Development of a framework for the analysis of dynamic wind effects on photovoltaic trackers

The widespread deployment of photovoltaic (PV) tracking systems has led to increasingly slender and flexible structures for which wind-induced actions often govern design. Current engineering practice relies primarily on rigid-model wind tunnel testing combined with Equivalent Static Wind Load (ESWL) formulations. While robust and widely adopted, these approaches are based on simplifying assumptions regarding load correlation, dynamic amplification, and aeroelastic behavior, whose validity and degree of conservativeness remain only partially understood for single-axis photovoltaic trackers operating over a wide range of pitch angles. This thesis develops an integrated experimental and numerical framework for the characterization and application of wind loads on single-axis photovoltaic trackers, aimed at improving the physical consistency of ESWL-based structural verification. The framework combines rigid-park wind tunnel experiments, sectional aeroelastic testing, and time-domain structural simulations to establish a direct link between aerodynamic loading, aeroelastic response, and structural demand. Rigid-model wind tunnel experiments are used to derive aerodynamic force and torsional moment coefficients representative of utility-scale PV plants. \newline Design-oriented data reduction strategies based on exposure clustering and longitudinal spatial zoning are applied to obtain conservative yet manageable load formulations suitable for structural analysis. Based on time-resolved wind tunnel measurements, a load combination strategy founded on statistically consistent force–moment pairs occurring at the same instant is proposed. In parallel, sectional wind tunnel tests employing suspended and forced-motion configurations are conducted to investigate the unsteady aerodynamic behavior governing torsional response and aeroelastic stability. These experiments enable identification of aerodynamic derivatives and reveal systematic deviations from classical flat-plate assumptions under pitch angles relevant to tracker operation. The experimentally derived aerodynamic loading is subsequently integrated within a time-domain structural framework based on finite element models of the tracker system. This approach enables a direct assessment of the assumptions underlying conventional ESWL-based design by comparing the structural response obtained using full-simultaneity load combinations and that reconstructed using the proposed simultaneity-reduced force–moment pairs. The comparison provides a quantitative evaluation of the associated conservativeness and demonstrates that the reduced combinations preserve close agreement with reference dynamic structural responses. The thesis provides a physically grounded assessment of wind structure interaction in single-axis photovoltaic trackers and proposes a design-oriented methodology that enhances the representativeness and efficiency of simplified wind load formulations while remaining compatible with current engineering practice.

La diffusione di inseguitori fotovoltaici (PV) di grandi dimensioni ha portato allo sviluppo di strutture sempre più snelle e flessibili, per le quali le azioni del vento risultano spesso determinanti ai fini del progetto. L’attuale pratica ingegneristica si basa prevalentemente su prove in galleria del vento con modelli rigidi e su formulazioni di Carichi Statici Equivalenti del Vento (ESWL), fondate su ipotesi semplificative in termini di correlazione dei carichi, amplificazione dinamica e comportamento aeroelastico, la cui validità e conservatività risultano solo parzialmente comprese per inseguitori monoassiali operanti su ampi intervalli di pitch. La tesi sviluppa un quadro sperimentale e numerico integrato per la caratterizzazione e l’applicazione dei carichi del vento su inseguitori fotovoltaici monoassiali, finalizzato a migliorare la coerenza fisica della verifica strutturale basata su ESWL. Il metodo combina prove in galleria del vento su parchi rigidi, test aeroelastici sezionali e simulazioni strutturali nel dominio del tempo, stabilendo un collegamento diretto tra carico aerodinamico, risposta aeroelastica e domanda strutturale. Le prove su modelli rigidi consentono di derivare coefficienti di forza aerodinamica e di momento torcente rappresentativi di impianti PV utility-scale. Strategie di riduzione dei dati orientate alla progettazione, basate sul raggruppamento delle esposizioni e sulla zonizzazione longitudinale, permettono di ottenere formulazioni di carico conservative ma gestibili. Sulla base di misure risolte nel tempo, viene inoltre proposta una strategia di combinazione dei carichi fondata su coppie forza–momento statisticamente consistenti e concomitanti. In parallelo, test sezionali in configurazioni sospese e a moto imposto sono utilizzati per investigare il comportamento aerodinamico instazionario responsabile della risposta torsionale e della stabilità aeroelastica, consentendo l’identificazione di derivate aerodinamiche e mettendo in evidenza scostamenti sistematici rispetto alle ipotesi classiche di piastra piana. I dati ottenuti dalle prove sperimentali sono integrati in un'analisi strutturale eseguita nel dominio del tempo e basata su modelli ad elementi finiti, permettendo una valutazione diretta delle ipotesi alla base dell’approccio ESWL. Il confronto tra risposte strutturali ottenute assumendo la piena simultaneità dei carichi e quelle ricostruite mediante le combinazioni a simultaneità ridotta proposte consente di quantificare la conservatività associata, mostrando al contempo una buona coerenza con le risposte dinamiche di riferimento. La tesi fornisce una valutazione fisicamente fondata dell’interazione vento–struttura negli inseguitori fotovoltaici monoassiali e propone una metodologia progettuale sperimentale che migliora la rappresentatività e l’efficienza delle formulazioni semplificate dei carichi del vento, mantenendo la compatibilità con la pratica ingegneristica corrente.