ADAPTIVE TRACKING AND FAULT DETECTION FRAMEWORKS FOR SINGLE-AXIS BIFACIAL PHOTOVOLTAIC SYSTEMS

THE RAPID EXPANSION OF GLOBAL PHOTOVOLTAIC (PV) CAPACITY, DRIVEN BY CLIMATE AND ENERGY SECURITY IMPERATIVES, HAS INTENSIFIED THE NEED FOR MORE EFFICIENT, RELIABLE, AND COST-COMPETITIVE TECHNOLOGIES. AMONG RECENT INNOVATIONS, BIFACIAL PV MODULES - CAPABLE OF HARVESTING IRRADIANCE ON BOTH FRONT AND REAR SURFACES - HAVE EMERGED AS ONE OF THE MOST PROMISING SOLUTIONS TO ENHANCE SYSTEM YIELD AND REDUCE THE LEVELIZED COST OF ENERGY. WHEN COMBINED WITH SOLAR TRACKING SYSTEMS, THESE DEVICES CAN ACHIEVE SIGNIFICANT PERFORMANCE GAINS; HOWEVER, THEIR OPTIMAL OPERATION IS STRONGLY DEPENDENT ON ENVIRONMENTAL CONDITIONS AND MECHANICAL RELIABILITY. THIS THESIS INVESTIGATES THE INTEGRATION OF BIFACIAL PV MODULES WITH SINGLE-AXIS SOLAR TRACKERS, FOCUSING ON TWO CRITICAL ASPECTS: (I) THE OPTIMIZATION OF TRACKER ALGORITHMS UNDER VARYING SKY CONDITIONS, AND (II) THE DETECTION OF TRACKER MALFUNCTIONS IN LARGE-SCALE INSTALLATIONS. A COMPREHENSIVE MODELING FRAMEWORK WAS DEVELOPED TO CHARACTERIZE THE OPTICAL, THERMAL, AND ELECTRICAL BEHAVIOR OF BIFACIAL MODULES UNDER DIVERSE OPERATIONAL CONDITIONS. THE STUDY FIRST ESTABLISHES THE THEORETICAL BASIS FOR BIFACIAL IRRADIANCE MODELING, QUANTIFYING THE INFLUENCE OF ALBEDO, MOUNTING GEOMETRY, ELEVATION, AND WEATHER VARIABILITY ON THE OPTIMAL MODULE ORIENTATION. BUILDING UPON THESE FINDINGS, A DIFFUSE-RESPONSE TRACKING ALGORITHM IS PROPOSED. THE ALGORITHM ADJUSTS THE TRACKER ORIENTATION ACCORDING TO REAL-TIME SKY CONDITIONS, INFERRED FROM THE RATIO BETWEEN DIRECT AND DIFFUSE COMPONENTS OF SOLAR IRRADIANCE. BY SETTING THE MODULES TO DIFFUSE-STOW POSITION DURING OVERCAST PERIODS, THE METHOD ENHANCES THE CAPTURE OF DIFFUSE LIGHT. EXCESSIVE MECHANICAL WEAR, CAUSED BY CONTINUOUS ADJUSTMENTS OF THE TRACKER, IS AVOIDED BY INTRODUCING A MINIMUM OVERCAST PERIOD LENGTH. SIMULATIONS AND FIELD EXPERIMENTS CONFIRM THAT THIS APPROACH CAN INCREASE ANNUAL ENERGY YIELD BY UP TO 2% IN CLOUDY CLIMATES WHILE REDUCING ANGULAR MOTION BY MORE THAN 15%, THEREBY EXTENDIN

LA RAPIDA ESPANSIONE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI (FV) NEL MONDO, TRAINATA DALLE ESIGENZE LEGATE AL CLIMA E ALLA SICUREZZA ENERGETICA, HA INTENSIFICATO LA NECESSITÀ DI TECNOLOGIE PIÙ EFFICIENTI, AFFIDABILI E COMPETITIVE IN TERMINI DI COSTO. TRA LE INNOVAZIONI RECENTI, I MODULI FOTOVOLTAICI BIFACCIALI – CAPACI DI RACCOGLIERE LA RADIAZIONE SOLARE SU ENTRAMBE LE SUPERFICI, ANTERIORE E POSTERIORE – SI SONO AFFERMATI COME UNA DELLE SOLUZIONI PIÙ PROMETTENTI PER INCREMENTARE LA PRODUTTIVITÀ DEL SISTEMA E RIDURRE IL COSTO LIVELLATO DELL’ENERGIA (LCOE). QUANDO INTEGRATI CON SISTEMI DI INSEGUIMENTO SOLARE, QUESTI DISPOSITIVI POSSONO RAGGIUNGERE SIGNIFICATIVI MIGLIORAMENTI PRESTAZIONALI; TUTTAVIA, IL LORO FUNZIONAMENTO OTTIMALE DIPENDE FORTEMENTE DALLE CONDIZIONI AMBIENTALI E DALL’AFFIDABILITÀ MECCANICA. QUESTA TESI INDAGA L’INTEGRAZIONE DEI MODULI BIFACCIALI CON INSEGUITORI SOLARI MONOASSE, CONCENTRANDOSI SU DUE ASPETTI CRITICI: (I) L’OTTIMIZZAZIONE DEGLI ALGORITMI DI INSEGUIMENTO IN CONDIZIONI DI CIELO VARIABILE, E (II) LA RILEVAZIONE DI MALFUNZIONAMENTI DEGLI INSEGUITORI IN INSTALLAZIONI SU LARGA SCALA. LO STUDIO STABILISCE LE BASI TEORICHE DELLA MODELLAZIONE DELL’IRRAGGIAMENTO BIFACCIALE, QUANTIFICANDO L’INFLUENZA DI ALBEDO, GEOMETRIA DI MONTAGGIO, ALTEZZA DA TERRA E VARIABILITÀ METEOROLOGICA SULL’ORIENTAMENTO OTTIMALE DEL MODULO. SULLA BASE DI TALI MODELLI, È STATA SVILUPPATA UNA SEQUENZA PER LA MODELLAZIONE DEL COMPORTAMENTO OTTICO, TERMICO ED ELETTRICO DEI MODULI BIFACCIALI IN DIVERSE CONDIZIONI OPERATIVE. A SEGUITO DEL SUO UTILIZZO, VIENE PROPOSTO UN ALGORITMO DI INSEGUIMENTO CHIAMATO "DIFFUSE-RESPONSE", IN GRADO DI ADATTARE L’ORIENTAMENTO DELL’INSEGUITORE ALLE CONDIZIONI DEL CIELO IN TEMPO REALE, DEDOTTE DAL RAPPORTO TRA LE COMPONENTI DIRETTA E DIFFUSA DELL’IRRAGGIAMENTO SOLARE. DURANTE I PERIODI NUVOLOSI, L’ALGORITMO IMPOSTA I MODULI IN UNA POSIZIONE DI DIFFUSE-STOW PER OTTIMIZZARE LA CATTURA DELLA LUCE DIFFUSA. L’USURA MECCANICA DOVUTA A CONTINUI MOVIMENTI DELL’INSEGUITORE VIENE EVITATA INTRODUCENDO UNA DURATA MINIMA DEL PERIODO DI COPERTURA NUVOLOSA. SIMULAZIONI ED ESPERIMENTI IN CAMPO CONFERMANO CHE QUESTO APPROCCIO PUÒ AUMENTARE LA PRODUZIONE ANNUA DI ENERGIA FINO AL 2% IN CLIMI NUVOLOSI, RIDUCENDO AL CONTEMPO IL MOVIMENTO ANGOLARE DI OLTRE IL 15%, PROLUNGANDO COSÌ LA VITA OPERATIVA DEI COMPONENTI MECCANICI. SUCCESSIVAMENTE, LA TESI PRESENTA UNA METODOLOGIA PER LA RILEVAZIONE DI EVENTI DI BLOCCO DEGLI INSEGUITORI (TRACKER STUCK EVENTS), UNA CAUSA COMUNE DI PERDITA ENERGETICA E INEFFICIENZA NELLE OPERAZIONI E MANUTENZIONI (O&M) DEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI DI GRANDE SCALA. L’ALGORITMO DI RILEVAMENTO COMBINA UN FILTRO CLEAR-SKY CON UN CONFRONTO TRA POTENZA PRODOTTA MISURATA E POTENZA MODELLATA PER CIASCUNA STRINGA MONITORATA, ED È VALIDATO MEDIANTE DATI SINTETICI E REALI. L’APPROCCIO MOSTRA PRESTAZIONI ROBUSTE IN PRESENZA DI DIVERSE FRAZIONI DI BLOCCO E CONDIZIONI DI CIELO VARIABILI, CONSENTENDO UN’IDENTIFICAZIONE ACCURATA DEI GUASTI SENZA LA NECESSITÀ DI SENSORI DEDICATI O REGISTRI DI MANUTENZIONE DETTAGLIATI. COMPLESSIVAMENTE, QUESTA RICERCA PROPONE UN QUADRO ANALITICO E SPERIMENTALE INTEGRATO PER LA PROGETTAZIONE, L’OTTIMIZZAZIONE E LA DIAGNOSI DEI GUASTI NEI SISTEMI FOTOVOLTAICI BIFACCIALI SU INSEGUITORI MONOASSE. GLI ALGORITMI SVILUPPATI AFFRONTANO SFIDE OPERATIVE CHIAVE LEGATE ALLA LUCE DIFFUSA E ALL’AFFIDABILITÀ MECCANICA, OFFRENDO UNA VIA VERSO UNA MAGGIORE PRODUZIONE ENERGETICA, COSTI O&M RIDOTTI E UNA MIGLIORE RESILIENZA DELLE INFRASTRUTTURE FOTOVOLTAICHE DI NUOVA GENERAZIONE.