Un seguidor solar es un dispositivo que orienta una carga útil hacia el Sol . Las cargas útiles suelen ser paneles solares , cilindros parabólicos , reflectores de Fresnel , lentes o espejos de un helióstato .
Para los sistemas fotovoltaicos de panel plano , los seguidores se utilizan para minimizar el ángulo de incidencia entre la luz solar entrante y un panel fotovoltaico , a veces conocido como error del coseno . Reducir este ángulo aumenta la cantidad de energía producida a partir de una cantidad fija de capacidad de generación de energía instalada. 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 mejoraron los precios, la confiabilidad y el rendimiento de los seguidores de un solo eje, los sistemas se instalaron en un porcentaje cada vez mayor de proyectos a escala de servicios públicos. 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 año tras año, y se proyecta un crecimiento similar o mayor a medida que se acelera el despliegue solar a gran escala. [3]
En aplicaciones de concentradores fotovoltaicos (CPV) y de energía solar concentrada (CSP), los seguidores se utilizan 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 orientarse adecuadamente para recolectar energía. Los sistemas de seguimiento se encuentran en todas las aplicaciones de concentradores porque dichos sistemas recolectan la energía del sol con la 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 aproximadamente el 90% de la energía solar [6] [7] y la "luz solar difusa" que transporta el resto; la porción difusa es el cielo azul en un día despejado y es una mayor proporción del total en días nublados. Como la mayor parte de la energía proviene del haz directo, maximizar la recolección requiere que el Sol sea visible para los paneles durante el mayor tiempo posible. Sin embargo, en los días más nublados, la proporción entre luz directa y difusa puede ser tan baja como 60:40 o incluso menos.
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 capturar más del 99,6% de la energía entregada por el haz directo más el 100% de la luz difusa. Como resultado, el seguimiento de alta precisión no se suele utilizar en aplicaciones fotovoltaicas sin concentración.
El propósito de un mecanismo de seguimiento es seguir al Sol mientras se mueve por el cielo. En las siguientes secciones, en las que se describe cada uno de los factores principales con un poco más de detalle, la compleja trayectoria del Sol se simplifica 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 recolectar del haz directo es la cantidad de luz interceptada por el panel. Esto viene dado por el área del panel multiplicada por el coseno del ángulo de incidencia del haz directo (ver ilustración arriba). Dicho de otra manera, la energía interceptada equivale al área de 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 . Esto 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 difiere 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 reflectantes 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 vidrio.
Los paneles solares suelen estar recubiertos con un revestimiento antirreflectante , que consiste en una o más capas finas 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 energía fotovoltaica han estado trabajando para disminuir la reflectancia con revestimientos antirreflectantes mejorados y con vidrio texturizado. [9] [10]
El Sol viaja 360° de este a oeste por 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 con una orientación fija entre los extremos del amanecer y el atardecer verá un movimiento de 75° hacia cada lado y, por lo tanto, según la tabla anterior, perderá más del 75% de la energía en la mañana y en la tarde. Girar los paneles hacia el este y el oeste puede ayudar a recuperar esas pérdidas. Un seguidor que sólo intenta compensar el movimiento del Sol de este a oeste se conoce como seguidor de un solo eje.
Debido a la inclinación del eje de la Tierra , el Sol también se mueve 46° al norte y al 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 rastreador de un solo eje óptimamente alineado (consulte el rastreador alineado polar [ ancla rota ] a continuación) solo perderá un 8,3% en los extremos estacionales de verano e invierno, o alrededor del 5% en promedio durante un año. Por el contrario, un seguidor de un solo eje alineado vertical u horizontalmente perderá mucho 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 un 40% de la energía disponible en verano, mientras que un seguidor horizontal ubicado a 25° de latitud perderá hasta un 33% en invierno.
Un rastreador que tiene en cuenta los movimientos diarios y estacionales se conoce como rastreador de doble eje. En general, las pérdidas debidas a los cambios de ángulo estacionales se complican con los cambios en la duración del día, aumentando la captación en verano en las latitudes norte o sur. Esto desvía la recolección hacia el verano, por lo que si los paneles se inclinan más cerca de los ángulos promedio del 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 discusión considerable dentro de la industria sobre si la pequeña diferencia en la recolección anual entre los seguidores de uno y dos ejes hace que valga la pena la complejidad adicional de un seguidor de dos ejes. Una revisión reciente de las estadísticas de producción real del sur de Ontario sugirió que la diferencia era de aproximadamente el 4% en total, mucho menos que los costos agregados de los sistemas de doble eje. Esto se compara desfavorablemente con la mejora del 24-32% entre un seguidor de matriz fija y un seguidor 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 según las estaciones, lo que afecta las cifras de rendimiento promedio descritas anteriormente. Alternativamente, por ejemplo en un área donde en promedio la nubosidad se acumula durante el día, puede haber beneficios particulares al recibir el sol de la mañana.
La distancia que recorre la luz del sol a través de la atmósfera aumenta a medida que el sol se acerca al horizonte, a medida que la luz del sol viaja en diagonal a través de la atmósfera. A medida que aumenta la longitud del camino a través de la atmósfera, disminuye la intensidad solar que llega al colector. Esta longitud de trayectoria 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 a la trayectoria vertical directa hasta el nivel del mar con el Sol sobre su cabeza y AM es mayor que 1. se refiere a trayectorias diagonales a medida que el Sol se acerca al horizonte.
Aunque es posible que el sol no se sienta especialmente caliente temprano en la mañana o durante los meses de invierno, la trayectoria diagonal a través de la atmósfera tiene un impacto menor de lo esperado en la intensidad solar. Incluso cuando el sol está sólo a 15° sobre el horizonte, la intensidad solar puede rondar el 60% de su valor máximo, alrededor del 50% a 10° y el 25% a sólo 5° sobre el horizonte. [13] Por lo tanto, si los seguidores pueden seguir al Sol de horizonte a horizonte, entonces sus paneles solares pueden recolectar una cantidad significativa de energía.
La eficiencia de conversión de energía subyacente de una célula fotovoltaica tiene una influencia importante en el resultado final, independientemente de si se emplea 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 temprano en la mañana o en invierno que a 60 °C en el calor del día o en verano. Por lo tanto, los rastreadores pueden ofrecer beneficios adicionales al recolectar energía a primera hora de la mañana y en invierno, cuando las células están funcionando con su máxima eficiencia.
Los rastreadores para recolectores concentradores deben emplear un seguimiento de alta precisión para mantener al recolector en el punto de enfoque.
Los rastreadores para paneles planos no concentrados 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 concentrados, generalmente fotovoltaicos o de agua caliente, o sistemas de concentración, de diversos tipos.
Los sistemas de montaje de colectores solares pueden ser fijos (alineados manualmente) o de seguimiento. Los diferentes tipos de colectores solares y su ubicación ( latitud ) requieren diferentes tipos de mecanismos de seguimiento. Los sistemas de seguimiento pueden configurarse como un colector fijo/espejo móvil (un heliostato ) o como un colector móvil.
Los paneles solares para tejados residenciales y comerciales o industriales de pequeña capacidad y los paneles solares para calentadores de agua suelen ser fijos, a menudo montados empotrados en un techo inclinado orientado adecuadamente. Las ventajas de los soportes fijos sobre los rastreadores incluyen las siguientes:
Los soportes fijos se suelen utilizar junto con sistemas no concentradores; sin embargo, una clase importante de colectores de concentración sin seguimiento, de particular valor en el tercer mundo, son las cocinas solares portátiles . Estos utilizan niveles de concentración relativamente bajos, típicamente alrededor de 2 a 8 soles y se alinean manualmente.
Aunque se puede configurar un panel plano fijo para recolectar una alta proporción de la energía disponible al mediodía, también hay energía disponible a primera hora de la mañana y al final de la tarde [13], cuando la desalineación con un panel fijo se vuelve demasiado excesiva para recolectar una cantidad razonable. proporción de la energía disponible. Por ejemplo, incluso cuando el Sol está a sólo 10° sobre el horizonte, la energía disponible puede ser alrededor de la mitad de los niveles de energía del mediodía (o incluso más dependiendo de la latitud, la estación y las condiciones atmosféricas).
Por lo tanto, el principal beneficio 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 es el nivel de concentración empleado, más importante es el seguimiento preciso, porque la proporción de energía derivada de la radiación directa es mayor y la región donde se concentra esa energía concentrada se vuelve más pequeña.
Muchos colectores no se pueden mover, como los colectores de alta temperatura donde la energía se recupera en forma de líquido o gas caliente (por ejemplo, vapor). Otros ejemplos son la calefacción e iluminación directa de edificios y las cocinas solares integradas fijas, como los reflectores Scheffler . En tales casos es necesario emplear un espejo móvil para que, independientemente de dónde esté situado el Sol en el cielo, los rayos del Sol sean redirigidos hacia el colector.
Debido al complicado movimiento del Sol a través del cielo y al nivel de precisión requerido para apuntar correctamente los rayos del Sol hacia el objetivo, un espejo de 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 rastreadores se pueden agrupar en clases según el número y la orientación de los ejes del rastreador. En comparación con un soporte fijo, un seguidor de un solo eje aumenta la producción anual en aproximadamente un 30 % y un seguidor de dos ejes entre un 10 % y un 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 sus cimientos.
Se están instalando islas flotantes de paneles solares en embalses y lagos de los Países Bajos, China, el Reino Unido y Japón. El sistema de seguimiento solar que controla la dirección de los paneles funciona automáticamente según la época del año, cambiando de posición mediante cuerdas sujetas a boyas . [17]
Los seguidores solares se pueden construir utilizando una base "flotante", que se asienta en el suelo sin necesidad de cimientos de hormigón invasivos. En lugar de colocar el rastreador sobre cimientos de concreto, el rastreador se coloca sobre un recipiente de grava que se puede llenar con una variedad de materiales, como arena o grava, para asegurar el rastreador al suelo. Estos seguidores "flotantes" pueden soportar la misma carga de viento que un seguidor tradicional de montaje fijo. El uso de seguidores flotantes aumenta el número de sitios potenciales para proyectos solares comerciales, ya que pueden colocarse encima de vertederos cubiertos o en áreas donde no es factible excavar cimientos.
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 mediante tecnología de seguimiento óptico sin movimiento.
Los paneles fotovoltaicos aceptan luz directa y difusa del cielo. Los paneles de los seguidores fotovoltaicos estándar captan tanto la luz directa como la difusa disponible. 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 obtenida del componente directo de la luz solar entrante.
La física detrás de los seguidores fotovoltaicos estándar funciona con todas las tecnologías de módulos fotovoltaicos estándar. Estos incluyen todo tipo de paneles de silicio cristalino (ya sea mono-Si o multi-Si ) y todo tipo de paneles de película delgada (silicio amorfo, CdTe, CIGS, microcristalino).
La óptica de los módulos CPV acepta el componente directo de la luz entrante y, por lo tanto, debe orientarse adecuadamente para maximizar la energía captada. En aplicaciones de baja concentración, también se puede capturar una parte de la luz difusa del cielo. La función de seguimiento en los módulos CPV se utiliza para orientar la óptica de manera que la luz entrante se enfoque en un colector fotovoltaico.
Los módulos CPV que se concentran en una dimensión deben seguirse perpendicularmente al Sol en un eje. Los módulos CPV que se concentran en dos dimensiones deben seguirse normal al Sol en dos ejes.
La física detrás de la óptica CPV requiere que la precisión del seguimiento aumente a medida que aumenta la relación de concentración del sistema. Sin embargo, para una concentración determinada, la óptica sin imágenes proporciona los ángulos de aceptación más amplios posibles , que pueden usarse para reducir la precisión del seguimiento. [20] [21]
En sistemas típicos de alta concentración, la precisión del seguimiento debe estar en el rango de ± 0,1° para entregar aproximadamente el 90% de la potencia nominal de salida. En sistemas de baja concentración, la precisión del seguimiento debe estar en el rango de ± 2,0° para entregar el 90% de la potencia nominal. Como resultado, son típicos los sistemas de seguimiento de alta precisión.
Los seguidores fotovoltaicos de concentración se utilizan con sistemas concentradores refractivos y reflectantes. Hay una variedad de tecnologías emergentes de células fotovoltaicas utilizadas en estos sistemas. Estos 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 suele estar 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. Estos incluyen seguidores horizontales de un solo eje (HSAT), seguidores horizontales de un solo eje con módulos inclinados (HTSAT), seguidores verticales de un solo eje (VSAT), seguidores inclinados de un solo eje (TSAT) y seguidores de un solo eje alineados polarmente ( 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. Los postes en cada extremo del eje de rotación de un seguidor horizontal de un solo eje se pueden compartir entre seguidores para reducir el costo de instalación. Este tipo de seguidor solar es más apropiado para regiones de latitudes bajas. 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 posicionar apropiadamente los seguidores entre sí. Un espaciado adecuado puede maximizar la relación entre la producción de energía y el costo, dependiendo de esto del terreno local y de las condiciones de sombra y del valor de la energía producida en la hora del día. El retroceso es una forma de calcular la disposición de los paneles. Los seguidores horizontales suelen tener la cara del módulo orientada paralela al eje de rotación. A medida que un módulo realiza un seguimiento, 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. El eje del tubo está en una línea norte-sur. Se montan paneles sobre el tubo, y el tubo girará sobre su eje para seguir el movimiento aparente del Sol a lo largo del día.
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 HSAT, manteniendo el eje del tubo horizontal en la línea norte-sur y gira los módulos solares de este a oeste durante todo el día. Estos rastreadores suelen ser adecuados en ubicaciones de alta latitud, pero no ocupan tanto espacio terrestre como los rastreadores verticales de un solo eje (VSAT). Por lo tanto, aporta las ventajas de los VSAT en 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 rastreadores giran de este a oeste a lo largo del día. Estos seguidores son más eficaces en latitudes altas que los seguidores horizontales de un solo eje. Los diseños de campo deben considerar la sombra para evitar pérdidas innecesarias de energía y optimizar el uso del suelo. Además, la optimización para empaques densos es limitada debido a la naturaleza del sombreado en el transcurso de un año. Los seguidores verticales de un solo eje suelen tener la cara del módulo orientada en ángulo con respecto al eje de rotación. A medida que un módulo realiza un seguimiento, barre un cono que es rotacionalmente simétrico alrededor del eje de rotación.
Se consideran seguidores de un solo eje inclinados todos los seguidores con ejes de rotación entre horizontal y vertical. Los ángulos de inclinación del rastreador a menudo se limitan para reducir el perfil del viento y disminuir la altura del extremo elevado. Con el retroceso, se pueden empaquetar sin sombreado perpendicular a sus ejes de rotación en cualquier densidad. Sin embargo, el embalaje paralelo a sus ejes de rotación está limitado por el ángulo de inclinación y la latitud. Los seguidores inclinados de un solo eje suelen tener la cara del módulo orientada paralela al eje de rotación. A medida que un módulo realiza un seguimiento, barre un cilindro que es rotacionalmente simétrico alrededor del eje de rotación.
Los seguidores de doble eje tienen dos grados de libertad que actúan como ejes de rotación. Estos ejes suelen ser normales entre sí. El eje que está fijo respecto al suelo puede considerarse eje primario. El eje que está referenciado al eje primario puede considerarse eje secundario. Existen varias implementaciones comunes de seguidores de doble eje. Se clasifican por la orientación de sus ejes primarios con respecto al suelo. Dos implementaciones comunes son los rastreadores de doble eje con inclinación y punta (TTDAT) y los rastreadores de doble eje de altitud acimutal (AADAT). La orientación del módulo con respecto al eje del seguidor es importante al modelar el rendimiento. Los seguidores de doble eje suelen tener módulos orientados paralelos al eje de rotación secundario. Los seguidores de doble eje permiten niveles óptimos de energía solar debido a su capacidad de seguir al Sol vertical y horizontalmente. No importa dónde se encuentre el Sol en el cielo, los seguidores de doble eje pueden inclinarse para apuntar directamente al Sol.
Un seguidor de doble eje con inclinación y punta (TTDAT) se llama así porque el conjunto de paneles está montado en la parte superior de un poste. Normalmente, el movimiento de este a oeste se produce girando el conjunto alrededor de la parte superior del polo. Encima del cojinete giratorio hay un mecanismo en forma de T o H que proporciona rotación vertical de los paneles y proporciona los principales puntos de montaje para la matriz. Los postes en cada extremo del eje principal de rotación de un seguidor de doble eje con inclinación y punta se pueden compartir entre seguidores para reducir los costos de instalación.
Otros seguidores TTDAT de este tipo tienen un eje primario horizontal y un eje ortogonal dependiente. El eje azimutal vertical es fijo. Esto permite una gran flexibilidad en la conexión de la carga útil al equipo montado en tierra porque no hay torsión del cableado alrededor del poste.
Los diseños de campo con seguidores de doble eje con inclinación y punta son muy flexibles. La geometría simple significa que mantener los ejes de rotación paralelos entre sí es todo lo que se requiere para posicionar apropiadamente los seguidores entre sí. Normalmente, los rastreadores tendrían que colocarse a una densidad bastante baja para evitar que un rastreador proyecte sombra sobre los demás cuando el Sol está bajo en el cielo. Los seguidores de inclinación pueden compensar esto inclinándose más cerca de la horizontal para minimizar la protección solar y, por lo tanto, maximizar la energía total que se recolecta. [27]
Los ejes de rotación de muchos rastreadores de doble eje con inclinación y punta suelen estar alineados a lo largo de un meridiano norte verdadero o de una línea de latitud este-oeste.
Dadas las capacidades únicas de la configuración de punta e inclinación y el controlador apropiado, es posible utilizar un seguimiento totalmente automático en plataformas portátiles. La orientación del rastreador no tiene importancia y se puede colocar según sea necesario. [28]
Un rastreador de doble eje de altitud azimutal (o alt-azimut ) (AADAT) tiene su eje principal (el eje azimutal) vertical al suelo. El eje secundario, a menudo llamado eje de elevación, suele ser normal al eje primario. Son similares a los sistemas tip-tilt en funcionamiento, pero difieren en la forma en que se gira la matriz 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 AADAT admita matrices mucho más grandes. Sin embargo, a diferencia del TTDAT, el sistema AADAT no se puede colocar más cerca 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 paneles y seguidores. La fuerte caída del costo de los paneles solares a principios de la década de 2010 hizo que fuera más difícil encontrar una solución sensata. Como se puede observar 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 (un gran obstáculo) para la estabilización. Para una construcción pequeña (aficionado/entusiasta), los criterios que deben cumplirse incluyen economía, estabilidad del producto final frente a peligros elementales, facilidad de manipulación de materiales y carpintería. [29]
La selección del tipo de rastreador depende de muchos factores, incluido el tamaño de la instalación, las tarifas eléctricas, los incentivos gubernamentales, las limitaciones del terreno, la latitud y el clima local.
Los seguidores horizontales de un solo eje se utilizan normalmente para grandes proyectos de generación distribuida y proyectos a escala de servicios públicos. La combinación de mejora energética, menor costo del producto y menor complejidad de instalación da como resultado una economía convincente en grandes implementaciones. Además, el buen rendimiento de 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 temporadas 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 confiabilidad que mantiene bajos los costos de mantenimiento. Dado que los paneles son horizontales, se pueden colocar de forma compacta sobre el tubo del eje sin peligro de que se produzcan sombras y también son fácilmente accesibles para su limpieza.
Un seguidor de eje vertical gira solo alrededor de un eje vertical, con los paneles en un ángulo de elevación fijo, ajustable o seguido. Estos seguidores con ángulos fijos o ajustables (estacionalmente) son adecuados para latitudes altas, donde la trayectoria solar aparente no es especialmente alta, pero que provoca largos días en verano, con el Sol recorriendo un largo arco.
Los seguidores de doble eje se utilizan normalmente en instalaciones residenciales más pequeñas y en ubicaciones con tarifas de alimentación gubernamentales muy altas.
Este dispositivo utiliza múltiples espejos en un plano horizontal para reflejar la luz solar hacia arriba a 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 significativamente expuestos a las cargas del viento. Gracias al empleo de un mecanismo patentado, sólo se necesitan 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. Cada una de las unidades ilustradas produce aproximadamente 200 vatios de CC máximos.
En Sierra SunTower , ubicada en Lancaster, California, se empleó un sistema reflectante de múltiples espejos combinado con una torre de energía central. Esta planta de generación, operada por eSolar , funcionó de 2009 a 2014. Este sistema, que utilizaba múltiples helióstatos en una alineación norte-sur, utilizaba piezas y construcción 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 unidades de giro especiales. Las tecnologías utilizadas para dirigir el rastreador están en constante evolución y los desarrollos recientes en Google y Eternegy han incluido el uso de cables metálicos y cabrestantes para reemplazar algunos de los componentes más costosos y frágiles. [ cita necesaria ]
Se pueden aplicar unidades de giro contrarrotativas que intercalan un soporte de ángulo fijo para crear un método de seguimiento "multieje" que elimina la rotación en relación con la alineación longitudinal. Este método, si se coloca sobre una columna o pilar, generará más electricidad que la energía fotovoltaica fija, y su conjunto fotovoltaico nunca girará hacia el carril de un estacionamiento. También permitirá la máxima generación solar en prácticamente cualquier orientación de carril/fila de estacionamiento, incluso circular o curvilínea.
Los seguidores activos de dos ejes también se utilizan para orientar helióstatos : espejos móviles que reflejan la luz solar hacia el absorbente de una central eléctrica . Como cada espejo en un campo grande tendrá una orientación individual, estos se controlan mediante programación a través de un sistema informático central, que también permite apagar el sistema cuando sea necesario.
Los rastreadores sensores de luz suelen tener dos o más fotosensores , como fotodiodos , configurados de manera diferencial para que emitan un valor nulo cuando reciben el mismo flujo de luz. Mecánicamente, deben ser omnidireccionales (es decir, planos) y apuntar a 90 grados de distancia. 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, sólo se desea utilizarlos cuando sea necesario. Entonces, en lugar de un movimiento continuo, el helióstato se mueve en pasos discretos. Además, si la luz está por debajo de cierto umbral, no se generará 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 las nubes pasan por encima. Se debe tener cuidado para evitar que el rastreador desperdicie energía durante los períodos nublados.
Los seguidores pasivos más comunes utilizan un gas comprimido de bajo punto de ebullición que es impulsado hacia un lado o hacia el otro (mediante el calor solar que crea presión de gas) 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 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 del sol de la mañana para "despertar" el panel e inclinarlo hacia el Sol, lo que puede tardar algunas horas, dependiendo de las condiciones de sombra. El tiempo para hacer esto se puede reducir considerablemente agregando 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 usando el amarre por la noche. (Un resorte flojo evitará que se suelte en condiciones de viento durante la noche).
Un nuevo tipo de seguidor pasivo para paneles solares fotovoltaicos utiliza un holograma detrás de franjas de células fotovoltaicas para que la luz del sol pase a través de la parte transparente del módulo y se refleje en el holograma. Esto permite que la luz del sol llegue a la celda desde atrás, aumentando así la eficiencia del módulo. Además, el panel no tiene que moverse ya que el holograma siempre refleja la luz del sol desde el ángulo correcto hacia las células.
En algunos países en desarrollo, los motores han sido reemplazados por operadores que ajustan los rastreadores. Esto tiene como beneficios la robustez, tener personal disponible para el mantenimiento y crear empleo para la población en las cercanías del sitio.
En Friburgo de Brisgovia, Alemania, Rolf Disch construyó en 1996 el Heliotrop , un edificio residencial que gira con el sol y que cuenta con una vela fotovoltaica adicional de dos ejes en el tejado. Produce cuatro veces la cantidad de energía que consume el edificio.
La casa Géminis es un ejemplo único de rastreador de eje vertical. Esta casa cilíndrica en Austria (latitud superior a 45 grados norte ) gira en su totalidad para seguir al Sol, con paneles solares verticales montados en un lado 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 TU Delft para la competición Solar Decathlon Europe en Madrid . La casa se completó en septiembre de 2012. Una fachada opaca se vuelve hacia el sol en verano para evitar que el interior se caliente. En invierno, una fachada de cristal da al sol para calentar solar pasivamente la casa. Dado que la casa flota sin fricción sobre el agua, girarla no requiere mucha energía. [30]
Los rastreadores añaden costes y mantenimiento al sistema: si añaden un 25 % al coste y mejoran el rendimiento en un 25 %, entonces se puede obtener el mismo rendimiento haciendo el sistema un 25 % más grande, eliminando el mantenimiento adicional. [32] El seguimiento era muy rentable en el pasado, cuando los módulos fotovoltaicos eran caros en comparación con la actualidad. Debido a que eran costosos, 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, disminuye la rentabilidad del seguimiento frente al uso de una mayor cantidad de paneles. Sin embargo, en instalaciones fuera de la red donde las baterías almacenan energía para usarla durante la noche, un sistema de seguimiento reduce las horas que se utiliza la energía almacenada, por lo que se requiere menos capacidad de la batería. Como las baterías en sí son caras (ya sean celdas estacionarias tradicionales de plomo-ácido o baterías más nuevas de iones de litio), su costo debe incluirse en el análisis de costos.
El seguimiento tampoco es adecuado para instalaciones fotovoltaicas residenciales típicas en tejados. Dado que el seguimiento requiere que los paneles se inclinen o se muevan, se deben tomar medidas para permitirlo. Esto requiere que los paneles estén desplazados a una distancia significativa del techo, lo que requiere costosos soportes y aumenta la carga de viento. Además, dicha configuración no sería una instalación estéticamente agradable en tejados residenciales. Debido a esto (y al alto costo de dicho sistema), el seguimiento no se utiliza en instalaciones residenciales en tejados y es poco probable que alguna vez se utilice en dichas 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 energía sea la opción más rentable. El seguimiento se puede utilizar (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 se ubican demasiado cerca uno del otro, se sombreen entre sí debido a los efectos del ángulo del perfil. Por ejemplo, si uno tiene varios paneles en fila de este a oeste, no habrá sombra durante el mediodía solar, pero por la tarde, los paneles podrían recibir sombra del panel vecino del oeste si están lo suficientemente cerca. Esto significa que los paneles deben estar suficientemente espaciados para evitar la sombra en los sistemas con seguimiento, lo que puede reducir la energía disponible en un área determinada durante las horas pico de sol. Esto no es un gran problema si hay suficiente terreno para espaciar ampliamente los paneles. Pero reducirá la producción durante ciertas horas del día (es decir, alrededor del mediodía solar) en comparación con una matriz fija. Optimizar este problema con matemáticas se llama retroceder.
Además, los sistemas de seguimiento de un solo eje son propensos a volverse inestables con velocidades de viento relativamente modestas (galopa). Esto se debe a la inestabilidad torsional de los sistemas de seguimiento solar de un solo eje. Se deben implementar medidas antigalopación, como el almacenamiento automático y amortiguadores externos. [33]
