seguidor solar

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 superior). Dicho de otro modo, la energía interceptada equivale al área de la sombra proyectada por el panel sobre una superficie perpendicular al haz directo.

Esta relación coseno está estrechamente relacionada con la observación formalizada en 1760 por la ley del coseno de Lambert . Esta ley 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; una 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 incidente. La cantidad reflejada también varía según la polarización de la luz incidente. La luz solar incidente es una mezcla de todas las polarizaciones, con cantidades iguales en la luz solar directa. Promediando todas las polarizaciones, las pérdidas por reflexión son aproximadamente constantes para ángulos de incidencia de hasta unos 50°, a partir de los cuales aumentan rápidamente. Véase, por ejemplo, el gráfico adjunto, apropiado para el vidrio.

Los paneles solares suelen estar recubiertos con una capa 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 interferencia destructiva en la luz reflejada, disminuyendo la cantidad reflejada. Los fabricantes de paneles fotovoltaicos han estado trabajando para reducir la reflectancia con recubrimientos antirreflectantes mejorados y con vidrio texturizado. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

El Sol se desplaza 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, ligeramente 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 experimentará un movimiento de 75° a cada lado y, por lo tanto, según la tabla anterior, perderá más del 75% de la energía por la mañana y por la tarde. Rotar 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 terrestre , el Sol también se desplaza 46° al norte y al sur durante un año. Por lo tanto, el mismo conjunto de paneles colocados en el punto medio entre los dos extremos locales verá al Sol moverse 23° a cada lado. Así, según la tabla anterior, un seguidor de un solo eje alineado de forma óptima (véase el seguidor alineado polarmente más abajo) solo perderá un 8,3 % en los extremos estacionales de verano e invierno, o alrededor de un 5 % en promedio durante 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 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 sistema de seguimiento que considera tanto los movimientos diarios como los estacionales se conoce como sistema de seguimiento de doble eje. En general, las pérdidas debidas a los cambios de ángulo estacionales se complican por las variaciones en la duración del día, lo que aumenta la captación de energía en verano en latitudes septentrionales o meridionales. Esto sesga la captación hacia el verano, por lo que si los paneles se inclinan más cerca de los ángulos promedio de verano, las pérdidas anuales totales se reducen en comparación con un sistema inclinado al ángulo del equinoccio de primavera/otoño (que coincide con la latitud del sitio).

Existe un debate considerable en la industria sobre si la pequeña diferencia en la recaudación anual entre los seguidores de un solo eje y los de doble eje justifica la complejidad adicional de un seguidor de dos ejes. Un análisis reciente de las estadísticas de producción reales del sur de Ontario sugirió que la diferencia era de aproximadamente un 4 % en total, lo cual era mucho menor que los costos adicionales de los sistemas de doble eje. Esto contrasta desfavorablemente con la mejora del 24-32 % entre un seguidor de arreglo fijo y uno de un solo eje. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Los sistemas de seguimiento para colectores concentradores deben emplear un sistema de seguimiento de alta precisión para mantener el colector en el punto focal.

Los sistemas de seguimiento para paneles planos no concentradores no necesitan un seguimiento de alta precisión:

• Baja pérdida de potencia: menos del 10 % de pérdida incluso con una desalineación de 25°.
• Reflectancia consistente incluso con una desalineación de aproximadamente 50°.
• La luz solar difusa contribuye en un 10% independientemente de la orientación, y en una proporción mayor en días nublados.

Las ventajas de utilizar colectores solares de panel plano no concentradores con seguimiento solar se derivan de lo siguiente:

• La pérdida de potencia aumenta rápidamente cuando la desalineación supera los 30° aproximadamente.
• Se dispone de una potencia significativa incluso cuando el Sol está muy cerca del horizonte, por ejemplo, alrededor del 60% de la potencia máxima a 15° sobre el horizonte, alrededor del 50% a 10°, e incluso el 25% a solo 5° sobre el horizonte, lo cual es de particular relevancia en latitudes altas y/o durante los meses de invierno.
• Los paneles fotovoltaicos son aproximadamente un 20 % más eficientes en las frescas horas de la madrugada que durante las horas de más calor; del mismo modo, son más eficientes en invierno que en verano, y para captar eficazmente la luz solar de la madrugada y del invierno se requiere un sistema de seguimiento.

Los paneles solares residenciales y los paneles solares para tejados comerciales o industriales de pequeña capacidad, así como los paneles para calentadores solares de agua, suelen ser fijos, a menudo empotrados en un tejado inclinado con la orientación adecuada. Las ventajas de los soportes fijos frente a los seguidores solares incluyen las siguientes:

• Ventajas mecánicas: Fácil fabricación, menores costes de instalación y mantenimiento.
• Resistencia al viento : es más fácil y económico instalar un soporte robusto; todos los soportes, excepto los paneles fijos empotrados, deben diseñarse cuidadosamente teniendo en cuenta la resistencia al viento debido a su mayor exposición.
• Luz indirecta : aproximadamente el 10% ^{[ 6 ] [ 7 ]} de la radiación solar incidente es luz difusa, disponible en cualquier ángulo de desalineación con el Sol.
• Tolerancia a la desalineación : el área de captación efectiva de un panel plano es relativamente insensible a niveles bastante altos de desalineación con el Sol (véase la tabla y el diagrama en la sección "Concepto básico" anterior); por ejemplo, incluso una desalineación de 25° reduce la energía solar directa captada en menos del 10 %.

Los soportes fijos se suelen usar junto con sistemas no concentradores; sin embargo, una clase importante de colectores concentradores sin seguimiento, de especial valor en el tercer mundo, son las cocinas solares portátiles . Estas utilizan niveles de concentración relativamente bajos, normalmente entre 2 y 8  soles, y se alinean manualmente.

Aunque un panel plano fijo puede configurarse para captar una alta proporción de la energía disponible al mediodía, también se dispone de energía significativa a primera hora de la mañana y a última hora de la tarde ^{[ 13 ],} cuando la desalineación con un panel fijo resulta excesiva para captar una proporción razonable de la energía disponible. Por ejemplo, incluso cuando el Sol está a tan solo 10° sobre el horizonte, la energía disponible puede ser aproximadamente la mitad de los niveles de energía del mediodía (o incluso mayor, dependiendo de la latitud, la estación y las condiciones atmosféricas).

Por lo tanto, la principal ventaja de un sistema de seguimiento es captar la energía solar durante el mayor tiempo posible 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 resulta un seguimiento preciso, ya que la proporción de energía derivada de la radiación directa es mayor y la región donde se concentra esa energía se reduce.

Rastreador horizontal de un solo eje (HSAT)

El eje de rotación de un seguidor horizontal de un solo eje es horizontal con respecto al suelo y puede estar alineado norte-sur o este-oeste. Los postes en ambos extremos del eje de rotación pueden compartirse entre varios seguidores para reducir el costo de instalación. Este tipo de seguidor solar es ideal para regiones de baja latitud. La disposición de los paneles con seguidores horizontales de un solo eje es muy flexible. Su geometría simple permite que, para posicionar correctamente los seguidores, basta con mantener todos los ejes de rotación paralelos entre sí. Un espaciado adecuado maximiza la relación entre la producción de energía y el costo, dependiendo del terreno local, las condiciones de sombreado y el valor de la energía producida según la hora del día. El seguimiento inverso es un método para calcular la disposición de los paneles. Los seguidores horizontales suelen tener la cara del módulo orientada paralelamente al eje de rotación. Al desplazarse, el módulo describe un cilindro simétrico respecto al eje de rotación. En los seguidores horizontales de un solo eje, un tubo horizontal largo se apoya sobre cojinetes montados en pilones o estructuras. Los paneles se montan sobre el tubo, y este gira sobre su eje para seguir el movimiento aparente del Sol a lo largo del día. El objetivo del seguimiento es minimizar el ángulo entre el haz de luz y la normal del panel en cada instante.

Seguidor horizontal de un solo eje con módulos inclinados (HTSAT)

En los HSAT, los módulos se montan planos a 0°, mientras que en los HTSAT, se instalan con una inclinación determinada. Funcionan según el mismo principio que los HSAT, manteniendo el eje del tubo horizontal en dirección norte-sur y rotando los módulos solares de este a oeste a lo largo del día. Estos seguidores suelen ser adecuados para latitudes altas, pero no ocupan tanto espacio como los seguidores verticales de un solo eje (VSAT). Por lo tanto, ofrecen las ventajas de los VSAT en un seguidor horizontal y minimizan el coste total del proyecto solar. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Rastreador vertical de un solo eje (VSAT)

El eje de rotación de los seguidores solares verticales de un solo eje es vertical con respecto al suelo. Estos seguidores giran de este a oeste a lo largo del día. Son más eficaces en latitudes altas que los seguidores horizontales de un solo eje. En el diseño de los campos, es necesario considerar el sombreado para evitar pérdidas de energía innecesarias y optimizar el uso del suelo. Además, la optimización para una alta densidad de instalación se ve limitada por la naturaleza del sombreado a lo largo del año. Los seguidores solares verticales de un solo eje suelen tener la cara del módulo orientada en ángulo con respecto al eje de rotación. A medida que el módulo se desplaza, describe un cono simétrico respecto al eje de rotación.

Rastreador de un solo eje inclinado (TSAT)

Todos los seguidores solares 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 de viento y disminuir la altura máxima de elevación. Con el seguimiento inverso, se pueden colocar sin sombreado perpendicular a sus ejes de rotación con cualquier densidad. Sin embargo, la colocación paralela a sus ejes de rotación está limitada por el ángulo de inclinación y la latitud. Los seguidores de un solo eje inclinados suelen tener la cara del módulo orientada paralelamente al eje de rotación. A medida que un módulo se desplaza, barre un cilindro que es simétrico respecto al eje de rotación.

Dado que un seguidor de un solo eje busca minimizar el ángulo de incidencia de la luz solar directa en cualquier instante, la pregunta inmediata es cómo se desempeñan las diferentes implementaciones, o tipos, de seguidores de un solo eje al capturar, o interceptar, la luz solar directa en relación entre sí y en relación con el seguidor de doble eje. Una publicación de 2025 en la revista Solar Energy intenta responder a esta pregunta desarrollando una fórmula universal basada en vectores para la geometría solar de los seguidores de un solo eje y aplicándola a la parte superior de la atmósfera y a un modelo idealizado de cielo despejado en la superficie terrestre para HSAT EW (con su eje en orientación este-oeste), HSAT NS (con su eje en orientación norte-sur), PSAT, VSAT y VTSAT (con un ángulo de inclinación igual al valor absoluto de la latitud) en todas las latitudes desde el polo sur hasta el polo norte. Entonces, ¿qué tipo es el mejor anualmente? Los resultados muestran que depende de la latitud. No obstante, el PSAT destaca como el más eficiente anualmente en la captura de la luz solar directa en los trópicos y la mayoría de las regiones templadas, siendo superado únicamente en las regiones polares por el VTSAT con un ángulo de inclinación igual al valor absoluto de la latitud. ^{[ 24 ]}

Un seguidor de doble eje con inclinación y basculación (TTDAT) recibe este nombre porque el conjunto de paneles está montado en la parte superior de un poste. En la parte superior del poste se encuentra una junta universal de dos ejes que proporciona tanto la rotación horizontal efectiva como la inclinación vertical de los paneles, además de la capacidad de carga muerta del conjunto. La inclinación y la basculación se controlan mediante actuadores externos. El movimiento alrededor del horizonte se logra haciendo rodar el conjunto alrededor de la parte superior del poste. Esto permite una gran flexibilidad en la conexión de la carga útil al equipo montado en tierra, ya que no se produce torsión del cableado alrededor del poste.

La geometría simple implica que mantener los ejes de rotación paralelos entre sí es todo lo que se requiere para posicionar adecuadamente los seguidores solares. Normalmente, los seguidores deben colocarse con una densidad relativamente baja para evitar que uno proyecte sombra sobre los demás cuando el sol está bajo en el cielo. El espaciado adecuado de los seguidores en un conjunto es la única manera de asegurar el aprovechamiento de la energía solar matutina y vespertina. El aprovechamiento de la energía solar matutina y vespertina es lo que distingue a los seguidores de dos ejes de los de un eje fijo o de un eje. Los seguidores de un eje utilizan el "retroceso" para compensar el auto-sombreado, pero esto no tiene por qué ser un problema para los seguidores de dos ejes. Si se va a invertir en un seguidor de dos ejes, ¿por qué escatimar limitando la luz solar vespertina? Simplemente espacie los seguidores correctamente y disfrute de un aprovechamiento máximo de la energía solar.

Los ejes de rotación de los primeros modelos de seguidores solares de doble eje con inclinación y basculación suelen estar alineados con el meridiano norte verdadero o con una línea de latitud este-oeste.

El seguidor solar descrito en este párrafo tiene un eje de rotación primario horizontal y un eje de rotación secundario que permanece ortogonal al primario en todo momento. No hay rotación del conjunto alrededor del eje vertical (montaje en poste). La rotación neta alrededor de los ejes primario y secundario permite que el conjunto gire alrededor del eje vertical (parte superior del poste). Dadas las capacidades únicas de esta configuración de inclinación y el controlador, es posible un seguimiento totalmente automático para su uso en plataformas portátiles o fijas. Este seguidor solar solo responde a la posición del sol o a la zona más brillante de un cielo nublado (iluminación difusa). Por consiguiente, puede seguir al sol alrededor del horizonte a medida que se mueve durante las 24 horas del día de verano ártico. No es necesario realizar cálculos astronómicos para localizar la posición del sol, y la orientación de los ejes del seguidor no tiene una importancia particular y puede colocarse según sea necesario. ^{[ 26 ]}

Un seguidor de doble eje azimutal-altitud (o alt-azimutal ) (AADAT) tiene su eje principal (el eje azimutal) perpendicular al suelo. El eje secundario, a menudo llamado eje de elevación, suele ser perpendicular al eje principal. Su funcionamiento es similar al de los sistemas de inclinación y basculación, pero se diferencian en la forma en que se rota el conjunto para el seguimiento diario. En lugar de rotar el conjunto alrededor de la parte superior del poste, los sistemas AADAT pueden usar 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 punto de carga único del poste en el TTDAT. Esto permite que el AADAT soporte conjuntos mucho más grandes. Sin embargo, a diferencia del TTDAT, el sistema AADAT no puede colocarse a una distancia menor que el diámetro del anillo, lo que puede reducir la densidad del sistema, especialmente considerando el sombreado entre los seguidores.

Los seguidores solares activos utilizan motores y engranajes para el seguimiento solar. Pueden emplear 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 sistemas de giro especiales . Las tecnologías utilizadas para dirigir el seguidor están en constante evolución, y los recientes avances de Google y Eternegy incluyen el uso de cables y cabrestantes para reemplazar algunos de los componentes más costosos y frágiles.

Los sistemas de giro contrarrotatorios que soportan un soporte de ángulo fijo permiten crear un sistema de seguimiento multieje que elimina la rotación respecto a la alineación longitudinal. Este sistema, instalado en una columna o pilar, genera más electricidad que los sistemas fotovoltaicos fijos, y su conjunto nunca girará hacia un carril de estacionamiento. Además, permite maximizar la generación de energía solar en prácticamente cualquier orientación de carril o fila de estacionamiento, ya sea circular o curvilínea.

Los seguidores solares activos de dos ejes también se utilizan para orientar los heliostatos , espejos móviles que reflejan la luz solar hacia el absorbedor de una central eléctrica . Dado que cada espejo en un campo extenso tiene 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 sistemas de seguimiento con detección de luz suelen tener dos o más fotosensores , como fotodiodos , configurados diferencialmente para que emitan una señal nula al recibir el mismo flujo luminoso. Mecánicamente, deben ser omnidireccionales (es decir, planos) y estar orientados a 90 grados entre sí. 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, conviene utilizarlos solo cuando sea necesario. Por ello, 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 generaría suficiente energía para justificar la reorientación. Esto también se aplica cuando no hay suficiente diferencia en el nivel de luz entre una dirección y otra, como cuando pasan nubes por encima. Es necesario tener en cuenta que el seguidor no debe desperdiciar energía durante los periodos nublados.

Los seguidores pasivos más comunes utilizan un gas comprimido de bajo punto de ebullición que, impulsado por el calor solar que genera presión, se desplaza hacia un lado u otro para provocar el movimiento del seguidor en respuesta a un desequilibrio. Debido a esta orientación imprecisa, no es adecuada para ciertos tipos de colectores fotovoltaicos de concentración, pero funciona correctamente con los paneles fotovoltaicos comunes. Estos últimos incorporan amortiguadores viscosos para evitar movimientos excesivos en respuesta a las ráfagas de viento. Se utilizan parasoles/reflectores para reflejar la luz solar de la mañana y así "despertar" el panel e inclinarlo hacia el Sol, lo que puede llevar varias horas, dependiendo de las condiciones de sombra. Este tiempo se puede reducir considerablemente añadiendo un sistema de sujeción de liberación automática que posicione el panel ligeramente más allá del cenit (para que el fluido no tenga que vencer la gravedad) y utilizando dicho sistema por la noche. (Un muelle de retención impedirá la liberación 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, de modo que la luz solar atraviesa la parte transparente del módulo y se refleja en el holograma. Esto permite que la luz solar incida sobre la célula desde atrás, aumentando así la eficiencia del módulo. Además, el panel no necesita moverse, ya que el holograma siempre refleja la luz solar desde el ángulo correcto hacia las células.

En algunos países en desarrollo, los operadores han sustituido a los sistemas de control por técnicos que ajustan los rastreadores. Esto ofrece ventajas como mayor robustez, disponibilidad de personal para el mantenimiento y creación de empleo para la población de las inmediaciones de la instalación.