Implementation of the firm photovoltaic generation strategy. From outdoor module characterization to sizing optimization and prototype validation

The massive integration of solar photovoltaics (PV) into the energy mix is fundamentally transforming power markets, yet its intrinsic variability poses challenges to grid stability, dispatch management, and power curtailment. To overcome these barriers without relying on prohibitive storage capacities, this dissertation explores and validates the firm photovoltaic (firm-PV) generation strategy. By combining PV oversizing (OVS), battery energy storage systems (BESS, measured in days of load stored, NDY), and proactive curtailment, this concept transforms intermittent solar into a dispatchable asset while minimizing energy costs. This research adopts a multi-scale engineering approach spanning component-level analysis, computational optimization, and experimental prototyping. First, to characterize bifacial PV components under real operating conditions, a three-phase outdoor testing protocol was developed and validated. The protocol reliably extracts electrical parameters, temperature coefficients, and the rear-irradiance-driven power gain (BiFi), aligning with nominal specifications and indoor laboratory benchmarks while offering an accessible alternative for facilities lacking indoor testing equipment. Moving to system-level design, an optimization model targeting levelized cost of electricity (LCOE) minimization was implemented for the Engineering Macro-area at Tor Vergata University (a case study for the Rome Technopole campus). Simulations highlight that up to an 86–87% self-production (SP) target, LCOE remains virtually constant and competitive against the Italian National Price (PUN). Pushing for higher targets triggers a sharp rise in both battery capacity and curtailment. Finally, to address the gap in real-world firm-PV validation, the Infinity prototype was operated over a full year (April 2025–March 2026). Composed of commercial components and an emulated load, Infinity achieved an annual SP of 98.6% and a curtailment rate of 68.5%. However, field data revealed significant physical non-idealities: operating under low nighttime baseloads (30–50 W) reduced the average BESS discharge efficiency to 58.4%. While a static-efficiency Matlab model accurately matched annual SP and curtailment, granular power flow analysis exposed localized battery misalignments. These empirical findings enabled the mathematical formulation of a load-dependent discharge efficiency function, highlighting the necessity of dynamic efficiencies in future predictive modeling.

L’integrazione massiva del fotovoltaico (PV) nel mix energetico sta trasformando i mercati elettrici, ma la sua variabilità pone sfide di stabilità della rete, gestione del dispacciamento e curtailment. Per superare queste difficoltà senza ricorrere a capacità di accumulo proibitive, questa tesi analizza e valida la strategia firm-PV. Combinando sovradimensionamento fotovoltaico (OVS), accumulo a batteria (BESS, misurati in giorni di carico accumulato, NDY) e curtailment proattivo, il solare si trasforma da fonte intermittente in risorsa dispacciabile, minimizzando, contestualmente, il costo dell’energia. La ricerca adotta un approccio a più livelli, dall'analisi di componente, all'ottimizzazione computazionale, fino alla prototipazione sul campo. Per caratterizzare i moduli bifacciali in condizioni operative reali, è stato sviluppato e validato un protocollo di test outdoor in tre fasi. Esso estrae in modo affidabile parametri elettrici, coefficienti di temperatura e il guadagno da irradianza posteriore (BiFi), con risultati in linea con specifiche nominali e benchmark indoor, offrendo un'alternativa accessibile per le strutture prive di strumentazione per test al chiuso. A livello di sistema, è stato implementato un modello di ottimizzazione finalizzato alla minimizzazione del costo dell'energia (LCOE) per la Macroarea di Ingegneria dell'Università di Tor Vergata (caso studio per il campus del Rome Technopole). Le simulazioni evidenziano che, fino ad una autoproduzione (SP) target dell'86–87%, l'LCOE rimane sostanzialmente costante e competitivo rispetto al Prezzo Unico Nazionale (PUN). Con target più elevati si innesca un rapido aumento sia della capacità della batteria necessaria sia dei tassi di curtailment. Infine, per colmare la mancanza di validazione reale, il prototipo Infinity è stato messo in esercizio e monitorato per un intero anno (aprile 2025 – marzo 2026). Basato su componenti commerciali e con carico emulato, Infinity ha raggiunto una SP annua del 98,6% e un tasso di curtailment del 68,5%. Tuttavia, i dati sul campo hanno rivelato significative non-idealità fisiche: le condizioni notturne di basso carico (30–50 W) hanno ridotto l'efficienza media di scarica del BESS al 58,4%. Sebbene un modello Matlab a efficienza statica abbia stimato con precisione i valori annui di SP e curtailment, l'analisi dei flussi ha evidenziato disallineamenti nei flussi di potenza della batteria. Tali evidenze empiriche hanno permesso la formulazione di una funzione di efficienza di scarica dipendente dal carico, e sottolineato la necessità di incorporare efficienze dinamiche nei futuri strumenti di modellazione predittiva.