και μια παραλλαγή της βασικής μεθόδου για τη μελέτη της καλοκαιρινής περιόδου λειτουργίας του Φ/Β συστήματος. Τέλος, στον επίλογο γίνεται μια συνολική αποτίμηση όσων έγιναν στην διπλωματική αυτή εργασία και παρατίθενται κάποια γενικά συμπεράσματα. / This thesis deals with the parametric study of a Stand Alone Photovoltaic System. This study is being conducted in six cities of Northern Greece, for the purpose of extracting general guidelines regarding the design of stand-alone PV systems. Before we proceed with the study, it is considered useful to study theoretically the main parts of a stand-alone PV system. We start off with a short introduction in which the global energy problem is being described. Emphasis is also given to the importance of developing energy production methods based on Renewable Energy Sources. Chapter 1 deals with the working principle of solar cells. Furthermore, we also investigate the equivalent circuit model, the I-V curve and the efficiency of solar cells. Finally, the primary types of solar cells are being demonstrated. In chapter 2 we study the main parts of a PV array. We also refer to the problems that a PV array faces during its operation, as well as the possible solutions of these problems. In chapter 3 we refer to the working principles and to the structure of batteries. In particular, we study Nickel-Cadmium batteries. In chapter 4, the model that is used in order to convert solar radiation values, taken in horizontal surface, to corresponding values taken in inclined surface, is being described. In chapter 5, we use the model described in chapter 4 in order to calculate values of solar radiation in inclined surface, for the six cities in which this study takes place. The data based on which we calculate the above values are being demonstrated in table A.1 (appendix A). The values calculated in this chapter can be used in the design of a grid connected PV system. In chapter 6, a methodology used in designing a stand-alone PV system is being described. In chapters 7 and 8, we use the above methodology in order to simulate the operation of a stand-alone PV system during annual and summer working periods correspondingly. In chapter 8 we also use a slight alteration of the above methodology in order to study the operation of a stand-alone PV system, during a summer working period even further. Finally, an overall valuation of this thesis is made in the epilogue. Furthermore, some overall conclusions are being 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.

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.