Experimental assessment of electrical models and parameter extraction methods for bifacial photovoltaic modules

Bifacial photovoltaic modules are gaining increasing importance in the renewable energy market because of their ability to capture solar radiation from both the front and rear sides of the panel, using ground-reflected light and diffuse irradiance to achieve higher energy production compared to conventional monofacial devices. This technology finds application in different scenarios including ground-mounted systems, floating platforms, and agrivoltaics. However, accurately modeling these devices proved to still be a challenge. To begin with, in this work it will be assessed the accuracy of three electrical models of increasing complexity, a three-parameter model (3P), a five-parameter single-diode model (SDM), and a seven-parameter double-diode model (DDM), in reproducing the measured I-V characteristics of a commercial bifacial module, the FuturaSun FU420M Silk Nova Duetto. The aforementioned front-side and rear-side curves have been acquired outdoors at different irradiance levels (approximately 590–1000W/m2 on the front and 445–950W/m2 on the rear) using a capacitive-load I-V tracer with Hall-effect current sensing. The raw data from the measurements are then processed and the reconstructed I-V curves used as the basis for single-side fitting accuracy assessment.Four metaheuristic optimisation algorithms (nDEBCO, GCAOA, IWOA, and HAOA) were employed for the parameter extraction, and multiple parameter-variation methods from the literature were used to translate the reference parameters to different operating conditions. Moreover, in order to retrace the bifacial I-V curve starting from the single-side exctracted parameters, three equivalent-circuit topologies are compared: the parallel-generators model,which treats the bifacial module as a monofacial device operating at an equivalent irradiance; the parallel-branches model, which represents the front and rear sides as two independent single-diode (or double-diode) circuits connected in parallel; and the comprehensive single-diode bifacial model proposed by Sahu et al., which derives each of the five parameters as a weighted function of the individual side’s parameters through physically motivated correction factors. In conclusion, a validation study compares the parameter values predicted by the translation methods against those obtained by independent extraction from I-V curves measured at different irradiance levels. The single-side fitting results reveal that algorithm selection has at least as much influence on accuracy as model complexity. The DDM with the HAOA algorithm achieves the best overall performance, however the SDM with nDEBCO delivers comparable rear-side accuracy with a simpler formulation. On the other hand, the fitting on the bifacials I-V curve revealed that the DDM combined with the Chennoufi (2021) translation method and the parallel-branches topology yields the lowest errors outperforming all SDM configurations. Notably, among the SDM-based approaches the Sahu topology with the Villalva variation method achieves the best result demonstrating that a physically grounded bifacial formulation can compensate for lower model complexity. Finally, the analysis of how the parameters evolve with irradiance and temperature followed by a validation study shows different results.The photocurrent seems to be the most reliably predicted parameter, with all methods accurately capturing its linear dependence on irradiance, while the resistive parameters turn out to be the most difficult to vali date, exhibiting non-monotonic scatter and systematic deviations between predicted and extracted values, particularly on the rear side. These findings provide an insight for selecting model-algorithm-method combinations for bifacial PV system modeling.

I moduli fotovoltaici bifacciali stanno acquisendo un’importanza crescente nel mercato delle energie rinnovabili grazie alla loro capacità di captare la radiazione solare sia dal lato frontale sia dal lato posteriore del pannello, sfruttando la luce riflessa dal suolo e l’irradianza diffusa per ottenere rese energetiche superiori rispetto ai dispositivi monofacciali convenzionali. Si prevede che questa tecnologia conquisterà una quota di mercato significativa nei prossimi anni, con applicazione in diversi scenari tra cui impianti a terra, piattaforme galleggianti e configurazioni agrivoltaiche. Tuttavia, la modellazione elettrica accurata di questi dispositivi resta tutt’oggi una sfida. Nel presente lavoro di tesi si valuta in primo luogo l’accuratezza di tre modelli elettrici nel riprodurre le caratteristiche I-V misurate di un modulo bifacciale commerciale, il FuturaSun FU420M Silk Nova Duetto. I suddetti tre modelli sono, in complessità crescente,un modello a tre parametri (3P), un modello a singolo diodo a cinque parametri (SDM) e un modello a doppio diodo a sette parametri (DDM). Le curve I-V sul lato frontale e posteriore del pannello sono state acquisite all’aperto a diversi livelli di irraggiamento (approssimativamente 590–1000W/m2 sul lato frontale e 445–950W/m2 sul lato posteriore) mediante un misuratore di curve I-V a carico capacitivo con sensore di corrente a effetto Hall. I dati grezzi sono stati elaborati e le curve I-V ricostruite hanno rappresentato la base sia per la valutazione dell’accuratezza di fitting su singolo lato sia per la validazione del modello bifacciale rispetto a misure in campo con illuminazione simultanea frontale e posteriore. I quattro algoritmi di ottimizzazione metaeuristica (nDEBCO, GCAOA, IWOA e HAOA) sono stati impiegati per l’estrazione dei parametri, e diversi metodi reperiti in letteratura sono stati utilizzati per traslarli a differenti condizioni operative di irraggiamento e temperatura. D’altra parte, per la ricostruzione delle curve I-V bifacciali a partire dalle misure delle singole facce del pannello, sono state confrontate tre topologie circuitali: il modello a generatori in parallelo, che tratta il modulo bifacciale come un dispositivo monofacciale operante a un irraggiamento equivalente; il modello a rami in parallelo, che rappresenta il lato frontale e quello posteriore come due circuiti a singolo diodo (o a doppio diodo) indipendenti collegati in parallelo; e il modello bifacciale "completo" a singolo diodo posto da Sahu et al., che ricava ciascuno dei cinque parametri come funzione pesata dei parametri dei singoli lati attraverso fattori correttivi. Infine, uno studio di validazione confronta i valori dei parametri predetti dai metodi di traslazione con quelli ottenuti mediante estrazione indipendente da curve I-V misurate a diversi livelli di irraggiamento. I risultati del fitting su singolo lato rivelano che la scelta dell’algoritmo ha sull’accuratezza un’influenza pari a quella della complessità del modello. Per quanto riguarda l’analisi dei parametri estratti dalle singole facce del pannello, il DDM con l’algoritmo HAOA raggiunge le migliori prestazioni complessive; tuttavia, il SDM con nDEBCO fornisce un’accuratezza comparabile con una formulazione più semplice. Mentre per la predizione delle curve I-V bifacciali il DDM combinato con il metodo di traslazione di Chennoufi (2021) e la topologia a rami in parallelo produce gli errori più bassi, superando tutte le configurazioni SDM. Tra gli approcci basati sull’SDM, la topologia di Sahu con il metodo di variazione di Villalva ottiene il miglior risultato, dimostrando che una formulazione bifacciale fisicamente fondata può compensare una minore complessità del modello. Infine viene condotta un’analisi dell’evoluzione dei parametri seguita da uno studio di validazione i cui risultati confermano che la fotocorrente è il parametro predetto con maggiore affidabilità, con tutti i metodi che ne colgono accuratamente la dipendenza lineare dall’irraggiamento, mentre i parametri resistivi risultano i più difficili da validare, mostrando una dispersione non monotona e deviazioni sistematiche tra valori previsti ed estratti, in particolare sul lato posteriore. Questi risultati forniscono indicazioni utili per la selezione delle combinazioni modello algoritmo-metodo nella modellazione di sistemi fotovoltaici bifacciali.