Optimizing bifacial photovoltaic systems for hybrid charging stations in agricultural settings

The integration of renewable energy solutions into agricultural operations is crucial for advancing sustainability and reducing dependence on conventional energy sources. Among these solutions, bifacial photovoltaic (bPV) systems have emerged as a promising technology due to their ability to capture sunlight from both sides of the panel, thereby enhancing energy yield. This thesis investigates the optimization of different PV systems for hybrid charging stations (HCS) in agricultural environments, focusing on their effectiveness in powering both agricultural electric vehicles (AEVs) and on-road electric vehicles (EVs). A comprehensive methodology was adopted to evaluate four distinct PV configurations: Tilted South-Facing Monofacial PV (TSF mPV), Tilted South-Facing Bifacial PV (TSF bPV), Vertically Mounted East-West Bifacial PV (VMEW bPV), and a Hybrid bPV system combining TSF bPV and VMEW bPV. The performance of these configurations was assessed using the System Advisor Model (SAM) for power generation simulations and Python for load profile analysis. Two key performance metrics, Satisfied Load Fraction (SLF) and Utilization Factor (UF), were used to quantify system efficiency and grid dependency. The results demonstrate that TSF bPV consistently outperforms other configurations in terms of SLF, making it the most effective option for reducing grid reliance. Additionally, analysis of charging starting times for AEVs battery revealed that early morning charging (9 am) significantly improves system efficiency, ensuring better alignment with peak solar generation. Furthermore, Slow charging proved more effective than fast charging, reducing energy mismatches and maximizing PV electricity utilization. Overall, this study provides a framework for optimizing PV systems within hybrid charging stations, offering practical insights into the integration of renewable energy into agricultural and transportation infrastructures. The findings contribute to the development of sustainable, self-sufficient energy.

L'integrazione delle soluzioni energetiche rinnovabili nelle attività agricole è fondamentale per promuovere la sostenibilità e ridurre la dipendenza dalle fonti energetiche convenzionali. Tra queste soluzioni, i sistemi fotovoltaici bifacciali (bPV) si sono affermati come una tecnologia promettente grazie alla loro capacità di catturare la luce solare da entrambi i lati del pannello, aumentando così la resa energetica. Questa tesi analizza l'ottimizzazione dei sistemi bPV per le stazioni di ricarica ibride (HCS) in ambienti agricoli, concentrandosi sulla loro efficacia nell'alimentare sia i veicoli agricoli elettrici (AEV) che i veicoli elettrici stradali (EV). È stata adottata una metodologia completa per valutare quattro configurazioni fotovoltaiche distinte: fotovoltaico monofacciale inclinato rivolto a sud (TSF mPV), fotovoltaico bifacciale inclinato rivolto a sud (TSF bPV), fotovoltaico bifacciale montato verticalmente con orientamento est-ovest (VMEW bPV) e un sistema ibrido che combina TSF bPV e VMEW bPV. Le prestazioni di queste configurazioni sono state valutate utilizzando il System Advisor Model (SAM) per le simulazioni di generazione energetica e Python per l'analisi del profilo di carico. Due metriche chiave di prestazione, la Frazione di Carico Soddisfatta (SLF) e il Fattore di Utilizzo (UF), sono state utilizzate per quantificare l'efficienza del sistema e la dipendenza dalla rete. I risultati dimostrano che il sistema TSF bPV supera costantemente le altre configurazioni in termini di SLF, risultando l'opzione più efficace per ridurre la dipendenza dalla rete. Tuttavia, il sistema ibrido mostra prestazioni superiori a capacità installate più elevate, massimizzando sia SLF che UF. Inoltre, l'analisi dei tempi di inizio della ricarica ha rivelato che la ricarica nelle prime ore del mattino (9:00) migliora significativamente l'efficienza del sistema, garantendo un migliore allineamento con la produzione solare di picco. Inoltre, si è scoperto che la ricarica lenta è più vantaggiosa rispetto alla ricarica rapida in termini di utilizzo dell'energia, riducendo le discrepanze energetiche e massimizzando l'uso dell'elettricità generata dal fotovoltaico. Nel complesso, questo studio fornisce un quadro di riferimento per l'ottimizzazione dei sistemi bPV all'interno delle stazioni di ricarica ibride, offrendo approfondimenti pratici sull'integrazione delle energie rinnovabili nelle infrastrutture agricole e di trasporto. I risultati contribuiscono allo sviluppo di sistemi energetici sostenibili e autosufficienti, promuovendo soluzioni a basse emissioni di carbonio e migliorando la resilienza energetica negli ambienti agricoli.