Electronic systems for energy management of photovoltaic cells Electronic systems for energy management of photovoltaic cells Ηλεκτρονικά συστήματα διαχείρισης ενέργειας φωτοβολταϊκών στοιχείων Διδακτορική Διατριβή Doctoral Dissertation 2022-12-122022enThis PhD thesis has been supported by the research project “Development of a Smart Photovoltaic Cells System,” which has been co-financed by the European Regional Development Fund of the European Union and Greek national funds through the Operational Program Competitiveness, Entrepreneurship and Innovation, under the call RESEARCH-CREATE-INNOVATE under the call Τ1ΕΔΚ-01485).Expanding the markets for advanced photovoltaic (PV) energy harvesting applications depends on the use of power management methods and electronic systems that implement efficient processes to maximize power generation. The research presented in this dissertation is the result of a response to such demands, presenting novel techniques which aim at facilitating the energy management in photovoltaic systems and electricity grids, in general. The main target of this PhD thesis is to research a series of novel techniques which can work either as single approaches to serve the aforementioned purpose, but also to allow for their combination to create low-power, low-complexity, and low-cost devices dedicated to be embedded in a single power source (either a PV cell or a set of PV cells). The goal is to enhance the controllability of the overall system, to improve its power efficiency, and to increase the amount of status information received by every unit involved, rather than shared aggregated values of telemetry data. This also translates to a maintenance service upgrade by expediting any failure diagnosis, simplifying its serviceability and minimizing any out-of-order costs. In this PhD thesis, novel electronic systems are presented for: - the maximization of the power produced by photovoltaic cells, - the management of the energy produced by photovoltaic cells, - the addition of status monitoring capabilities to distributed DC power sources, - the addition of operational controlling capabilities to distributed DC power sources. Experimental prototypes of the proposed electronic energy management systems have been developed and their successful operation has been validated by experimental results. Η επέκταση των αγορών για προηγμένες εφαρμογές συλλογής ενέργειας φωτοβολταϊκών στοιχείων (Φ/Β) εξαρτάται από τη χρήση μεθόδων διαχείρισης ενέργειας και ηλεκτρονικών συστημάτων που εφαρμόζουν αποτελεσματικές διαδικασίες για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής ενέργειας. Η έρευνα που παρουσιάζεται σε αυτή τη διατριβή είναι το αποτέλεσμα ανταπόκρισης σε τέτοιου είδους ανάγκες, παρουσιάζοντας καινοτόμες τεχνικές που στοχεύουν στη διευκόλυνση της διαχείρισης ενέργειας στα φωτοβολταϊκά συστήματα και στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, γενικότερα. Κύριος στόχος αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας σειράς καινοτόμων τεχνικών που μπορούν να λειτουργήσουν είτε ως μεμονωμένες προσεγγίσεις για να εξυπηρετήσουν τον προαναφερθέντα σκοπό, είτε για να επιτρέψουν κατά τον συνδυασμό τους τη δημιουργία ολοκληρωμένων λύσεων χαμηλής κατανάλωσης, χαμηλής πολυπλοκότητας και χαμηλού κόστους, τροποποιημένες ώστε να επιτρέπουν την ενσωμάτωσή τους σε μια συμβατική πηγή ισχύος (είτε μία Φ/Β κυψέλη ή ένα σύνολο Φ/Β κυψελών). Σκοπός είναι να ενισχυθεί η δυνατότητα ελέγχου του συνολικού συστήματος, να βελτιωθεί η απόδοση ισχύος του και να αυξηθεί ο όγκος των πληροφοριών που λαμβάνονται από κάθε εμπλεκόμενη μονάδα, αντί να μοιράζονται συγκεντρωτικές τιμές δεδομένων τηλεμετρίας. Αυτό μεταφράζεται επίσης σε αναβάθμιση των υπηρεσιών συντήρησης επιταχύνοντας τη διάγνωση τυχόν αστοχιών, απλοποιώντας τη δυνατότητα επιδιορθώσεων και ελαχιστοποιώντας τo κόστος που προκύπτει λόγω παύσης λειτουργίας του συστήματος. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται νέα ηλεκτρονικά συστήματα για: - τη μεγιστοποίηση της ισχύος που παράγεται από τα Φ/Β στοιχεία, - την διαχείριση της ενέργειας που παράγεται από Φ/Β στοιχεία, - την προσθήκη δυνατότητας παρακολούθησης των κατανεμημένων DC πηγών ενέργειας, - την προσθήκη ελέγχου της λειτουργίας των κατανεμημένων DC πηγών ενέργειας. Έχουν αναπτυχθεί πειραματικά πρωτότυπα των προτεινόμενων ηλεκτρονικών συστημάτων διαχείρισης ενέργειας και η επιτυχής λειτουργία τους έχει επικυρωθεί από πειραματικά αποτελέσματα.A dissertation submitted to the School of Electrical and Computer Engineering of Technical University of Crete in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Πολυτεχνείο Κρήτης::Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών ΥπολογιστώνMandourarakis_Ioannis_PhD_2022.pdfChania [Greece]Library of TUC2022-12-12application/pdf15.1 MBfree Mandourarakis Ioannis Μανδουραρακης Ιωαννης Koutroulis Eftychios Κουτρουλης Ευτυχιος Karystinos Georgios Καρυστινος Γεωργιος Stavrakakis Georgios Σταυρακακης Γεωργιος Dollas Apostolos Δολλας Αποστολος Ioannidis Sotirios Ιωαννιδης Σωτηριος Kanellos Fotios Κανελλος Φωτιος Siskos Stelios Πολυτεχνείο Κρήτης Technical University of Crete CHBMLI Cascaded H-bridge multilevel inverters Photovoltaic cells Power electronics Power line communications Power management