MODELING, EXPERIMENTAL ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF FLOATING PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS

The objective of this thesis is to explore innovative systems and FPV plant configurations, capable of increasing efficiency and reducing LCOE. In the context of the study of the integration of FPV systems in water basins, numerical models have been developed that allow to estimate the evaporation rate in relation to the characteristics of the floating systems and the occupied water surface. Models to evaluate the performances of different plant solutions (monofacial-bifacial, fixed and tracking), in active and passive cooling conditions have been implemented. An economic evaluation was carried out for each type of FPV analyzed in order to verify the competitiveness of an FPV system compared to a classic GPV. For the models validation, data collected by the floating photovoltaic experimental system, installed at the Enel Innovation Hub and Lab in Passo Martino (CT) in Italy, was used. Results shows that, installing the FPV on 50% of the basin area, can be obtain a water saving of 73%. Thanks to the natural cooling of the modules, a gain of more than 5% can be obtained and, depending on the module technology and climatic conditions, this gain can be greater than 7%. By using bifacial modules, an energy gain ranging from 5% to 13% can be obtained, depending on the albedo. By implementing active cooling systems with a film of water, which integrate well into FPV systems, an energy gain greater than 9% can be obtained. As regards the tracking systems, for intermediate latitudes an increase higher than 47% can be obtained for Dual axis tracker. With non-evaporated water that can be sold for irrigation or in the form of electricity produced by the HPP plant, it is possible to obtain revenues greater than 3 $ / kWp in the first case and greater than 4 $ / kWp in the second case. Considering all these benefits, an FPV system can be more competitive than a classic GPV system. In fact, from the studies reported in this work it is possible to obtain an LCOE that is 20% lower than GPV.

L'obiettivo di questa tesi è esplorare sistemi innovativi e configurazioni di impianti FPV, in grado di aumentare l'efficienza e ridurre l'LCOE. Nell'ambito dello studio dell'integrazione dei sistemi FPV nei bacini idrici, sono stati sviluppati modelli numerici che consentono di stimare il tasso di evaporazione in relazione alle caratteristiche dei sistemi galleggianti e della superficie d'acqua occupata. Sono stati implementati modelli per valutare le prestazioni di diverse soluzioni impiantistiche (monofacciali-bifacciali, fissi e ad inseguimento), in condizioni di raffreddamento attivo e passivo. Per ogni tipologia di FPV analizzata è stata effettuata una valutazione economica al fine di verificare la competitività rispetto ad un GPV classico. Per la validazione dei modelli sono stati utilizzati i dati raccolti dal sistema sperimentale fotovoltaico galleggiante, installato presso l'Enel Innovation Hub and Lab di Passo Martino (CT) in Italia. I risultati mostrano che, installando l'FPV sul 50% dell'area del bacino, si può ottenere un risparmio idrico del 73%. Grazie al raffreddamento naturale dei moduli si può ottenere un guadagno di oltre il 5% e, a seconda della tecnologia del modulo e delle condizioni climatiche, questo guadagno può essere maggiore del 7%. Utilizzando i moduli bifacciali si può ottenere un guadagno energetico compreso tra il 5% e il 13%, a seconda dell'albedo. Implementando sistemi di raffreddamento attivo con film d'acqua, che si integrano bene nei sistemi FPV, si può ottenere un guadagno energetico superiore al 9%. Per quanto riguarda i sistemi di tracking, per latitudini intermedie si può ottenere un incremento superiore al 47% per Dual axis tracker. Con l’acqua non evaporata vendibile per irrigazione o sotto forma di energia elettrica prodotta dall'impianto HPP, è possibile ottenere ricavi maggiori di 3 $ / kWp nel primo caso e maggiori di 4 $ / kWp nel secondo caso . Considerando tutti questi vantaggi, un sistema FPV può essere più competitivo di un classico sistema GPV. Infatti, dagli studi riportati in questo lavoro è possibile ottenere un LCOE inferiore del 20% rispetto al GPV.