MODELLI TERMICI E VALUTAZIONI ENERGETICHE DI TECNOLOGIE E SISTEMI FOTOVOLTAICI AVANZATI

THE ACCELERATING GLOBAL EXPANSION OF PHOTOVOLTAIC (PV) DEPLOYMENT HAS POSITIONED SOLAR ENERGY AS A CORNERSTONE OF GLOBAL DECARBONIZATION STRATEGIES. HOWEVER, THE RAPID INCREASE IN INSTALLED CAPACITY HAS LED TO DIVERSIFICATION IN LOCALLY OPTIMIZED INSTALLATION CONFIGURATIONS, INCLUDING THE GROWING ADOPTION OF FLOATING PV SYSTEMS OVER WATER BODIES, WHICH INTRODUCE DISTINCT THERMAL REGIMES GOVERNED BY WATER–AIR COOLING AND DYNAMIC ENVIRONMENTAL CONDITIONS. CONCURRENTLY, ADVANCED PV TECHNOLOGIES—PARTICULARLY BIFACIAL MODULES THAT EXPLOIT REAR-SIDE IRRADIANCE—HAVE EMERGED TO ENHANCE ENERGY YIELD. HOWEVER, THERE IS STILL AN INSUFFICIENT COMPREHENSION OF THEIR LONG-TERM THERMAL AND ELECTRICAL BEHAVIOR, WHICH CAN RESULT IN PERSISTENT INACCURACIES IN PERFORMANCE ASSESSMENT, MONITORING, AND MODELING. THE CONTINUOUS EXPANSION OF PV CAPACITY HAS ALSO LED TO RISING INCIDENCES OF POWER CURTAILMENT IN HIGH-PENETRATION REGIONS WHERE EXCESS GENERATION EXCEEDS GRID HOSTING CAPABILITY. BECAUSE MODULE TEMPERATURE DIRECTLY AFFECTS ELECTRICAL EFFICIENCY AND DEGRADATION RATES, ACCURATE THERMAL CHARACTERIZATION BECOMES ESSENTIAL FOR RELIABLE PERFORMANCE EVALUATION, ESPECIALLY WHEN PV SYSTEMS OPERATE DURING CURTAILMENT. EXISTING STEADY-STATE THERMAL MODELS, PRIMARILY DEVELOPED FOR CONVENTIONAL GROUND-MOUNTED MONOFACIAL SYSTEMS, ARE BASED ON SIMPLIFIED ASSUMPTIONS AND NEGLECT THE INFLUENCE OF THE ELECTRICAL OPERATING POINT, LEADING TO SUBSTANTIAL PREDICTION ERRORS WHEN APPLIED TO EMERGING CONFIGURATIONS. THIS THESIS ADDRESSES THESE CHALLENGES BY INTEGRATING LONG-TERM FIELD MEASUREMENTS, STEADY-STATE THERMAL MODELING, EMPIRICAL MODEL REFINEMENT, AND PERFORMANCE BENCHMARKING ACROSS A RANGE OF INSTALLATION TYPOLOGIES. BOTH MONOFACIAL AND BIFACIAL MODULES WERE EXPERIMENTALLY ASSESSED ON GROUND-MOUNTED, FLOATING (PORTRAIT AND LANDSCAPE), VERTICAL, EAST–WEST, AND HORIZONTAL-AXIS TRACKING SYSTEMS. A VITAL CONTRIBUTION OF THIS WORK IS THE DEVELOPMENT OF ENHANCED THERMAL MODELS THAT EXPLICITLY INCORPORATE THE ELECTRICAL OPERATING POINT DEPENDENCE, ENABLING ACCURATE MODULE TEMPERATURE PREDICTION UNDER BOTH STANDARD OPERATION AND CURTAILMENT. ADDITIONAL REFINEMENTS INTRODUCE WATER TEMPERATURE AND WIND-DIRECTION SENSITIVITY FOR CONFIGURATIONS WHERE HYDRODYNAMIC COOLING AND ENVIRONMENTAL EXPOSURE SUBSTANTIALLY INFLUENCE THERMAL BEHAVIOR. THE IMPROVED THERMAL MODELS AND VALIDATED PERFORMANCE BENCHMARKS DEVELOPED HEREIN PROVIDE ROBUST TOOLS FOR PERFORMANCE MONITORING, DIGITAL-TWIN DEVELOPMENT, CURTAILMENT-AWARE DIAGNOSTICS, AND SYSTEM DESIGN OPTIMIZATION. THESE CONTRIBUTIONS ENHANCE THE ACCURACY OF YIELD PREDICTION AND SUPPORT THE RELIABLE INTEGRATION AND SUSTAINABILITY OF NEXT-GENERATION PV TECHNOLOGIES IN MODERN POWER SYSTEMS

L’ESPANSIONE GLOBALE SEMPRE PIÙ RAPIDA DELL’INSTALLAZIONE DI SISTEMI FOTOVOLTAICI (PV) HA RESO L’ENERGIA SOLARE UNA PIETRA ANGOLARE DELLE STRATEGIE DI DECARBONIZZAZIONE A LIVELLO MONDIALE. TUTTAVIA, L’AUMENTO REPENTINO DELLA CAPACITÀ INSTALLATA HA PORTATO A UNA DIVERSIFICAZIONE DELLE CONFIGURAZIONI DI INSTALLAZIONE, OTTIMIZZATE LOCALMENTE, TRA CUI LA CRESCENTE DIFFUSIONE DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI GALLEGGIANTI (FPV) SU BACINI IDRICI, I QUALI INTRODUCONO REGIMI TERMICI DISTINTI, REGOLATI DAL RAFFREDDAMENTO ACQUA–ARIA E DA CONDIZIONI AMBIENTALI DINAMICHE. PARALLELAMENTE, TECNOLOGIE FOTOVOLTAICHE AVANZATE – IN PARTICOLARE I MODULI BIFACCIALI CHE SFRUTTANO L’IRRAGGIAMENTO SULLA SUPERFICIE POSTERIORE – SONO EMERSE PER AUMENTARE LA RESA ENERGETICA. TUTTAVIA, LA COMPRENSIONE DEL LORO COMPORTAMENTO TERMICO ED ELETTRICO A LUNGO TERMINE È ANCORA INSUFFICIENTE, CAUSANDO POTENZIALI IMPRECISIONI NELLA VALUTAZIONE, NEL MONITORAGGIO E NELLA MODELLAZIONE DELLE PRESTAZIONI. LA CONTINUA ESPANSIONE DELLA CAPACITÀ FOTOVOLTAICA HA INOLTRE DETERMINATO UN AUMENTO DEI CASI DI LIMITAZIONE DELLA POTENZA (“CURTAILMENT”) NELLE REGIONI AD ALTA PENETRAZIONE, DOVE LA PRODUZIONE IN ECCESSO SUPERA LA CAPACITÀ DI ACCOGLIENZA DELLA RETE. POICHÉ LA TEMPERATURA DEL MODULO INFLUENZA DIRETTAMENTE L’EFFICIENZA ELETTRICA E I TASSI DI DEGRADO, UNA CARATTERIZZAZIONE TERMICA ACCURATA DIVENTA ESSENZIALE PER UNA VALUTAZIONE AFFIDABILE DELLE PRESTAZIONI, SOPRATTUTTO QUANDO I SISTEMI PV OPERANO IN CONDIZIONI DI CURTAILMENT. I MODELLI TERMICI IN REGIME STAZIONARIO ESISTENTI, SVILUPPATI PRINCIPALMENTE PER SISTEMI MONOFACCIALI INSTALLATI A TERRA, SI BASANO SU IPOTESI SEMPLIFICATE E TRASCURANO L’INFLUENZA DEL PUNTO DI LAVORO ELETTRICO, PORTANDO A ERRORI DI PREVISIONE SIGNIFICATIVI QUANDO APPLICATI A CONFIGURAZIONI EMERGENTI. LA PRESENTE TESI AFFRONTA TALI SFIDE INTEGRANDO MISURE DI CAMPO DI LUNGO PERIODO, MODELLAZIONE TERMICA IN REGIME STAZIONARIO, AFFINAMENTO EMPIRICO DEI MODELLI E BENCHMARKING PRESTAZIONALE SU UN AMPIO SPETTRO DI TIPOLOGIE D’INSTALLAZIONE. SIA I MODULI MONOFACCIALI CHE QUELLI BIFACCIALI SONO STATI ANALIZZATI SPERIMENTALMENTE SU SISTEMI INSTALLATI A TERRA, GALLEGGIANTI (IN ORIENTAMENTO VERTICALE E ORIZZONTALE), VERTICALI, EST–OVEST E CON INSEGUITORE AD ASSE ORIZZONTALE. UN CONTRIBUTO FONDAMENTALE DI QUESTO LAVORO È LO SVILUPPO DI MODELLI TERMICI AVANZATI CHE INCORPORANO ESPLICITAMENTE LA DIPENDENZA DAL PUNTO DI LAVORO ELETTRICO, CONSENTENDO UNA PREVISIONE ACCURATA DELLA TEMPERATURA DEL MODULO SIA IN CONDIZIONI OPERATIVE STANDARD SIA DURANTE IL CURTAILMENT. ULTERIORI AFFINAMENTI INTRODUCONO LA SENSIBILITÀ ALLA TEMPERATURA DELL’ACQUA E ALLA DIREZIONE DEL VENTO PER LE CONFIGURAZIONI IN CUI IL RAFFREDDAMENTO IDRODINAMICO E L’ESPOSIZIONE AMBIENTALE INFLUENZANO SIGNIFICATIVAMENTE IL COMPORTAMENTO TERMICO. I MODELLI TERMICI MIGLIORATI E I PARAMETRI DI RIFERIMENTO VALIDATI SVILUPPATI IN QUESTO LAVORO FORNISCONO STRUMENTI SOLIDI PER IL MONITORAGGIO DELLE PRESTAZIONI, LO SVILUPPO DI GEMELLI DIGITALI (“DIGITAL TWINS”), LA DIAGNOSTICA SENSIBILE AL CURTAILMENT E L’OTTIMIZZAZIONE DELLA PROGETTAZIONE DEI SISTEMI. TALI CONTRIBUTI MIGLIORANO LA PRECISIONE DELLE PREVISIONI DI RENDIMENTO E SUPPORTANO L’INTEGRAZIONE AFFIDABILE E SOSTENIBILE DELLE TECNOLOGIE FOTOVOLTAICHE DI NUOVA GENERAZIONE NEI SISTEMI ELETTRICI MODERNI.