A comprehensive experimental analysis of the aerodynamic stability of a photovoltaic tracker

In the context of renewable energy production, solar power has seen significant developments in recent times. To maximize energy output, photovoltaic trackers, with their ability to follow the sun’s position throughout the day, offer a solution that is increasingly being adopted in new installations. However, their lightweight structure and large surface area, combined with the low level of torsional constraint, make them particularly vulnerable to wind forces, exposing them to static and dynamic instabilities. Designing systems that maintain structural stability under aerodynamic loads while optimizing energy production represents a crucial engineering challenge. This thesis presents an aeroelastic investigation of solar trackers, which is fundamental for understanding their response to aerodynamic forces and preventing potential structural failures. The study uses experimental wind tunnel testing methods, comparing free motion and forced motion techniques to evaluate aerodynamic behavior. A key aspect of the research includes developing and comparing sectional models at different scales, whose preparation is supported by Finite Element Method (FEM) simulations. The research explores in detail how different configurations influence aerodynamic behavior, including the presence or absence of a simulated ground plane in the reduced scale model to study ground proximity effects. Importance is also given to analysis and correction of potential blockage effects in wind tunnel tests, which can alter wind speed and dynamic pressure, influencing coefficient calculations. Comparisons of static coefficient curves between different test campaigns emphasize the impact of model geometry, configuration and used measurement instrumentation. The evaluation of flutter derivatives confirms their sensitivity to wind speed and angle of incidence, while the ground effect is not relevant. The results of this research offer a significant contribution to improve structural design and long-term operational stability of photovoltaic tracking systems under variable environmental conditions.

Nel contesto di produzione di energia da fonti rinnovabili, il solare ha mostrato particolari sviluppi in tempi recenti. Per massimizzare la produzione di energia, gli inseguitori fotovoltaici, con la loro capacità di inseguire la posizione del sole durante la giornata, forniscono una soluzione sempre più in uso in nuove installazioni. Tuttavia, la loro struttura leggera e l'ampia superficie, combinata con il devole livello di vincolamento torsionale, li rendono particolarmente vulnerabili alle forze indotte dal vento, esponendoli a instabilità statiche e dinamiche. Progettare sistemi che mantengano la stabilità strutturale sotto tali carichi aerodinamici, pur ottimizzando la produzione energetica, rappresenta una sfida ingegneristica di grande importanza. Questa tesi presenta una indagine sull'aeroelastica dei solar tracker, fondamentale per comprenderne la risposta alle forze aerodinamiche e prevenire potenziali cedimenti strutturali. Lo studio impiega metodologie sperimentali di test in galleria del vento, confrontando le tecniche a moto libero e a moto forzato per la valutazione del comportamento aerodinamico. Un aspetto chiave della ricerca include lo sviluppo e il confronto di modelli sezionali in scale differenti, la cui preparazione è supportata da simulazioni con il Metodo degli Elementi Finiti (FEM). La ricerca esplora in dettaglio l'influenza di diverse configurazioni sul comportamento aerodinamico, inclusa la presenza o assenza di un piano terreno, simulato nel modello in scala ridotta, per studiare l'effetto di vicinanza al suolo. Di particolare importanza è anche l'analisi e la correzione del potenziale effetto di bloccaggio nei test in galleria del vento, che può alterare la velocità del vento e la pressione dinamica, influenzando il calcolo dei coefficienti. I confronti delle curve polari tra diverse campagne di test sottolineano inoltre l'impatto della geometria del modello, della configurazione e della strumentazione di misura utilizzata. La valutazione delle derivate di flutter conferma la loro sensibilità alla velocità del vento e all’angolo di incidenza, mentre l’effetto suolo non risulta rilevante. I risultati di questa ricerca offrono un contributo significativo al miglioramento della progettazione strutturale e alla stabilità operativa a lungo termine dei sistemi fotovoltaici di tracking in condizioni ambientali variabili.