Review of cooling mechanisms for floating and ground-mounted solar panels

Floating photovoltaic (FPV) systems represent a rapidly expanding technology in the renewable energy sector, serving as a complementary solution to ground-mounted photovoltaic systems. The increase in cell operating temperature due to high ambient temperatures leads to a significant reduction in system performance. Therefore, it is essential to evaluate the integration of effective cooling systems to mitigate these effects. In this context, FPV systems can take advantage of the thermal inertia of the water bodies on which they are installed, utilizing them as natural heat sinks to enhance overall efficiency. The objective of this thesis is to analyze the main cooling techniques applicable to both floating and ground-mounted PV systems, integrating this analysis with an economic assessment comparing capital expenditures (CAPEX) and the levelized cost of energy (LCOE) for the two technologies. The literature review highlights that the CAPEX of FPV systems is 15-25% higher than that of ground-mounted PV systems, consequently affecting the LCOE. Among the cooling strategies examined, water spray cooling proves to be the most effective technique, achieving an average surface temperature reduction of 40% and an increase in power output and efficiency of up to 20%. Among passive cooling techniques, capillary cooling emerges as particularly promising, leading to an average surface temperature reduction of 20% and a performance improvement ranging from 10% to 15%.

Gli impianti fotovoltaici galleggianti rappresentano una tecnologia in rapida espansione nel settore delle energie rinnovabili, configurandosi come una soluzione complementare agli impianti fotovoltaici installati a terra. L’aumento della temperatura di esercizio delle celle fotovoltaiche, determinato dalle elevate temperature ambientali, comporta una significativa riduzione delle prestazioni del sistema. Pertanto, risulta fondamentale valutare l’integrazione di sistemi di raffreddamento efficaci per mitigare tali effetti. In questo contesto, gli impianti fotovoltaici galleggianti possono beneficiare dell’inerzia termica del corpo idrico su cui sono installati, sfruttandolo come dissipatore di calore naturale per migliorare l’efficienza complessiva. L’obiettivo di questa tesi è analizzare le principali tecniche di raffreddamento applicabili sia agli impianti fotovoltaici galleggianti sia a quelli installati a terra, integrando tale analisi con una valutazione economica basata sul confronto dei costi di investimento (CAPEX) e del costo livellato dell’energia (LCOE) per entrambe le configurazioni. Dall’analisi bibliografica condotta emerge che i costi CAPEX degli impianti fotovoltaici galleggianti risultano superiori del 15-25% rispetto a quelli installati a terra, influenzando di conseguenza il valore dell’LCOE. Tra le strategie di raffreddamento analizzate, il sistema di water spray cooling si distingue come la soluzione più efficace, determinando una riduzione media della temperatura superficiale del 40% e un incremento della potenza generata e dell’efficienza fino al 20%. Tra le tecniche di raffreddamento passivo, invece, il raffreddamento per capillarità si rivela particolarmente promettente, con una riduzione media della temperatura superficiale del 20% e un miglioramento delle prestazioni compreso tra il 10% e il 15%.