Battery sizing criteria in real residential and industrial load management with pv

The interest in renewable energy sources and their exploitation has steadily increased in recent years, due to growing concerns about uncontrolled Green House Gases (GHG) emissions, caused by fossil fuels utilization, and the resulting increase in average global temperature. Recently, photovoltaics systems have experienced the most rapid diffusion among renewable energy technologies, thanks to their low environmental impact and their cost-effectiveness. Numerous studies and research have led to the development of increasingly efficient technologies at a lower cost, allowing the best solutions to overcome the economic efficiency of some systems powered by traditional sources. Bifacial photovoltaic modules are characterized by their ability to convert solar radiation on the rear surface, resulting in increased power output at costs comparable to the ones characterizing the traditional technologies, but inducing the researchers to question the optimal panel positioning. Vertical installation of modules, such that the primary surface faces east and secondary surface faces west (and vice versa), allows for the generation of two distinct power peaks during morning and afternoon hours, ensuring a better synchronization with certain power demand profile with respect to south-facing modules, which exhibit maximum power generation at solar noon. While the potential of these systems in supplying electrical loads has already been partially demonstrated, the combination of these solutions with advanced load management techniques, such as peak shaving and load shifting, could lead to even more promising results. In this study, we compare vertically installed systems (with front surface facing east or west) with traditionally positioned monofacial and bifacial systems in the sizing of the batteries, for load management. After calculating the hourly energy production of the modules in the various configurations, the analysis of real residential and industrial loads leads to the sizing of the photovoltaic farms based on three distinct approaches. Subsequently, by applying a different approach for each photovoltaic plant size, we determine the magnitude of the storage systems, demonstrating that under certain conditions, vertical farms lead to a reduction in the required capacity. Finally, we carry out simulations related to the power flows experienced by the plants, applying different battery management strategies for each solution. The economic analysis of each configuration highlights that, in some situations, the use of vertical systems enables the reduction of both energy and capital expenses.

L’interesse nelle fonti di energia rinnovabili e il loro sfruttamento è aumentato costantemente nel corso degli ultimi anni, a causa di una crescente preoccupazione nei confronti dell’incontrollata emissione di gas serra, causata dall’utilizzo di combustibili fossili, e del conseguente aumento della temperatura media terrestre. Recentemente, nel panorama delle tecnologie basate sulle fonti rinnovabili, i sistemi fotovoltaici hanno subito la diffusione più rapida, grazie al modesto impatto ambientale e ai costi contenuti. Numerosi studi e ricerche hanno permesso lo sviluppo di tecnologie sempre più performanti ad un costo sempre minore, consentendo di superare l’efficienza economica di alcuni sistemi alimentati da fonti tradizionali. I moduli fotovoltaici bifacciali sono caratterizzati dalla capacità di convertire radiazione solare sulla superficie posteriore, con un conseguente incremento della potenza erogata, a fronte di costi comparabili con quelli tipici delle tecnologie tradizionali, inducendo però i ricercatori ad interrogarsi sul posizionamento ottimale dei pannelli. L’installazione dei moduli in verticale permette di originare due picchi di potenza distinti nel corso delle ore mattutine e pomeridiane, garantendo una migliore sincronizzazione con la potenza richiesta dalle utenze rispetto ai moduli rivolti verso sud, caratterizzati invece da una massima erogazione di potenza in corrispondenza del mezzogiorno solare. Nonostante le potenzialità di questi sistemi nell’alimentazione dei carichi elettrici siano già state parzialmente dimostrate, combinare queste soluzioni con tecniche di gestione dei carichi avanzate, quali il peak shaving e il load shifting, potrebbe condurre a risultati ancora più significativi. In questo studio, confrontiamo gli impianti installati in verticale (con superficie frontale rivolta verso est o verso ovest) con impianti monofacciali e bifacciali tradizionalmente posizionati, nel dimensionamento delle batterie, per la gestione dei carichi. Dopo aver calcolato la produzione energetica oraria dei moduli nelle varie configurazioni, l’analisi dei reali carichi di tipo residenziale ed industriale porta al dimensionamento degli impianti fotovoltaici secondo tre logiche distinte. Successivamente, applicando un approccio differente per ogni dimensione d’impianto fotovoltaico, deduciamo l’entità dei sistemi di storage, dimostrando che, in determinate condizioni, gli impianti verticali portano ad una riduzione della capacità necessaria. Infine, conduciamo le simulazioni inerenti ai flussi di potenza sperimentati dell’impianto, applicando una gestione dei carichi differente per ogni soluzione. L’analisi economica di ogni configurazione permette di evidenziare che, in certe situazioni, l’utilizzo di un impianto verticale consente un risparmio sia energetico che economico.