Valutazione del comportamento elettrico e termico di impianti fotovoltaici (FV) innovativi: l'uso di moduli FV bifacciali in facciate ventilate e sistemi agrivoltaici

In recent years, the world has faced increasingly urgent challenges related to energy production, consumption and sustainability. The looming threat of climate change is coupled with concerns about energy security and resource depletion. Indeed, the energy crisis, characterised by dwindling fossil fuel reserves, volatile energy prices and environmental degradation, has prompted an increasing recognition of the urgent need to diversify and decarbonise energy supplies. Renewable energy sources, such as solar, wind, hydro and biomass, offer a promising alternative to fossil fuels, providing abundant, clean and sustainable sources of energy. At the heart of this transition the photovoltaic (PV) technology emerges as a key player in the global energy landscape. This PhD thesis aims to study the possibility of increasing PV modules performances facing the problem of decreasing efficiency as temperature increases, to do that two passive cooling techniques were studied: the implementation of Phase Change Materials (PCMs) and the realization of natural ventilated façades. In addition, the growing problem of land consumption was addressed, in fact in some regions the realisation of large-scale photovoltaic systems is not popular, there is the perception that the soil is taken away from traditional agricultural activities. The realization of agrivoltaics systems, if designed correctly after a site-specific analysis, allows both activities to coexist without major yield losses. Indeed, even the first analyses carried out reveal potential benefits for both activities from the dual land use. In chapter 3 a fluid dynamic simulation with Fluent software was developed to compare the behaviour of a conventional PV module in a standard configuration to the same module but equipped once with PCM Rubitherm 28 and once with Rubitherm 35. As the study showed also in this case it is crucial to carefully evaluate the operating conditions under which the system operates in order to obtain the maximum benefit. Chapter 4 focuses on the potential of ventilated façades. Here again, Fluent software is used to simulate first a prototype realised at the University of Catania and then the façade of a real building in Switzerland. Thanks to the monitoring systems installed in both cases, it was possible to validate the results obtained and provide input data very close to the real values, although this process will be improved in subsequent studies. Furthermore, by monitoring the two prototypes built in Catania, it was possible to compare the behaviour of traditional monofacial modules and the more innovative bifacials. The latter play a crucial role in the agrivoltaic systems discussed in chapter 5. Here, the studies conducted using the System Advisor Model (SAM) and PVsyst software are brought together. In particular to assess the achievable energy and agricultural efficiency and their possible reduction.

Negli ultimi anni, il mondo ha affrontato sfide sempre più urgenti legate alla produzione, al consumo e alla sostenibilità dell'energia. La minaccia incombente del cambiamento climatico si accompagna alle preoccupazioni per la sicurezza energetica e l'esaurimento delle risorse. Infatti, la crisi energetica, caratterizzata dalla diminuzione delle riserve di combustibili fossili, dalla volatilità dei prezzi dell'energia e dal degrado ambientale, ha portato a riconoscere sempre più l'urgente necessità di diversificare e decarbonizzare le forniture energetiche. Le fonti energetiche rinnovabili, come il solare, l'eolico, l'idroelettrico e la biomassa, offrono una promettente alternativa ai combustibili fossili, fornendo fonti di energia abbondanti, pulite e sostenibili. Al centro di questa transizione, la tecnologia fotovoltaica (PV) emerge come un attore chiave nel panorama energetico globale. Questa tesi di dottorato si propone di studiare la possibilità di aumentare le prestazioni dei moduli fotovoltaici affrontando il problema della diminuzione dell'efficienza all'aumentare della temperatura; a tal fine sono state studiate due tecniche di raffreddamento passivo: l'implementazione di materiali a cambiamento di fase (PCM) e la realizzazione di facciate a ventilazione naturale. Inoltre, è stato affrontato il problema crescente del consumo di suolo, infatti in alcune regioni la realizzazione di impianti fotovoltaici su larga scala non è popolare, c'è la percezione che il suolo venga sottratto alle attività agricole tradizionali. La realizzazione di impianti agrivoltaici, se progettati correttamente dopo un'analisi sito-specifica, permette la coesistenza di entrambe le attività senza grosse perdite di resa. In effetti, già dalle prime analisi effettuate emergono potenziali benefici per entrambe le attività dal doppio uso del suolo. Nel capitolo 3 è stata sviluppata una simulazione fluidodinamica con il software Fluent per confrontare il comportamento di un modulo fotovoltaico convenzionale in configurazione standard con lo stesso modulo ma equipaggiato una volta con il PCM Rubitherm 28 e una volta con il Rubitherm 35. Come è emerso dallo studio, anche in questo caso è fondamentale valutare attentamente le condizioni operative in cui opera il sistema per ottenere il massimo beneficio. Il capitolo 4 si concentra sulle potenzialità delle facciate ventilate. Anche in questo caso, il software Fluent è stato utilizzato per simulare prima un prototipo realizzato presso l'Università di Catania e poi la facciata di un edificio reale in Svizzera. Grazie ai sistemi di monitoraggio installati in entrambi i casi, è stato possibile validare i risultati ottenuti e fornire dati di input molto vicini ai valori reali, anche se questo processo sarà migliorato in studi successivi. Inoltre, monitorando i due prototipi costruiti a Catania, è stato possibile confrontare il comportamento dei tradizionali moduli monofacciali e dei più innovativi bifacciali. Questi ultimi giocano un ruolo fondamentale nei sistemi agrivoltaici di cui si parla nel capitolo 5. Qui vengono riuniti gli studi condotti utilizzando il System Advisor Model (SAM) e il software PVsyst. In particolare per valutare l'efficienza energetica e agricola raggiungibile e la sua possibile riduzione