TITOLO DELLA TESI: Progettazione strutturale di nuovi inseguitori solari fotovoltaici in acciaio per applicazioni agro-fotovoltaiche in zona sismica
MASTER: Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili
AUTORE: Maria Claudia Musca
TUTOR: Prof. Pietro Crespi
La crescente necessità di sviluppare fonti energetiche rinnovabili e la volontà di ridurre l’impatto ambientale e la dipendenza dai combustibili fossili, pongono l’energia solare fotovoltaica al centro della strategia globale. In questo contesto, l’innovazione tecnologica si concentra su strutture di supporto più performanti e adattabili, in grado di coniugare la produzione energetica con il rispetto del territorio e dell’attività agricola.
La presente tesi si inserisce in questo quadro, affrontando la progettazione strutturale di un nuovo sistema di inseguitori solari in acciaio, denominato “Butterfly“, coperto da brevetto internazionale (WO 2024/009219). Questa innovativa configurazione prevede la disposizione dei moduli fotovoltaici bifacciali su due piani contrapposti, a formare una doppia vela a V variabile. Tale geometria è studiata per massimizzare lo sfruttamento delle mutue riflessioni e della radiazione solare (diretta, diffusa e riflessa), riducendo al contempo l’ingombro orizzontale e il Ground Cover Ratio (GCR). Il progetto rispetta i requisiti per gli impianti agrivoltaici avanzati, garantendo un’altezza minima da terra di 2,10 m per consentire il transito dei mezzi agricoli.
L’obiettivo principale del lavoro è stato il dimensionamento strutturale e la verifica della configurazione “Butterfly” in acciaio, attraverso l’applicazione rigorosa delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018) e degli Eurocodici (in particolare EN 1993 per le strutture in acciaio ed EN 1998 per le azioni sismiche).
Il progetto è stato sviluppato mediante modellazione agli elementi finiti (FEM) con il software MIDAS Gen, per valutare il comportamento statico e dinamico della struttura in diverse condizioni operative. Il caso studio riguarda un impianto fotovoltaico sperimentale di circa 1 MW nel Comune di Piazza Armerina (EN), in zona sismica, dove le strutture Butterfly sono state analizzate per i carichi permanenti (peso proprio, moduli e motore), l’azione del vento (assimilata a quella su tettoie a semplice falda), l’azione della neve e, in modo cruciale, l’azione sismica.
Le azioni sono state valutate in due assetti rappresentativi: configurazione di esercizio (vele inclinate) e safe stow position (vele orizzontali), per cogliere le condizioni di massima sollecitazione durante la vita utile dell’opera.
Fig. 1 – Viste in pianta e in alzato della struttura Butterfly
Fig. 2 – Vista assonometrica modello FEM
Per l’analisi sismica, condotta con metodo dinamico modale-spettrale, è stata assunta la Classe d’Uso III (infrastruttura energetica strategica) con un coefficiente d’importanza Cu =1,5. Coerentemente con il comportamento prevalentemente elastico degli inseguitori, è stato adottato un fattore di struttura q≈1.0.
Risultati Principali
- Verifiche Strutturali (SLU e SLE): Le verifiche agli Stati Limite Ultimi (SLU) hanno confermato l’adeguatezza dei profili in acciaio scelti—colonne HEA 180 e IPE 180, asse di rotazione scatolare 120×120×4 mm e profili a C reggi-moduli—rispetto a tutte le combinazioni di carico statiche e sismiche. Anche gli elementi più sollecitati, come i profili a C, presentano rapporti di sfruttamento (Rmax) ampiamente inferiori all’unità (massimo 80–85%). Le verifiche agli Stati Limite di Esercizio (SLE) hanno inoltre limitato deformazioni e rotazioni, garantendo la funzionalità e la precisione del sistema di inseguimento solare.
- Analisi Dinamica: L’analisi modale ha dimostrato che il comportamento dinamico globale è governato da pochi modi traslazionali, con una massa partecipante cumulativa superiore al 95% entro i primi otto modi. La struttura è stata verificata sia nella configurazione operativa (esercizio) sia nella posizione di sicurezza (safe stow position), tipicamente con vele orizzontali (α=β=0∘ ), necessaria in caso di vento forte o sisma.
- Fondazioni Reversibili: Per le fondazioni, è stata confermata l’efficacia della soluzione con pali in acciaio infissi per 3,80 m (realizzati con gli stessi profili delle colonne: HEA 180 e IPE 180). Il calcolo della resistenza per punta e attrito laterale (Metodo β) ha dimostrato che le capacità portanti di progetto sono ampiamente superiori alle massime sollecitazioni a compressione e trazione risultanti dal modello FEM. Questa scelta garantisce una soluzione a basso impatto ambientale e la totale reversibilità dell’impianto al termine della vita utile, in coerenza con i principi dell’agro-fotovoltaico avanzato e dell’economia circolare.
Il lavoro di tesi dimostra la fattibilità tecnica e la sicurezza strutturale della configurazione innovativa “Butterfly” in acciaio. Esso fornisce un contributo tecnico fondamentale, promuovendo un approccio progettuale integrato che bilancia l’efficienza energetica, la sicurezza sismica e i requisiti di sostenibilità ambientale e agronomica. I risultati costituiscono una solida base per i futuri sviluppi tecnologici, le validazioni sperimentali (tramite l’impianto prototipale in fase di realizzazione a Piazza Armerina) e un auspicabile aggiornamento delle linee guida normative per le strutture agro-fotovoltaiche innovative.
FOR INTERNATIONAL STUDENTS
The growing need to expand renewable energy sources and reduce dependence on fossil fuels places solar photovoltaic power at the core of global energy strategies. In this framework, agrivoltaics has emerged as a key solution to combine electricity generation with the protection of land resources and the continuity of agricultural activities. This development requires increasingly efficient and adaptable support structures capable of meeting both energy and agronomic constraints.
This thesis addresses the structural design of an innovative steel solar tracking system, named “Butterfly”, protected by international patent (WO 2024/009219). The Butterfly configuration arranges bifacial PV modules on two opposing planes, forming a variable V-shaped double wing. This geometry is intended to maximize the exploitation of solar radiation (direct, diffuse, and reflected) while simultaneously reducing mutual shading and land occupation, thus improving the Ground Cover Ratio. The system is also designed to satisfy agrivoltaic requirements, including a minimum ground clearance of 2.10 m to allow the passage of agricultural machinery, and a safe-stow position for extreme environmental conditions.
The main objective of the work is the complete structural design and verification of the steel “Butterfly” tracker. The design follows the Italian NTC 2018 and relevant Eurocodes (EN 1993 for steel structures and EN 1998 for seismic actions). A 3D finite-element model was developed in MIDAS Gen, and the structure was analyzed under permanent loads, wind action, snow action, and—most critically—seismic action. Both operating configuration (inclined wings) and safe-stow configuration (horizontal wings) were considered to capture the most demanding conditions throughout the service life. The methodology was applied to a real agrivoltaic case study located in Piazza Armerina (Sicily), in a seismic area.
Fig. 1 – Plan and elevation views of the Butterfly structure
Fig. 2 – Isometric view of FEM model
- Results from ULS and SLS checks confirm the adequacy of all main and secondary steel members, showing utilization ratios below code limits for both configurations. Ultimate Limit State (SLU) checks confirmed the suitability of the steel profiles chosen—HEA 180 and IPE 180 columns, 120×120×4 mm box section rotation axis, and C-shaped module support profiles—for all static and seismic load combinations. Even the most stressed elements, such as C-profiles, have utilization ratios (Rmax) well below unity (maximum 80–85%). Verification of the Serviceability Limit States (SLE) also limited deformations and rotations, ensuring the functionality and precision of the solar tracking system.
- Modal response spectrum analysis highlights that a limited number of modes are sufficient to activate more than 85% of the participating mass, and equivalent stiffness values were derived for simplified dynamic interpretation. A significant reduction in torsional stiffness was observed in safe-stow, indicating higher torsional deformability in that position, which must be considered in design of joints and mechanisms.
- Finally, the foundations were designed as reversible driven steel piles, using the same profiles as the columns. Shaft and base resistances were evaluated with standard drained-soil approaches, and the resulting design capacities were found to be well above the maximum compressive and tensile demands from the FEM model. This solution ensures low environmental impact and full reversibility at the end of the plant’s life, in line with advanced agrivoltaic principles and circular-economy goals.
Overall, the thesis demonstrates the technical feasibility and structural safety of the Butterfly steel tracker, providing a solid basis for future technological developments, experimental validation on the prototype currently under construction in Piazza Armerina, and the desirable refinement of design guidelines for innovative agrivoltaic structures.