System design optimization and analysis of agrivoltaic systems using vertically mounted bifacial photovoltaic modules

In this evolving and volatile environment, maintaining and enhancing both the security of energy and food production is a challenging issue. Furthermore, the need to minimize the space occupied by solar modules is another factor driving the search for new technologies that lead to the effective incorporation of photovoltaics into the built environment. The so-called "agrophotovoltaic concept" provides a solution to this issue by offering an opportunity for the simultaneous use of the agricultural fields to generate PV electricity and food production. This thesis includes designing a very innovative PV system suitable for the agrivoltaic concept, which consists of the use of vertically mounted bifacial PV modules facing East-West. The first step consists of determining an appropriate irradiance model and a specific electrical and temperature model for bifacial PV modules. Under consideration is taken a load consumption profile of three dairy farms characterized by prominent consumption peaks in the morning and evening. Considering several parameters determined during the agrivoltaic system design, using SAM (System Advisor Model) software is determined a total plane of array irradiance as a sum of the front and rear-side plane of array irradiances. Results show that vertical bifacial PV modules facing East-West can be matched almost perfectly with dairy farms’ daily electricity consumption since they represent a way to distribute electricity generation more equally over the day by shifting the production peaks from noon to the morning and evening. The agrivoltaic system array physical configuration consists of module row-spacing d=10 m to enable the simultaneous use of the agricultural field to generate PV electricity and the use of agricultural machinery between rows. Furthermore, the agrivoltaic system is characterized by a considerable distance between the PV generator and the substation, L=1000 m. From the perspective of these features of the agrivoltaic system, two scenarios are analyzed to determine the most suitable PV network configuration to connect the PV plant to the grid or end-users. The calculations' methodology for determining the most appropriate PV network configuration is carried out by comparing both scenarios in terms of voltage drops, power losses, and volume of copper conductor material. The 1st scenario consists of a single-stage conversion PV system using the string inverters in every string. The power distribution towards the substation is mainly done using AC distribution. The 2nd scenario represents a double-stage conversion system in which the DC-AC conversion is divided into two parts: DC-DC converters are placed near each string, while the central inverter is placed to the substation. The power distribution is achieved with DC cables. Results have demonstrated the effectiveness of the string double-stage conversion system using DC distribution. The main advantages are related to the greater efficiency due to higher voltage DC distribution and lower installation costs due to the reduction of the PV system cabling.

In questo ambiente in evoluzione e instabile, mantenere e migliorare sia la sicurezza della produzione di energia che quella alimentare è una questione impegnativa. Inoltre, la necessità di ridurre al minimo lo spazio occupato dai moduli solari è un altro fattore che guida la ricerca di nuove tecnologie che portino all'efficace integrazione del fotovoltaico nell'ambiente costruito. Il cosiddetto "concetto agrofotovoltaico" fornisce una soluzione a questo problema offrendo un'opportunità per l'uso simultaneo dei campi agricoli per generare elettricità fotovoltaica e produzione alimentare. Questa tesi include la progettazione di un sistema fotovoltaico molto innovativo adatto al concetto agrivoltaico, che consiste nell'utilizzo di moduli fotovoltaici bifacciali montati verticalmente rivolti a Est-Ovest. La prima fase consiste nel determinare un modello di irraggiamento appropriato e un modello elettrico e di temperatura specifico per i moduli fotovoltaici bifacciali. Si prende in considerazione un profilo di consumo a carico di tre aziende lattiero-casearie caratterizzate da picchi di consumo evidenti al mattino e alla sera. Considerando diversi parametri determinati durante la progettazione del sistema agrivoltaico, utilizzando il software SAM (System Advisor Model) viene determinato un piano totale di irraggiamento dell'array come somma del piano anteriore e posteriore dell'irradianza dell'array. I risultati mostrano che i moduli fotovoltaici bifacciali verticali rivolti a est-ovest possono essere abbinati quasi perfettamente al consumo di elettricità giornaliero delle aziende lattiero-casearie poiché rappresentano un modo per distribuire la produzione di elettricità in modo più equo durante il giorno spostando i picchi di produzione da mezzogiorno al mattino e alla sera. La configurazione fisica dell'array del sistema agrivoltaico consiste in una distanza tra le file dei moduli d = 10 m per consentire l'uso simultaneo del campo agricolo per generare elettricità fotovoltaica e l'uso di macchine agricole tra le file. Inoltre l'impianto agrivoltaico è caratterizzato da una notevole distanza tra il generatore FV e la sottostazione, L = 1000 m. Nell'ottica di queste caratteristiche del sistema agrivoltaico, vengono analizzati due scenari per determinare la configurazione della rete FV più idonea per connettere l'impianto FV alle utenze finali. La metodologia di calcolo per determinare la configurazione della rete FV più appropriata viene eseguita confrontando entrambi gli scenari in termini di cadute di tensione, perdite di potenza e volume del materiale del conduttore di rame. Il primo scenario consiste in un sistema FV di conversione monostadio che utilizza gli inverter di stringa in ogni stringa. La distribuzione dell'energia verso la sottostazione avviene principalmente utilizzando la distribuzione AC. Il 2 ° scenario rappresenta un sistema di conversione a doppio stadio in cui la conversione DC-AC è divisa in due parti: i convertitori DC-DC sono posti in prossimità di ogni stringa, mentre l'inverter centrale è posto alla sottostazione. La distribuzione dell'alimentazione si ottiene con cavi DC. I risultati hanno dimostrato l'efficacia del sistema di conversione a doppio stadio di stringa utilizzando la distribuzione DC. I principali vantaggi sono legati alla maggiore efficienza dovuta alla maggiore tensione di distribuzione DC e ai minori costi di installazione dovuti alla riduzione del cablaggio dell'impianto fotovoltaico.