Un seguidor solar es un dispositivo que orienta una carga útil hacia el Sol . Las cargas útiles suelen ser paneles solares , canales parabólicos , reflectores de Fresnel , lentes o los espejos de un helióstato .
En los sistemas fotovoltaicos de panel plano , se utilizan seguidores para minimizar el ángulo de incidencia entre la luz solar entrante y un panel fotovoltaico , a veces conocido como error de coseno . Al reducir este ángulo se aumenta la cantidad de energía producida a partir de una cantidad fija de capacidad instalada de generación de energía. En aplicaciones fotovoltaicas estándar, se predijo en 2008-2009 que los seguidores podrían usarse en al menos el 85% de las instalaciones comerciales de más de un megavatio entre 2009 y 2012. [1] [2]
A medida que han mejorado los precios, la fiabilidad y el rendimiento de los seguidores de un solo eje, estos sistemas se han instalado en un porcentaje cada vez mayor de proyectos a gran escala. Según datos de WoodMackenzie/GTM Research, los envíos mundiales de seguidores solares alcanzaron un récord de 14,5 gigavatios en 2017. Esto representa un crecimiento del 32 por ciento interanual, y se prevé un crecimiento similar o mayor a medida que se acelere la implementación de energía solar a gran escala. [3]
En las aplicaciones de energía solar concentrada (CSP) y fotovoltaica de concentración (CPV), se utilizan seguidores para habilitar los componentes ópticos en los sistemas CPV y CSP. La óptica en aplicaciones solares concentradas acepta el componente directo de la luz solar y, por lo tanto, debe estar orientada adecuadamente para recolectar energía. Los sistemas de seguimiento se encuentran en todas las aplicaciones de concentración porque dichos sistemas recolectan la energía del sol con máxima eficiencia cuando el eje óptico está alineado con la radiación solar incidente. [4] [5]
La luz solar tiene dos componentes: el "haz directo", que transporta alrededor del 90% de la energía solar [6] [7], y la "luz solar difusa", que transporta el resto; la parte difusa es el cielo azul en un día despejado y constituye una proporción mayor del total en los días nublados. Como la mayor parte de la energía está en el haz directo, para maximizar la captación es necesario que el sol sea visible para los paneles durante el mayor tiempo posible. Sin embargo, en los días más nublados, la relación entre luz directa y difusa puede ser tan baja como 60:40 o incluso menor.
La energía aportada por el haz directo disminuye con el coseno del ángulo entre la luz entrante y el panel. Además, la reflectancia (promediada en todas las polarizaciones ) es aproximadamente constante para ángulos de incidencia de hasta aproximadamente 50°, más allá de los cuales la reflectancia aumenta rápidamente. [8]
Notas
Por ejemplo, los seguidores que tienen una precisión de ± 5° pueden captar más del 99,6 % de la energía emitida por el haz directo más el 100 % de la luz difusa. Como resultado, el seguimiento de alta precisión no suele utilizarse en aplicaciones fotovoltaicas sin concentración.
El objetivo de un mecanismo de seguimiento es seguir al Sol a medida que se desplaza por el cielo. En las siguientes secciones, en las que se describe con un poco más de detalle cada uno de los factores principales, se simplifica la compleja trayectoria del Sol considerando su movimiento diario de este a oeste por separado de su variación anual de norte a sur con las estaciones del año.
La cantidad de energía solar disponible para captar del haz directo es la cantidad de luz interceptada por el panel. Esta se obtiene multiplicando el área del panel por el coseno del ángulo de incidencia del haz directo (véase la ilustración anterior). Dicho de otro modo, la energía interceptada es equivalente al área de la sombra proyectada por el panel sobre una superficie perpendicular al haz directo.
Esta relación del coseno está muy relacionada con la observación formalizada en 1760 por la ley del coseno de Lambert , que describe que el brillo observado de un objeto es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de la luz que lo ilumina.
No toda la luz interceptada se transmite al panel; parte se refleja en su superficie. La cantidad reflejada depende tanto del índice de refracción del material de la superficie como del ángulo de incidencia de la luz entrante. La cantidad reflejada también varía según la polarización de la luz entrante. La luz solar entrante es una mezcla de todas las polarizaciones, con cantidades iguales en la luz solar directa. Promediadas sobre todas las polarizaciones, las pérdidas por reflexión son aproximadamente constantes en ángulos de incidencia de hasta aproximadamente 50°, más allá de los cuales aumentan rápidamente. Véase, por ejemplo, el gráfico adjunto, apropiado para el vidrio.
Los paneles solares suelen estar recubiertos con un revestimiento antirreflectante , que consiste en una o más capas delgadas de sustancias con índices de refracción intermedios entre los del silicio y el aire. Esto provoca una interferencia destructiva en la luz reflejada, disminuyendo la cantidad reflejada. Los fabricantes de sistemas fotovoltaicos han estado trabajando para reducir la reflectancia con revestimientos antirreflectantes mejorados y con vidrio texturizado. [9] [10]
El Sol recorre 360° de este a oeste cada día, pero desde la perspectiva de cualquier ubicación fija, la porción visible es de 180° durante un período promedio de medio día (más en verano, un poco menos en primavera y otoño, y significativamente menos en invierno). Los efectos del horizonte local reducen esto un poco, haciendo que el movimiento efectivo sea de aproximadamente 150°. Un panel solar en una orientación fija entre los extremos del amanecer y el atardecer verá un movimiento de 75° hacia cada lado y, por lo tanto, de acuerdo con la tabla anterior, perderá más del 75% de la energía en la mañana y la tarde. Girar los paneles hacia el este y el oeste puede ayudar a recuperar esas pérdidas. Un seguidor que solo intenta compensar el movimiento este-oeste del Sol se conoce como seguidor de un solo eje.
Debido a la inclinación del eje de la Tierra , el Sol también se mueve 46° de norte a sur durante un año. El mismo conjunto de paneles colocados en el punto medio entre los dos extremos locales verá al Sol moverse 23° a cada lado. Por lo tanto, según la tabla anterior, un seguidor de un solo eje alineado óptimamente (ver seguidor alineado polarmente a continuación) solo perderá un 8,3% en los extremos estacionales de verano e invierno, o alrededor del 5% de media a lo largo de un año. Por el contrario, un seguidor de un solo eje alineado vertical u horizontalmente perderá considerablemente más como resultado de estas variaciones estacionales en la trayectoria del Sol. Por ejemplo, un seguidor vertical en un sitio a 60° de latitud perderá hasta el 40% de la energía disponible en verano, mientras que un seguidor horizontal ubicado a 25° de latitud perderá hasta el 33% en invierno.
Un rastreador que tiene en cuenta tanto los movimientos diarios como los estacionales se conoce como rastreador de doble eje. En términos generales, las pérdidas debidas a los cambios de ángulo estacionales se complican por los cambios en la duración del día, lo que aumenta la recolección en verano en latitudes norte o sur. Esto sesga la recolección hacia el verano, por lo que si los paneles están inclinados más cerca de los ángulos promedio de verano, las pérdidas anuales totales se reducen en comparación con un sistema inclinado en el ángulo del equinoccio de primavera/otoño (que es el mismo que la latitud del sitio).
Existe una gran controversia en el sector sobre si la pequeña diferencia en la recolección anual entre los seguidores de un solo eje y los de dos ejes justifica la complejidad adicional de un seguidor de dos ejes. Una revisión reciente de las estadísticas de producción reales del sur de Ontario sugirió que la diferencia era de alrededor del 4% en total, lo que era mucho menor que los costos adicionales de los sistemas de dos ejes. Esto se compara desfavorablemente con la mejora del 24-32% entre un seguidor de matriz fija y uno de un solo eje. [11] [12]
Los modelos anteriores suponen una probabilidad uniforme de nubosidad en diferentes momentos del día o del año. En diferentes zonas climáticas, la nubosidad puede variar con las estaciones, lo que afecta a las cifras de rendimiento promedio descritas anteriormente. Por otra parte, por ejemplo, en una zona donde la nubosidad se acumula en promedio durante el día, puede haber beneficios particulares en captar el sol de la mañana.
La distancia que recorre la luz solar a través de la atmósfera aumenta a medida que el sol se acerca al horizonte, ya que la luz solar viaja en diagonal a través de la atmósfera. A medida que aumenta la longitud del recorrido a través de la atmósfera, disminuye la intensidad solar que llega al colector. Esta longitud de recorrido creciente se conoce como masa de aire (AM) o coeficiente de masa de aire , donde AM0 está en la parte superior de la atmósfera, AM1 se refiere al recorrido vertical directo hasta el nivel del mar con el sol en lo alto, y AM mayor que 1 se refiere a los recorridos diagonales a medida que el sol se acerca al horizonte.
Aunque el sol no resulte especialmente cálido a primera hora de la mañana o durante los meses de invierno, su trayectoria diagonal a través de la atmósfera tiene un impacto menor del esperado en la intensidad solar. Incluso cuando el sol se encuentra a tan solo 15° sobre el horizonte, la intensidad solar puede rondar el 60% de su valor máximo, alrededor del 50% a 10° y el 25% a tan solo 5° sobre el horizonte. [13] Por lo tanto, si los seguidores solares pueden seguir al sol de horizonte a horizonte, sus paneles solares pueden recolectar una cantidad significativa de energía.
La eficiencia de conversión de energía subyacente de una célula fotovoltaica tiene una gran influencia en el resultado final, independientemente de si se utiliza seguimiento.
La eficiencia de las células solares fotovoltaicas disminuye con el aumento de la temperatura, a una tasa de aproximadamente 0,4 %/°C. [14] Por ejemplo, hay aproximadamente un 20 % más de eficiencia a 10 °C en las primeras horas de la mañana o en invierno que a 60 °C en el calor del día o en verano. Por lo tanto, los seguidores pueden ofrecer un beneficio adicional al recolectar energía de las primeras horas de la mañana y en invierno, cuando las células funcionan a su máxima eficiencia.
Los rastreadores para concentrar colectores deben emplear un seguimiento de alta precisión para mantener el colector en el punto focal.
Los rastreadores para paneles planos sin concentración no necesitan un seguimiento de alta precisión:
Los beneficios del seguimiento de colectores de panel plano no concentradores se derivan de lo siguiente:
Los colectores solares pueden ser paneles planos no concentradores, generalmente fotovoltaicos o de agua caliente, o sistemas concentradores, de diversos tipos.
Los sistemas de montaje de colectores solares pueden ser fijos (alineados manualmente) o con seguimiento. Los diferentes tipos de colectores solares y su ubicación ( latitud ) requieren diferentes tipos de mecanismo de seguimiento. Los sistemas de seguimiento pueden configurarse como un colector fijo/espejo móvil (un helióstato ) o como un colector móvil.
Los paneles solares para tejados residenciales y comerciales o industriales de pequeña capacidad y los paneles de calentadores de agua solares suelen ser fijos, a menudo montados a ras de un tejado inclinado con la orientación adecuada. Las ventajas de los montajes fijos frente a los seguidores incluyen las siguientes:
Los sistemas fijos se utilizan habitualmente junto con sistemas no concentradores; sin embargo, una clase importante de colectores concentradores no rastreadores, de particular valor en el tercer mundo, son las cocinas solares portátiles . Estas utilizan niveles relativamente bajos de concentración, normalmente alrededor de 2 a 8 soles, y se alinean manualmente.
Aunque un panel plano fijo puede configurarse para recolectar una gran proporción de la energía disponible al mediodía, también hay una cantidad significativa de energía disponible en las primeras horas de la mañana y a última hora de la tarde [13], cuando la desalineación con un panel fijo se vuelve demasiado excesiva para recolectar una proporción razonable de la energía disponible. Por ejemplo, incluso cuando el Sol está a solo 10° sobre el horizonte, la energía disponible puede ser aproximadamente la mitad de los niveles de energía al mediodía (o incluso mayor, dependiendo de la latitud, la estación y las condiciones atmosféricas).
Por lo tanto, el beneficio principal de un sistema de seguimiento es recolectar energía solar durante el período más largo del día y con la alineación más precisa a medida que la posición del Sol cambia con las estaciones.
Además, cuanto mayor sea el nivel de concentración empleado, más importante será el seguimiento preciso, porque la proporción de energía derivada de la radiación directa es mayor y la región donde se enfoca esa energía concentrada se hace más pequeña.
Muchos colectores no se pueden mover, como los colectores de alta temperatura en los que la energía se recupera en forma de líquido o gas caliente (por ejemplo, vapor). Otros ejemplos incluyen la calefacción y la iluminación directa de edificios y las cocinas solares fijas empotradas, como los reflectores Scheffler . En tales casos es necesario emplear un espejo móvil para que, independientemente de dónde se posicione el Sol en el cielo, los rayos solares se redirijan hacia el colector.
Debido al complicado movimiento del Sol a través del cielo y al nivel de precisión necesario para apuntar correctamente los rayos solares hacia el objetivo, un espejo helióstato generalmente emplea un sistema de seguimiento de doble eje, con al menos un eje mecanizado. En diferentes aplicaciones, los espejos pueden ser planos o cóncavos.
Los seguidores se pueden agrupar en clases según el número y la orientación de sus ejes. En comparación con un sistema fijo, un seguidor de un solo eje aumenta la producción anual en aproximadamente un 30%, y un seguidor de dos ejes en un 10-20% adicional. [15] [16]
Los seguidores fotovoltaicos se pueden clasificar en dos tipos: seguidores fotovoltaicos (PV) estándar y seguidores fotovoltaicos concentrados (CPV). Cada uno de estos tipos de seguidores se puede clasificar además por el número y la orientación de sus ejes, su arquitectura de actuación y tipo de accionamiento, sus aplicaciones previstas, sus soportes verticales y su cimentación.
En los Países Bajos, China, el Reino Unido y Japón se están instalando islas flotantes de paneles solares en embalses y lagos. El sistema de seguimiento solar que controla la dirección de los paneles funciona automáticamente según la época del año y cambia de posición mediante cuerdas unidas a boyas . [17]
Los seguidores solares se pueden construir utilizando una base "flotante", que se asienta sobre el suelo sin necesidad de cimientos de hormigón invasivos. En lugar de colocar el seguidor sobre cimientos de hormigón, el seguidor se coloca sobre una bandeja de grava que se puede rellenar con una variedad de materiales, como arena o grava, para fijar el seguidor al suelo. Estos seguidores "flotantes" pueden soportar la misma carga de viento que un seguidor tradicional montado de forma fija. El uso de seguidores flotantes aumenta el número de posibles emplazamientos para proyectos solares comerciales, ya que se pueden colocar sobre vertederos tapados o en zonas en las que no es posible realizar cimientos excavados.
Los seguidores solares se pueden construir sin necesidad de equipos de seguimiento mecánico. Estos se denominan seguimiento óptico sin movimiento. Renkube fue pionero en un diseño basado en vidrio para redirigir la luz utilizando tecnología de seguimiento óptico sin movimiento.
Los paneles fotovoltaicos aceptan tanto la luz directa como la difusa del cielo. Los paneles de los seguidores fotovoltaicos estándar recogen tanto la luz directa como la difusa disponibles. La función de seguimiento de los seguidores fotovoltaicos estándar se utiliza para minimizar el ángulo de incidencia entre la luz entrante y el panel fotovoltaico. Esto aumenta la cantidad de energía recogida del componente directo de la luz solar entrante.
La física que sustenta los seguidores fotovoltaicos estándar funciona con todas las tecnologías de módulos fotovoltaicos estándar, entre las que se incluyen todos los tipos de paneles de silicio cristalino (ya sean mono-Si o multi-Si ) y todos los tipos de paneles de película fina (silicio amorfo, CdTe, CIGS, microcristalino).
Las ópticas de los módulos CPV aceptan el componente directo de la luz entrante y, por lo tanto, deben estar orientadas adecuadamente para maximizar la energía captada. En aplicaciones de baja concentración, también se puede captar una parte de la luz difusa del cielo. La función de seguimiento de los módulos CPV se utiliza para orientar las ópticas de manera que la luz entrante se enfoque en un colector fotovoltaico.
Los módulos CPV que se concentran en una dimensión deben ser rastreados de manera normal al Sol en un eje. Los módulos CPV que se concentran en dos dimensiones deben ser rastreados de manera normal al Sol en dos ejes.
La física detrás de la óptica CPV requiere que la precisión de seguimiento aumente a medida que aumenta la relación de concentración del sistema. Sin embargo, para una concentración dada, la óptica sin formación de imágenes proporciona los ángulos de aceptación más amplios posibles , lo que puede usarse para reducir la precisión de seguimiento. [20] [21]
En los sistemas típicos de alta concentración, la precisión de seguimiento debe estar en el rango de ± 0,1° para proporcionar aproximadamente el 90 % de la potencia de salida nominal. En los sistemas de baja concentración, la precisión de seguimiento debe estar en el rango de ± 2,0° para proporcionar el 90 % de la potencia de salida nominal. Como resultado, los sistemas de seguimiento de alta precisión son típicos.
Los seguidores fotovoltaicos concentrados se utilizan con sistemas concentradores refractivos y reflectivos. Existe una gama de tecnologías emergentes de células fotovoltaicas que se utilizan en estos sistemas. Estas van desde receptores fotovoltaicos convencionales basados en silicio cristalino hasta receptores de triple unión basados en germanio .
Los seguidores de un solo eje tienen un grado de libertad que actúa como eje de rotación . El eje de rotación de los seguidores de un solo eje normalmente está alineado a lo largo de un verdadero meridiano norte. Es posible alinearlos en cualquier dirección cardinal con algoritmos de seguimiento avanzados. Existen varias implementaciones comunes de seguidores de un solo eje. Estas incluyen seguidores de un solo eje horizontales (HSAT), seguidores de un solo eje horizontales con módulos inclinados (HTSAT), seguidores de un solo eje verticales (VSAT), seguidores de un solo eje inclinados (TSAT) y seguidores de un solo eje alineados con polaridad (PSAT). La orientación del módulo con respecto al eje del seguidor es importante al modelar el rendimiento.
El eje de rotación de un seguidor horizontal de un solo eje es horizontal con respecto al suelo y el eje puede estar en una línea norte-sur o este-oeste. Los postes en cada extremo del eje de rotación de un seguidor horizontal de un solo eje se pueden compartir entre los seguidores para reducir el costo de instalación. Este tipo de seguidor solar es el más apropiado para regiones de baja latitud. Los diseños de campo con seguidores horizontales de un solo eje son muy flexibles. La geometría simple significa que mantener todos los ejes de rotación paralelos entre sí es todo lo que se requiere para colocar adecuadamente los seguidores entre sí. El espaciado apropiado puede maximizar la relación entre la producción de energía y el costo, y esto depende del terreno local y las condiciones de sombreado y el valor de la hora del día de la energía producida. El retroceso es un medio para calcular la disposición de los paneles. Los seguidores horizontales generalmente tienen la cara del módulo orientada en paralelo al eje de rotación. A medida que un módulo se desplaza, barre un cilindro que es rotacionalmente simétrico alrededor del eje de rotación. En los seguidores horizontales de un solo eje, un tubo horizontal largo se apoya sobre cojinetes montados sobre pilones o marcos. Los paneles se montan sobre el tubo y el tubo rotará sobre su eje para seguir el movimiento aparente del Sol a lo largo del día. El seguimiento tiene como objetivo minimizar el ángulo entre el haz de luz y la normal del panel en cualquier instante.
En los HSAT, los módulos se montan planos a 0°, mientras que en los HTSAT, los módulos se instalan con una cierta inclinación. Funciona según el mismo principio que los HSAT, manteniendo el eje del tubo horizontal en línea norte-sur y girando los módulos solares de este a oeste durante todo el día. Estos seguidores suelen ser adecuados en lugares de alta latitud, pero no ocupan tanto espacio como los seguidores verticales de un solo eje (VSAT). Por lo tanto, aporta las ventajas de los VSAT a un seguidor horizontal y minimiza el coste total del proyecto solar. [23] [24]
El eje de rotación de los seguidores verticales de un solo eje es vertical con respecto al suelo. Estos seguidores rotan de este a oeste a lo largo del día. Estos seguidores son más efectivos en latitudes altas que los seguidores horizontales de un solo eje. Los diseños de los campos deben considerar el sombreado para evitar pérdidas de energía innecesarias y optimizar el uso del suelo. Además, la optimización para un empaquetamiento denso es limitada debido a la naturaleza del sombreado a lo largo de un año. Los seguidores verticales de un solo eje suelen tener la cara del módulo orientada en un ángulo con respecto al eje de rotación. A medida que un módulo realiza el seguimiento, barre un cono que es rotacionalmente simétrico alrededor del eje de rotación.
Todos los seguidores con ejes de rotación entre horizontal y vertical se consideran seguidores de un solo eje inclinados. Los ángulos de inclinación de los seguidores suelen estar limitados para reducir el perfil del viento y disminuir la altura final elevada. Con el retroceso, se pueden empaquetar sin sombreado perpendicular a sus ejes de rotación a cualquier densidad. Sin embargo, el empaquetamiento paralelo a sus ejes de rotación está limitado por el ángulo de inclinación y la latitud. Los seguidores de un solo eje inclinados suelen tener la cara del módulo orientada en paralelo al eje de rotación. A medida que un módulo realiza el seguimiento, barre un cilindro que es rotacionalmente simétrico alrededor del eje de rotación.
Los seguidores de dos ejes tienen dos grados de libertad que actúan como ejes de rotación. Estos ejes suelen ser normales entre sí. El eje que está fijo con respecto al suelo puede considerarse un eje primario. El eje que está referenciado al eje primario puede considerarse un eje secundario. Existen varias implementaciones comunes de seguidores de dos ejes. Se clasifican por la orientación de sus ejes primarios con respecto al suelo. Dos implementaciones comunes son los seguidores de dos ejes de inclinación y de inclinación (TTDAT) y los seguidores de dos ejes de altitud y acimut (AADAT). La orientación del módulo con respecto al eje del seguidor es importante al modelar el rendimiento. Los seguidores de dos ejes suelen tener módulos orientados en paralelo al eje de rotación secundario. Los seguidores de dos ejes permiten niveles óptimos de energía solar debido a su capacidad de seguir al Sol vertical y horizontalmente. Sin importar dónde se encuentre el Sol en el cielo, los seguidores de dos ejes pueden orientarse para apuntar directamente al Sol.
Un seguidor de doble eje con inclinación y basculamiento (TTDAT) recibe ese nombre porque el conjunto de paneles está montado en la parte superior de un poste. En la parte superior del poste hay una junta universal de dos ejes que proporciona tanto la rotación horizontal efectiva como la inclinación vertical de los paneles y proporciona la capacidad de carga muerta para el conjunto. La inclinación y el basculamiento se controlan mediante actuadores colocados externamente. El movimiento alrededor del horizonte se impulsa haciendo rodar el conjunto alrededor de la parte superior del poste. Esto permite una gran flexibilidad de la conexión de la carga útil al equipo montado en el suelo porque no hay torsión del cableado alrededor del poste.
La geometría simple significa que mantener los ejes de rotación paralelos entre sí es todo lo que se requiere para colocar adecuadamente los seguidores entre sí. Normalmente, los seguidores tendrían que colocarse a una densidad bastante baja para evitar que un seguidor proyecte una sombra sobre los demás cuando el sol está bajo en el cielo. Espaciar adecuadamente los seguidores en un conjunto es la única forma de asegurarse de que se pueda recolectar la energía solar de la mañana y la tarde. La recolección de energía solar de la mañana y la tarde es lo que diferencia al seguidor de 2 ejes del seguimiento fijo o de 1 eje. Los seguidores de un eje utilizan "Backtracking" para tener en cuenta el auto-sombreado, pero esto no tiene por qué ser un problema para el seguimiento de 2 ejes. Si uno va a gastar dinero en instalar un seguidor de 2 ejes, ¿por qué ahorrar limitando el sol de la tarde? Espaciar los seguidores adecuadamente y disfrutar de una recolección maximizada.
Los ejes de rotación de los seguidores de primera generación de muchos seguidores de doble eje con inclinación suelen estar alineados a lo largo de un meridiano norte verdadero o de una línea de latitud este-oeste.
El seguidor solar que sigue al sol descrito en este párrafo tiene un eje primario de rotación horizontal y un eje secundario de rotación que permanece ortogonal al eje primario en todo momento. No hay rotación del conjunto sobre el eje vertical (montaje en poste). La rotación neta sobre los ejes primario y secundario permite que el conjunto "ruede" sobre el eje vertical (parte superior del poste). Dadas las capacidades únicas de esta configuración y controlador de inclinación, es posible un seguimiento totalmente automático para su uso en plataformas portátiles o fijas. Este seguidor "seguidor del sol" solo responde a la ubicación del sol o el área más brillante de un cielo nublado (iluminación difusa). En consecuencia, puede seguir al sol alrededor del horizonte a medida que se mueve a lo largo del día de verano de 24 horas del Ártico. No es necesario un cálculo astronómico para localizar la posición del sol y la orientación de los ejes del seguidor no tiene particular importancia y se puede colocar según sea necesario. [27]
Un seguidor de doble eje azimutal-altitud (o alt-azimut ) (AADAT) tiene su eje primario (el eje azimutal) vertical al suelo. El eje secundario, a menudo llamado eje de elevación, es entonces típicamente normal al eje primario. Son similares a los sistemas de inclinación y punta en funcionamiento, pero difieren en la forma en que se gira el conjunto para el seguimiento diario. En lugar de girar el conjunto alrededor de la parte superior del poste, los sistemas AADAT pueden utilizar un anillo grande montado en el suelo con el conjunto montado sobre una serie de rodillos. La principal ventaja de esta disposición es que el peso del conjunto se distribuye sobre una parte del anillo, a diferencia del único punto de carga del poste en el TTDAT. Esto permite que el AADAT admita conjuntos mucho más grandes. Sin embargo, a diferencia del TTDAT, el sistema AADAT no se puede colocar más cerca entre sí que el diámetro del anillo, lo que puede reducir la densidad del sistema, especialmente considerando el sombreado entre rastreadores.
Como se describe más adelante, el equilibrio económico entre los costes de los paneles y los seguidores solares. La pronunciada caída del coste de los paneles solares a principios de la década de 2010 hizo que fuera más difícil encontrar una solución sensata. Como se puede ver en los archivos multimedia adjuntos, la mayoría de las construcciones utilizan materiales industriales y/o pesados no aptos para talleres pequeños o artesanales. Incluso las ofertas comerciales pueden tener soluciones bastante inadecuadas (una gran roca) para la estabilización. Para una construcción pequeña (amateur/entusiasta), los criterios que se deben cumplir incluyen la economía, la estabilidad del producto final frente a los peligros elementales, la facilidad de manejo de los materiales y la carpintería. [28]
La selección del tipo de rastreador depende de muchos factores, incluidos el tamaño de la instalación, las tarifas eléctricas, los incentivos gubernamentales, las limitaciones de tierra, la latitud y el clima local.
Los seguidores horizontales de un solo eje se utilizan normalmente en grandes proyectos de generación distribuida y proyectos a gran escala. La combinación de mejora energética, menor coste del producto y menor complejidad de instalación da como resultado una rentabilidad convincente en grandes implantaciones. Además, el buen rendimiento por la tarde es especialmente deseable para grandes sistemas fotovoltaicos conectados a la red, de modo que la producción coincida con el momento de máxima demanda. Los seguidores horizontales de un solo eje también añaden una cantidad sustancial de productividad durante las estaciones de primavera y verano, cuando el sol está alto en el cielo. La robustez inherente de su estructura de soporte y la simplicidad del mecanismo también dan como resultado una alta fiabilidad que mantiene bajos los costes de mantenimiento. Dado que los paneles son horizontales, se pueden colocar de forma compacta sobre el tubo del eje sin peligro de que se autoensombrezcan y también son fácilmente accesibles para su limpieza.
Un seguidor de eje vertical gira únicamente sobre un eje vertical, con los paneles en un ángulo de elevación fijo, ajustable o rastreado. Estos seguidores con ángulos fijos o ajustables (estacionalmente) son adecuados para latitudes altas, donde la trayectoria solar aparente no es especialmente alta, pero que da lugar a días largos en verano, con el Sol viajando a través de un arco largo.
Los seguidores de dos ejes se utilizan normalmente en instalaciones residenciales más pequeñas y en lugares con tarifas de alimentación gubernamentales muy elevadas. Por supuesto, eso cambiará cuando las industrias asociadas con la energía solar se den cuenta de la importancia de la pérdida típica del 30 % de la producción de energía en los períodos de máxima demanda. Los incentivos para producir energía solar cuando más se necesita impulsarán el renovado interés en los seguidores de dos ejes.
Este dispositivo utiliza múltiples espejos en un plano horizontal para reflejar la luz solar hacia arriba, hacia un sistema de alta temperatura que requiere energía solar concentrada. Los problemas estructurales y los gastos se reducen considerablemente, ya que los espejos no están expuestos de forma significativa a las cargas del viento. Gracias al empleo de un mecanismo patentado, solo se requieren dos sistemas de accionamiento para cada dispositivo. Debido a la configuración del dispositivo, es especialmente adecuado para su uso en tejados planos y en latitudes más bajas. Las unidades ilustradas producen cada una aproximadamente 200 vatios pico de CC.
En la planta de generación Sierra SunTower , ubicada en Lancaster, California, se empleó un sistema de reflexión de múltiples espejos combinado con una torre de energía central . Esta planta de generación, operada por eSolar , operó entre 2009 y 2014. Este sistema, que utilizaba múltiples helióstatos en una alineación norte-sur, utilizaba piezas y construcciones prefabricadas como una forma de disminuir los costos de puesta en marcha y operación.
Los seguidores activos utilizan motores y trenes de engranajes para realizar el seguimiento solar. Pueden utilizar microprocesadores y sensores, algoritmos basados en fecha y hora, o una combinación de ambos para detectar la posición del sol. Para controlar y gestionar el movimiento de estas enormes estructuras, se diseñan y prueban rigurosamente mecanismos de giro especiales . Las tecnologías utilizadas para dirigir el seguidor evolucionan constantemente y los desarrollos recientes en Google y Eternegy han incluido el uso de cables de acero y cabrestantes para reemplazar algunos de los componentes más costosos y frágiles. [ cita requerida ]
Se pueden aplicar unidades de giro contrarrotativas intercaladas con un soporte de ángulo fijo para crear un método de seguimiento de "ejes múltiples" que elimina la rotación en relación con la alineación longitudinal. Este método, si se coloca sobre una columna o pilar, generará más electricidad que los paneles fotovoltaicos fijos y su conjunto fotovoltaico nunca rotará hacia el carril de circulación de un estacionamiento. También permitirá la máxima generación de energía solar en prácticamente cualquier orientación de carril o fila de estacionamiento, incluso circular o curvilínea.
Los seguidores activos de dos ejes también se utilizan para orientar los helióstatos , espejos móviles que reflejan la luz solar hacia el absorbedor de una central eléctrica . Como cada espejo de un campo grande tendrá una orientación individual, estos se controlan programáticamente a través de un sistema informático central, que también permite apagar el sistema cuando sea necesario.
Los rastreadores que detectan la luz suelen tener dos o más fotosensores , como fotodiodos , configurados de forma diferencial para que emitan un valor nulo cuando reciben el mismo flujo de luz. Mecánicamente, deben ser omnidireccionales (es decir, planos) y apuntar con una separación de 90 grados. Esto hará que la parte más pronunciada de sus funciones de transferencia de coseno se equilibre en la parte más pronunciada, lo que se traduce en una sensibilidad máxima. Para obtener más información sobre los controladores, consulte iluminación natural activa .
Dado que los motores consumen energía, se desea utilizarlos solo cuando sea necesario. Por lo tanto, en lugar de un movimiento continuo, el helióstato se mueve en pasos discretos. Además, si la luz está por debajo de un umbral, no se generaría suficiente energía para justificar la reorientación. Esto también es cierto cuando no hay suficiente diferencia en el nivel de luz de una dirección a otra, como cuando pasan nubes por encima. Se debe tener en cuenta la posibilidad de evitar que el seguidor desperdicie energía durante los períodos nublados.
Los seguidores pasivos más comunes utilizan un gas comprimido de bajo punto de ebullición que se desplaza hacia un lado o hacia el otro (mediante la presión del gas que crea el calor solar) para hacer que el seguidor se mueva en respuesta a un desequilibrio. Como se trata de una orientación imprecisa, no es adecuada para ciertos tipos de colectores fotovoltaicos de concentración, pero funciona bien para los tipos de paneles fotovoltaicos más comunes. Estos tendrán amortiguadores viscosos para evitar un movimiento excesivo en respuesta a las ráfagas de viento. Los sombreadores/reflectores se utilizan para reflejar la luz solar de la mañana para "despertar" el panel e inclinarlo hacia el sol, lo que puede llevar algunas horas, según las condiciones de sombreado. El tiempo para hacer esto se puede reducir en gran medida añadiendo un amarre de liberación automática que posicione el panel ligeramente más allá del cenit (para que el fluido no tenga que vencer la gravedad) y utilizando el amarre por la noche. (Un resorte de tracción floja evitará la liberación en condiciones de viento durante la noche).
Un nuevo tipo de seguidor pasivo para paneles solares fotovoltaicos utiliza un holograma detrás de las tiras de células fotovoltaicas para que la luz solar pase a través de la parte transparente del módulo y se refleje en el holograma. Esto permite que la luz solar llegue a la célula desde atrás, lo que aumenta la eficiencia del módulo. Además, el panel no tiene que moverse, ya que el holograma siempre refleja la luz solar desde el ángulo correcto hacia las células.
En algunos países en desarrollo, los motores han sido reemplazados por operadores que ajustan los seguidores, lo que tiene las ventajas de ser más robustos, disponer de personal para realizar tareas de mantenimiento y crear empleo para la población de las inmediaciones del emplazamiento.
En 1996, Rolf Disch construyó en Friburgo de Brisgovia (Alemania) el Heliotrop , un edificio residencial que gira con el sol y que tiene una vela fotovoltaica adicional de dos ejes en el tejado. Produce cuatro veces la cantidad de energía que consume el edificio.
La casa Gemini es un ejemplo único de seguidor solar de eje vertical. Esta casa cilíndrica situada en Austria (latitud superior a los 45 grados norte ) gira en su totalidad para seguir al sol, con paneles solares verticales montados en un lateral del edificio que giran de forma independiente, lo que permite controlar el calentamiento natural del sol.
ReVolt House es una casa flotante y giratoria diseñada por estudiantes de la TU Delft para la competición Solar Decathlon Europe en Madrid . La casa se terminó en septiembre de 2012. Una fachada opaca se orienta hacia el sol en verano para evitar que el interior se caliente. En invierno, una fachada de vidrio se orienta hacia el sol para calentar la casa con energía solar pasiva. Como la casa flota sin fricción sobre el agua, girarla no requiere mucha energía. [29]
Los seguidores añaden costes y mantenimiento al sistema: si añaden un 25% al coste y mejoran la producción en un 25%, se puede obtener el mismo rendimiento haciendo el sistema un 25% más grande, eliminando el mantenimiento adicional. [31] El seguimiento era muy rentable en el pasado, cuando los módulos fotovoltaicos eran caros en comparación con la actualidad. Como eran caros, era importante utilizar el seguimiento para minimizar la cantidad de paneles utilizados en un sistema con una potencia de salida determinada. Pero a medida que los paneles se vuelven más baratos, la rentabilidad del seguimiento frente al uso de una mayor cantidad de paneles disminuye. Sin embargo, en instalaciones fuera de la red donde las baterías almacenan energía para su uso durante la noche, un sistema de seguimiento reduce las horas en que se utiliza la energía almacenada, por lo que se requiere menos capacidad de batería. Como las baterías en sí son caras (ya sean las tradicionales celdas estacionarias de plomo-ácido o las nuevas baterías de iones de litio), su coste debe incluirse en el análisis de costes.
El seguimiento tampoco es adecuado para las típicas instalaciones fotovoltaicas en azoteas residenciales. Dado que el seguimiento requiere que los paneles se inclinen o se muevan de alguna otra manera, se deben tomar medidas para permitirlo. Esto requiere que los paneles estén desplazados una distancia significativa del techo, lo que requiere un montaje costoso y aumenta la carga del viento. Además, una configuración de este tipo no sería una instalación estéticamente agradable en azoteas residenciales. Debido a esto (y al alto costo de un sistema de este tipo), el seguimiento no se utiliza en instalaciones residenciales en azoteas y es poco probable que se utilice en ese tipo de instalaciones. Esto es especialmente cierto a medida que el costo de los módulos fotovoltaicos continúa disminuyendo, lo que hace que aumentar el número de módulos para obtener más potencia sea la opción más rentable. El seguimiento puede (y a veces se utiliza) para instalaciones residenciales montadas en el suelo, donde es posible una mayor libertad de movimiento.
El seguimiento también puede causar problemas de sombreado. A medida que los paneles se mueven durante el transcurso del día, es posible que, si los paneles están ubicados demasiado cerca uno del otro, se hagan sombra entre sí debido a los efectos del ángulo del perfil. Por ejemplo, si uno tiene varios paneles en una fila de este a oeste, no habrá sombreado durante el mediodía solar, pero por la tarde, los paneles podrían verse sombreados por su panel vecino del oeste si están lo suficientemente cerca. Esto significa que los paneles deben estar lo suficientemente espaciados para evitar el sombreado en sistemas con seguimiento, lo que puede reducir la potencia disponible de un área determinada durante las horas pico del sol. Esto no es un gran problema si hay suficiente superficie de terreno para espaciar ampliamente los paneles. Pero reducirá la producción durante ciertas horas del día (es decir, alrededor del mediodía solar) en comparación con un conjunto fijo. La optimización de este problema con las matemáticas se llama retroceso.
Además, los sistemas de seguimiento solar de un solo eje tienden a volverse inestables a velocidades de viento relativamente moderadas (galope). Esto se debe a la inestabilidad torsional de los sistemas de seguimiento solar de un solo eje. Se deben implementar medidas antigalope, como el almacenamiento automático y los amortiguadores externos. [32]
