Ανάπτυξη Συστήματος Έξυπνων Φωτοβολταϊκών Στοιχείων - SmartPV

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 (project code:Τ1EDK-01485)

Τα τελευταία χρόνια, η εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων αυξήθηκε σημαντικά, τόσο για περιβαλλοντικούς λόγους, όσο και για την εξασφάλιση ενεργειακής επάρκειας. Στα συμβατικά Φ/Β συστήματα, η διαχείριση ισχύος γίνεται είτε κεντρικά σε συστοιχίες Φ/Β πάνελς, είτε σε επίπεδο επιμέρους ομάδων Φ/Β στοιχείων (solar cells), με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της παραγόμενης ενέργειας. Σε αυτό το ερευνητικό έργο αναπτύχθηκε σύστημα Έξυπνων Φωτοβολταϊκών Στοιχείων που συνδέεται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, υπεύθυνο για τη μεγιστοποίηση και τη διαχείριση της ενέργειας που παράγεται από το Φ/Β στοιχείο, την ανίχνευση βλαβών, καθώς και για τον απομακρυσμένο έλεγχο και επιτήρηση της λειτουργίας του, συμβατό με οποιαδήποτε τεχνολογία κατασκευής Φ/Β στοιχείων.

Συγκεκριμένοι ερευνητικοί στόχοι

• Σχεδιασμός μικροηλεκτρονικού κυκλώματος συμπεριλαμβανομένων ενός μετατροπέα DC/DC καθώς επίσης και H-brigde με πολύ χαμηλή παρασιτική κατανάλωση
• Σχεδιασμός ενός συστήματος εντοπισμού μέγιστης ισχύος με τη χρήση ψηφιακής λογικής ώστε κάθε ηλιακό κύτταρο να λειτουργεί στην μέγιστη ισχύ αυτόνομα και ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα
• Σχεδιασμός μιας μονάδας ελέγχου για τον έλεγχο των κυκλωμάτων
• Σχεδιασμός μιας μονάδας επικοινωνίας και
• Ανάπτυξη αλγορίθμων για την επικοινωνία του κάθε κυττάρου μέσω των γραμμών μεταφοράς

Αποτελέσματα

Τα ερευνητικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την σωστή λειτουργία του συστήματος καθώς και την δυνατότητα χρήσης του με διαφόρων τύπων Φ/Β στοιχεία. Πιο αναλυτικά:

• Η λειτουργία κάθε Έξυπνου Φωτοβολταϊκού στοιχείου δεν επηρεάζεται από την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στα υπόλοιπα κύτταρα του Φ/Β συστήματος (π.χ. λόγω σκίασης, συσσώρευσης σωματιδίων, εγκατάσταση συστήματος σε κυρτές επιφάνειες κ.λπ.)
• Επιτυγχάνεται η βέλτιστη χρήση του χώρου εγκατάστασης, καθώς δεν είναι απαραίτητο να εγκατασταθούν όλα τα Φ/Β στοιχεία του συστήματος με την ίδια γωνία κλίσης και προσανατολισμό, ενώ ακόμη και τα σκιασμένα φωτοβολταϊκά κύτταρα παράγουν ηλεκτρισμό χωρίς να προκαλούν μείωση στην παραγωγή ενέργειας των υπόλοιπων στοιχείων του ίδιου συστήματος.
• Η απομακρυσμένη παρακολούθηση, παραμετροποίηση, έλεγχος και ο εντοπισμός βλαβών των Έξυπνων Φωτοβολταϊκών στοιχείων μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω του ηλεκτρικού καλωδίου που συνδέει το Έξυπνο Φωτοβολταϊκό σύστημα με το φορτίο, επιτρέποντας τη μείωση των δαπανών εγκατάστασης και συντήρησης του συστήματος PV.
• Η πιο πρόσφατη έκδοση του αλγορίθμου εντοπισμού βλαβών, που βασίζεται σε μέθοδο μηχανικής μάθησης, έχει χαμηλό υπολογιστικό κόστος, προσφέροντας γρήγορο χρόνο εκτέλεσης (περίπου 8 ms), χαμηλή χρήση μνήμης (περίπου 180 Kb) και έγκυρα αποτελέσματα για τη λειτουργία κάθε Φ/Β στοιχείου του Έξυπνου Φωτοβολταϊκού συστήματος.

Δημοσιεύσεις

• "Development of a smart photovoltaic cells system", I. Mandourarakis, V. Gogolou, Z. Agorastou, S. Voutsinas, et. al., Energy Conversion and Management 293, 2023.
• "Development of a machine-learning-based method for early fault detection in photovoltaic systems", S. Voutsinas, D. Karolidis, I. Voyiatzis, M. Samarakou, Journal of Engineering and Applied Science 70 (27), 2023.
• "Control and communication for smart photovoltaic arrays", S. Voutsinas, I. Mandourarakis, E. Koutroulis, D. Karolidis, et. al., Proceedings of the 26th Pan-Hellenic Conference on Informatics, 139-144, 2022.
• "Development of a multi-output feed-forward neural network for fault detection in Photovoltaic Systems", S. Voutsinas, D. Karolidis, I. Voyiatzis, M. Samarakou, Energy Reports 8, 33-42, 2022.
• "Development of an IoT power management system for photovoltaic power plants", S. Voutsinas, D. Karolidis, I. Voyiatzis, M. Samarakou, 11th International Conference on Modern Circuits and Systems, 2022.
• "Development of a fault detection algorithm for Photovoltaic Systems", S. Voutsinas, D. Karolidis, I. Voyiatzis, M. Samarakou, 25th Pan-Hellenic Conference on Informatics, 84-87, 2021.
• "Photovoltaic Faults: A comparative overview of detection and identification methods", S. Voutsinas, D. Karolidis, I. Voyiatzis, M. Samarakou, 10th International Conference on Modern Circuits and Systems, 2021.
• "A survey of fault detection and identification methods for Photovoltaic systems based on IV curves", S. Voutsinas, D. Karolidis, I. Voyiatzis, M. Samarakou, 24th Pan-Hellenic Conference on Informatics, 281-284, 2020.