Characterization and performance analysis of bifacial photovoltaic modules through outdoor testing

Bifacial photovoltaic devices (bPV) are designed to capture radiation reaching their rear surface. This feature is a major innovation compared to conventional photovoltaic technologies, which have been developed to receive solar radiation only on one side of the PV cell. The peculiarity of being able to convert radiation incident on both faces into electricity allows bifacial devices to achieve a higher power output for the same area. These devices represent a viable alternative to conventional technologies, both in terms of cost and because they can be used for innovative applications that benefit from the ability to convert light incident on both sides, such as agrivoltaics. This thesis explores the main aspects concerning the characterization and modelling of the behaviour of bifacial PV modules, through the use of experimental data. In particular, the different performance between the two sides of the device is evaluated, as well as the discrepancy between monofacial and bifacial operation mode. The reference standards for bPV testing are applied, and the main criticalities related to them, such as the lack of a bifacial reference condition, are emphasized. For what concerns electrical modelling, the two main alternative approaches found in literature are analysed and they prove to be sufficiently accurate overall. The first approach represents the two faces of the device as two current generators in parallel in the same circuit, while the second one uses two circuits connected in parallel. Thermal modelling of the behaviour of bifacial devices appears to be similar to that of conventional devices, as can be seen from the use of the main zero-dimensional models. bPV shows higher heat dissipation and, consequently, lower temperature than monofacial technologies. The efficiency of the rear side proves to be lower than the one of the front side. Nevertheless, due to the contribution of the rear side, when both sides are exposed to radiation, the power produced turns out to be is almost 10% higher than the case where only the front side is exposed to global radiation.

I dispositivi fotovoltaici bifacciali (bPV) sono progettati per catturare la radiazione incidente sulla loro superficie posteriore. Tale caratteristica rappresenta un'innovazione importante rispetto alle tecnologie fotovoltaiche tradizionali, che sono state sviluppate per ricevere la radiazione solare su un solo lato della cella fotovoltaica. La particolarità di poter convertire in elettricità la radiazione incidente su entrambe le facce permette ai dispositivi bifacciali di ottenere, a pari area, una maggiore potenza prodotta. Questi dispositivi rappresentano una valida alternativa rispetto alle tecnologie convenzionali, sia per quanto riguarda i costi, sia perché possono trovare impiego in applicazioni innovative che traggono vantaggio dalla possibilità di convertire la luce incidente su entrambe le facce, quali l'agrivoltaico. Questa tesi esplora i principali aspetti che riguardano la caratterizzazione e la modellazione del comportamento dei moduli fotovoltaici bifacciali, attraverso l'utilizzo di dati sperimentali. In particolare, viene valutata la differenza di prestazioni tra le due facce del dispositivo e la discrepanza tra la modalità di funzionamento monofacciale e bifacciale. La normativa di riferimento per i bPV viene applicata, e le principali criticità ad essa connesse, quali la mancanza di una condizione di riferimento bifacciale, vengono enfatizzate. Per quanto riguarda i modelli elettrici, le due principali alternative proposte in letteratura vengono analizzate e si dimostrano nel complesso accurate. Nel primo approccio le due facce vengono rappresentate tramite due generatori di corrente in parallelo nello stesso circuito, mentre nel secondo come due circuiti connessi in parallelo. La modellazione termica dei dispositivi bifacciali risulta essere analoga a quella dei dispositivi convenzionali, come si evince tramite l'utilizzo dei principali modelli zero-dimensionali. I bPV mostrano una maggiore capacità di dissipare calore e, di conseguenza, una minore temperatura rispetto alle tecnologie monofacciali. L'efficienza del lato posteriore si dimostra essere minore di quella del lato anteriore. Nonostante ciò, grazie al contributo del lato posteriore, quando entrambe le facce sono esposte alla radiazione, la potenza prodotta risulta essere circa il 10% in più del caso in cui solo la faccia frontale è esposta alla radiazione globale.