Minimizing Circulating Current in Parallel-Connected Photovoltaic Inverters

Parallel-connected photovoltaic inverters are required in large solar plants where it is not economically or technically reasonable to use a single inverter. Currently, parallel inverters require individual isolating transformers to cut the path for the circulating current. In this doctoral dissertation, the problem is approached by attempting to minimize the generated circulating current. The circulating current is a function of the generated common-mode voltages of the parallel inverters and can be minimized by synchronizing the inverters. The synchronization has previously been achieved by a communication link. However, in photovoltaic systems the inverters may be located far apart from each other. Thus, a control free of communication is desired. It is shown in this doctoral dissertation that the circulating current can also be obtained by a common-mode voltage measurement. A control method based on a short-time switching frequency transition is developed and tested with an actual photovoltaic environment of two parallel inverters connected to two 5 kW solar arrays. Controls based on the measurement of the circulating current and the common-mode voltage are generated and tested. A communication-free method of controlling the circulating current between parallelconnected inverters is developed and verified.

Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointi aurinkosähköjärjestelmällä

Aurinkopaneeleiden hinta on laskenut reilusti viime vuosien aikana. Hinnan laskun seurauksena aurinkosähköjärjestelmiä on asennettu paljon yksityisiin rakennuksiin sekä Suomessa että muualla maailmassa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointia aurinkosähköjärjestelmällä. Kompensointia tutkitaan, koska näin saadaan taloudellisesti paras hyöty aurinkosähköjärjestelmästä. Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksella tarkoitetaan talon teknisten järjestelmien kuluttamaa sähköä. Järjestelmän sijoitusta tutkitaan katolle ja parvekekaiteisiin. Katolle sijoitettuna aurinkopaneelien tuotantoa tutkitaan siten, että paneelit ovat asennettu 45° ja 15° tasokulmaan. Aurinkosähköjärjestelmän investoinnin kannattavuutta tutkitaan taloyhtiön näkökulmasta.

Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems

An electric system based on renewable energy faces challenges concerning the storage and utilization of energy due to the intermittent and seasonal nature of renewable energy sources. Wind and solar photovoltaic power productions are variable and difficult to predict, and thus electricity storage will be needed in the case of basic power production. Hydrogen’s energetic potential lies in its ability and versatility to store chemical energy, to serve as an energy carrier and as feedstock for various industries. Hydrogen is also used e.g. in the production of biofuels. The amount of energy produced during hydrogen combustion is higher than any other fuel’s on a mass basis with a higher-heating-value of 39.4 kWh/kg. However, even though hydrogen is the most abundant element in the universe, on Earth most hydrogen exists in molecular forms such as water. Therefore, hydrogen must be produced and there are various methods to do so. Today, the majority hydrogen comes from fossil fuels, mainly from steam methane reforming, and only about 4 % of global hydrogen comes from water electrolysis. Combination of electrolytic production of hydrogen from water and supply of renewable energy is attracting more interest due to the sustainability and the increased flexibility of the resulting energy system. The preferred option for intermittent hydrogen storage is pressurization in tanks since at ambient conditions the volumetric energy density of hydrogen is low, and pressurized tanks are efficient and affordable when the cycling rate is high. Pressurized hydrogen enables energy storage in larger capacities compared to battery technologies and additionally the energy can be stored for longer periods of time, on a time scale of months. In this thesis, the thermodynamics and electrochemistry associated with water electrolysis are described. The main water electrolysis technologies are presented with state-of-the-art specifications. Finally, a Power-to-Hydrogen infrastructure design for Lappeenranta University of Technology is presented. Laboratory setup for water electrolysis is specified and factors affecting its commissioning in Finland are presented.

Aurinkosähkön taloudellinen kannattavuus erikoiskohteessa

Aurinkosähköjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosien aikana niin kotitalouksissa kuin julkisissa rakennuksissakin aurinkopaneeleiden suopean hintakehityksen myötä. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmän kannattavuutta erikoiskohteessa Lapissa Tervolan kunnan alueella sijaitsevalla huoltoasemalla. Työssä aurinkosähköntuotannon ajoittumista kulutuksen suhteen lähdetään selvittämään vertailemalla simuloinnin avulla saatuja tuotantoennusteita huoltoaseman sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutusprofiilin tiedot perustuvat etäluettavan mittarin tuntikulutus mittauksiin. Investoinnin kannattavuutta tarkastellaan takaisinmaksuajan mukaan simuloinnista saatujen tuotantoennusteiden ja muiden takaisinmaksuaikaan vaikuttavien parametrien avulla. Lopuksi takaisinmaksuaikaa tarkastellaan vielä herkkyysanalyysien avulla.

Lämminvesivaraajan ohjaus automaatiolla aurinkosähköä tuottavassa kotitaloudessa

Hajautettu sähköntuotanto aurinkopaneeleilla on Suomessa kasvussa. Kotitalouksiin asennettujen aurinkopaneelijärjestelmien määrä kasvaa jatkuvasti, mutta suuri osa tuotetusta sähköenergiasta syötetään sähköverkkoon. Tämä johtuu aurinkosähkön tuotannon painottumisesta kesäpäiviin, jolloin kotitalouksien kulutus on pienimmillään. Suurin hyöty itse tuotetusta energiasta saadaan kuitenkin käyttämällä se tuotantokohteessa, jolla minimoidaan energiansiirto sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa. Siirtämällä kotitalouden suurimpia kuormia aurinkosähkön mukaan ohjatuksi, voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia tuotetun sähkön omakäyttöasteessa. Helpoimmillaan tämä onnistuu kellokytkimellä, joka ajoittaa kulutuksen parhaimman tuotannon ajalle. Tämä ei kuitenkaan poista ongelmaa tilanteissa, jossa aurinkosähkön tuotanto on häiriintynyt esimerkiksi pilvisyyden takia aamupäivällä ja huipputuotanto saavutetaan vasta iltapäivän puolella. Saatavilla on jo useita järjestelmiä, jotka ohjaavat kodin laitteita tuotannon mukaisesti. Suuri osa näistä järjestelmistä on kuitenkin suunniteltu toimimaan vain tuotetun energiamäärän mukaisesti, ottamatta huomioon kotitaloudessa olevaa muuta, automaation piiriin kuulumatonta kulutusta. Tässä kandidaatin työssä vertaillaan sähköenergian eri mittaustapoja ja niiden vaikutusta siirretyn energian laskennalliseen määrään. Lisäksi työssä tutkitaan lämminvesivaraajan kuormanohjausta käyttäen termostaatti-, kellokytkin- ja logiikkaohjausta. Työssä esitelty logiikkaohjaus hyödyntää siirretyn energian mittausta sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa, ottaen automaattisesti huomioon myös talouden muun kulutuksen. Työssä esitellään myös esimerkkilaitteisto, jolla suunniteltu logiikka voidaan toteuttaa.

Characterization and Investigation on Material Compatibilities of Building Integrated Photovoltaic Module Components

Building Integrated Photovoltaics (BIPV) are considered as the future of photovoltaic (PV) technology. The advantage of BIPV system is its multi-functionality; they fulfil the functions of a building envelope with the added benefit of generating power by replacing the traditional roofing and façade materials with PV that generate power. In this thesis, different types of PV cells and modules have been described in detail with their efficiencies and usage trends in the last decade. The different BIPV products for roof and façade are discussed in detail giving several examples. The electricity generation potential of BIPV in selected countries is compared with their actual electricity consumption. Further, the avoided greenhouse gas (GHG) emissions associated with electricity generation from traditional sources and transportation and distribution (T&D) losses are calculated. The results illustrate huge savings in GHGs. In BIPV different types of façade and backsheets are used. In this thesis, selected backsheets and façade were characterized in terms of their surface structure identification using infrared spectroscopy (FTIR-ATR), scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray (SEM-EDX) and physical characterization using surface energy measurements. By using FTIR-ATR, surface polymeric materials were identified and with SEM-EDX, identification of the surface elements was possible. Surface energy measurements were useful in finding the adhesives and knowing the surface energies of the various backsheets and façade. The strength of adhesion between the facade and backsheets was studied using peel test. Four different types of adhesives were used to study the fracture pattern and peel tests values to identify the most suitable adhesive. It was found out that pretreatment increased the adhesive strength significantly.

Rakennukseen integroitavien aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuus pohjoismaisiin olosuhteisiin

Tässä työssä esitellään aurinkosähköjärjestelmien rakenne, toiminta ja niille sopivia käyttökohteita. Työn tavoitteena on arvioida teknillistaloudellisesti rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuutta Pohjoismaisiin olosuhteisiin. Tekninen arviointi toteutetaan pohjautuen kirjallisuuteen, käytännön analysointiin ja simuloituihin tuloksiin. Taloudellinen arviointi sisältää lisäksi myös laskennallista analysointia. Aurinkosähköjärjestelmän toiminnan arvioinnissa päädyttiin hyödyntämään aiemmin aurinkosähköjärjestelmien suorituskyvystä julkaistuja materiaaleja. Käytössä olevien resurssien rajallisuus ei mahdollistanut tarpeeksi laajamittaisten suorituskykytestien toteuttamista. Teknisen arvioinnin perusteella saatiin selville merkittävimpien tekijöiden vaikutus rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien toimintaan. Teknillistaloudellisen arvioinnin perusteella julkisivumateriaalien korvaaminen aurinkopaneeleilla tulee harkita tapauskohtaisesti. Työ sisältää myös katsauksen olemassa olevista teknisistä ratkaisuista.

Keskikokoisen maatilan biokaasu- ja aurinkosähköratkaisujen kannattavuus Etelä-Savossa

Tässä kandidaatintyössä perehdytään biokaasun syntyprosessiin ja sen hyödyntämismahdollisuuksiin, sekä vertaillaan biokaasun tuotannon määrää Suomessa ja Saksassa. Työssä tarkastellaan biokaasuvoimalan kannattavuutta keskikokoisen maatilan yhteydessä Etelä-Savossa ja käydään läpi biokaasuvoimalalle Suomessa myönnettäviä tukimuotoja. Tukimuotojen lisäksi käydään läpi erilaisia lupia ja hyväksyntöjä, joita maatilan yhteyteen rakennettava biokaasu-voimalaitos tarvitsee. Työn toisessa osassa käydään läpi aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksia, aurinkosähköjärjestelmän komponentteja, sekä perehdytään aurinkopaneelin toimintaperiaatteeseen. Tarkastellaan biokaasuvoimalan lisäksi myös aurinkovoimalan kannattavuutta maatilan yhteydessä ja vertaillaan biokaasu- ja aurinkovoimalan ominaisuuksia keskenään. Lisäksi vertaillaan aurinkosähkön tuotantoa Suomessa ja Saksassa. Työn tavoitteena on selvittää biokaasu- ja aurinkosähkövoimalan kannattavuus esimerkkimaatilalla. Biokaasulaitoksen hinta-arvio saatiin vastauksena tarjouspyyntöön ja aurinkosähköjärjestelmän hinta arvioitiin kotimaisten toimittajien aurinkosähköpakettien hintojen avulla. Biokaasuvoimalan sähköntuottoennuste sekä huolto- ja käyttökustannukset perustuvat kirjallisuudesta saatuihin arvoihin. Aurinkovoimalan sähköntuottoennuste ja paneelien suuntauksen vaikutusta tuotantoon laskettiin PVGIS:n laskurilla sekä HOMER-ohjelmistolla. Kannattavuuslaskelmien perusteella kumpikaan voimalaitostyyppi ei tutkituilla voimalaitosten suuruuksilla ole kannattava 20 tai edes 30 vuoden pitoajalla esimerkkimaatilalla nykyisellä sähkönhinnalla ja tukitasolla. Aurinkosähköjärjestelmälle saadaan kuitenkin 20 vuoden takaisinmaksuaika, jos se hankitaan ilman lainarahaa. Tällöin voidaan ajatella, että laitos on kannattava. Biokaasulaitoksen kannattavuutta parantaisivat tukien ja sähkön hinnan nousun ohella kaasun ja lämmön myyntimahdollisuudet, joita esimerkkimaatilalla ei ole. Aurinkovoimalan kannattavuutta parantaisivat puolestaan tukien ja korkeamman sähkön hinnan lisäksi paremmin paneelien tuotantoa seuraava kulutus, jolloin pienempi osuus sähköstä päätyisi myyntiin.

Passive Solar Building Design Using Genetic Programming

Passive solar building design is the process of designing a building while considering sunlight exposure for receiving heat in winter and rejecting heat in summer. The main goal of a passive solar building design is to remove or reduce the need of mechanical and electrical systems for cooling and heating, and therefore saving energy costs and reducing environmental impact. This research will use evolutionary computation to design passive solar buildings. Evolutionary design is used in many research projects to build 3D models for structures automatically. In this research, we use a mixture of split grammar and string-rewriting for generating new 3D structures. To evaluate energy costs, the EnergyPlus system is used. This is a comprehensive building energy simulation system, which will be used alongside the genetic programming system. In addition, genetic programming will also consider other design and geometry characteristics of the building as search objectives, for example, window placement, building shape, size, and complexity. In passive solar designs, reducing energy that is needed for cooling and heating are two objectives of interest. Experiments show that smaller buildings with no windows and skylights are the most energy efficient models. Window heat gain is another objective used to encourage models to have windows. In addition, window and volume based objectives are tried. To examine the impact of environment on designs, experiments are run on five different geographic locations. Also, both single floor models and multi-floor models are examined in this research. According to the experiments, solutions from the experiments were consistent with respect to materials, sizes, and appearance, and satisfied problem constraints in all instances.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Studies on Chemical Bath Deposited Semiconducting Copper Selenide and Iron Sulfide Thin Films Useful For Photovoltaic Applications

Chemical bath deposition (CBD)is one of the simplest, very convient and probably the cheapest method for thin film preparation. Photovoltaic is the cleanest and the most efficient mode of conversion of energy to electrical power. Silicon is the most popular material in this field. The present study on chemical bath deposited semiconducting copper selenide and iron sulfide thin films useful for photovoltaic applications. Semiconducting thin films prepared by chemical deposition find applications as photo detectors, solar control coatings and solar cells. Copper selenide is a p-type semiconductor that finds application in photovolitics. Several heterojunction systems such as Cu2-xSe/ZnSe (for injection electro luminescence), Cu2Se/AgInSe2 and Cu2Se/Si (for photodiodes), Cu2-xSe/CdS, Cu2-xSe/CdSe, CuxSe/InP and Cu2-xSe/Si for solar cells are reported. A maximum efficiency of 8.3% was achieved for the Cu2-xSe/Si cell, various preparation techniques are used for copper selenide like vacuum evaporation, direct reaction, electrodeposition and CBD. Instability of the as-prepared films was investigation and is accounted as mainly due to deviation from stoichiometry and the formation of iron oxide impurity. A sulphur annealing chamber was designed and fabricated for this work. These samples wee also analysed using optical absorption technique, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and XRD.(X-Ray Diffraction).The pyrite films obtained by CBD technique showed amorphous nature and the electrical studies carried out showed the films to be of high resistive nature. Future work possible in the material of iron pyrite includes sulphur annealing of the non-stochiometric iron pyrite CBD thin films in the absence of atmospheric oxygen

Fabrication and Characterization of Spray Pyrolysed Cadmium Sulphide Homojunction Solar Cells

The study on the fabrication and characterization of spray pyrolysed cadmium sulphide homojunction solar cells. As an alternative to the conventional energy source, the PV technology has to be improved. Study about the factors affecting the performance of the existing solar cells and this will result in the enhancement of efficiency of the cells. At the same time it is equally important to have R&D works on developing new photovoltaic devices and processes which are less expensive for large scale production. CdS is an important binary compound semiconductor, which is very useful in the field of photovoltaics. It is very easy to prepare large area CdS thin films. In order to fabricate thin film homojunction cadmium sulphide cells, prepared and characterized SnO2 thin film as the lower electrode, p-CdS as the active layer and n-CdS as window layer. Cadmium material used for the fabrication of homojunction solar cells is highly toxic. The major damage due to continued exposure to low levels of cadmium are on the kidneys, lungs and bones. The real advantage of spray pyrolysis process is that there is no emission of any toxic gases during the deposition. Very low concentration of the chemicals is needed in this process. The risk involved from this material is very low, though they are toxic. On large scale usage it may become necessary that the cells after their life, should be bought back by the companies to retrieve chemicals like cadmium. This will reduce environmental problem and also the material wastage

Development of Photorefractive Polymers: Evaluation of Photoconducting and Electro-optic Properties

This Thesis discussed molecules suitable for photorefractive effect. Out of the molecules studied, only one system was used to make photorefractive polymers system. Other molecules, especially, the electro-optic polymer, Poly(3-methacrloyl-1-(4'-nitro-4-azo-1'-phenyl)phenylalanine-co- methyl methacrylate) can be subjected to more detailed studies to explore the possibilities of using them for electro-optic applications. Though not included in the thesis, the efficient photoconductor, Poly(6-tert-butyl-3- phenyl-3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazine) sensitized with C60, which was described in Chapter 3 showed a low magnitude photovoltaic effect. This hints at the possibility of using this system for organic solar cells also. The thesis presented the initial observation of photorefractive effect in a polybenzoxazine based polymer system. A detailed analysis of the effect of C60, ECZ and DR1 can be carried out to check for the possibility of a high efficiency photorefractive system.

Automation of Chemical Spray Pyrolysis Unit and Fabrication of Sprayed CuInS2/In2S3 Solar Cell

Aim of the present work was to automate CSP process, to deposit and characterize CuInS2/In2S3 layers using this system and to fabricate devices using these films.An automated spray system for the deposition of compound semiconductor thin films was designed and developed so as to eliminate the manual labour involved in spraying and facilitate standardization of the method. The system was designed such that parameters like spray rate, movement of spray head, duration of spray, temperature of substrate, pressure of carrier gas and height of the spray head from the substrate could be varied. Using this system, binary, ternary as well as quaternary films could be successfully deposited.The second part of the work deal with deposition and characterization of CuInS2 and In2S3 layers respectively.In the case of CuInS2 absorbers, the effects of different preparation conditions and post deposition treatments on the optoelectronic, morphological and structural properties were investigated. It was observed that preparation conditions and post deposition treatments played crucial role in controlling the properties of the films. The studies in this direction were useful in understanding how the variation in spray parameters tailored the properties of the absorber layer. These results were subsequently made use of in device fabrication process.Effects of copper incorporation in In2S3 films were investigated to find how the diffusion of Cu from CuInS2 to In2S3 will affect the properties at the junction. It was noticed that there was a regular variation in the opto-electronic properties with increase in copper concentration.Devices were fabricated on ITO coated glass using CuInS2 as absorber and In2S3 as buffer layer with silver as the top electrode. Stable devices could be deposited over an area of 0.25 cm2, even though the efficiency obtained was not high. Using manual spray system, we could achieve devices of area 0.01 cm2 only. Thus automation helped in obtaining repeatable results over larger areas than those obtained while using the manual unit. Silver diffusion on the cells before coating the electrodes resulted in better collection of carriers.From this work it was seen CuInS2/In2S3 junction deposited through automated spray process has potential to achieve high efficiencies.