Multi-physics and data-driven models for bifacial PV modules: theory and validation

This thesis aims to develop and validate experimentally a simplified multi-physics tool for simulating bifacial PV devices. The results obtained by the case study with a vertical east-west module installation show a close dependency between environmental conditions and module performance. The 2-D View Factor method implemented for the optical model demonstrates high sensitivity to the module’s surroundings and strong dependence between assumptions and accuracy. The best result using this simplified model returns less than 15% error. The electrical part is the main aspect of this study. Firstly a comparison between experimental data fitting and a data-driven stochastic method, called Particle Filter (PF), is conducted to evaluate the best solution for electrical model parameter estimation. Both methods rely on experimental data, data fitting provides a more physically coherent result while the Particle Filter results in a higher error. The three most common electrical models for bifacial PV are then developed and numerically solved. A comparison between the three shows good estimation for all models with errors lower the 6%. The comparison also shows that the model based on the IEC 60904 outperforms the other two. Additionally, a simplified 0-D lumped thermal model is built to complete the multi-physics system. The results from its validation show good agreement with field data, with deviations up to 9% for temperature estimation. The resulting coupled model is capable of estimating power and energy with errors of 6% and 3%, respectively. These findings suggest that a simplified model can effectively estimate photovoltaic performance based on in-field module characterization and weather data, supporting the feasibility of developing vertical east-west bifacial PV installations for agriculture and space-constrained applications.

Questa tesi vuole sviluppare e validare sperimentalmente un modello multi-fisico semplificato per simulare moduli fotovoltaici bifacciali. I risultati ottenuti nel caso studio con un modulo disposto in verticale e orientato est-ovest hanno dimostrato una stretta dipendenza tra le condizioni ambientali e le prestazioni del modulo. Il modello ottico basato sul metodo dei Fattori di Vista in 2-D ha dimostrato molta sensibilità agli elementi limitrofi al modulo e forte dipendenza tra ipotesi e accuratezza. Il miglior risultato di questo modello presenta meno del 15% d'errore. L'aspetto principale di questo studio è la parte elettrica. Un primo confronto tra un metodo di fit di dati sperimentali e un approccio data-driven noto come Particle Filter (PF) è condotto per valutare la migliore soluzione nella stima dei parametri del modello elettrico. Entrambi i metodi partono dai dati sperimentali, il primo risulta essere più coerente con la fisicità del problema, il secondo ritorna un errore maggiore. I tre più comuni modelli elettrici in letteratura sono sviluppati attraverso un risolutore numerico e messi a confronto. La comparazione tra i tre modelli dimostra una buona approssimazione dei dati sperimentali con errori inferiori al 6%. Il confronto ha mostrato inoltre che il modello definito dalla normativa IEC 60904 è superiore rispetto agli altri due. In aggiunta, un modello termico a parametri concentrati 0-D è proposto per completare il sistema multi-fisico. I risultati della validazione di questo modello mostrano una buona aderenza con i dati raccolti con variazioni del 9% sulla stima di temperatura. Il modello accoppiato è in grado di stimare potenza ed energia con errori del 6% e 3% rispettivamente. Questi dati suggeriscono che un modello semplificato possa stimare in modo efficace le prestazioni del fotovoltaico partendo da una caratterizzazione sul campo e dati metereologici. Ciò inoltre supportando lo sviluppo di installazioni con moduli bifacciali in verticale est-ovest per soluzioni agricole e con spazio limitato.