* Autor para correspondencia: isanchez@ingmt.com

Córdoba 204, Fracc. El Dorado, Aguascalientes, Ags., CP 20235

Evaluación de Seguimiento Solar Acimutal para la Generación Fotovoltaica

en el Centro de México

Irma Yolanda Sánchez Chávez 1,2,*

, Fernando Martell Chávez 1,2

1 Ingeniería Mecatrónica S. A. de C. V.

2 Tecnológico de Monterrey, División de Ingeniería y Arquitectura, Campus Aguascalientes

Resumen

En este trabajo se cuantifica la ventaja en la generación fotovoltaica en 56% cuando se

implementa un seguimiento solar acimutal con respecto a la generación en una orientación fija.

La evaluación del uso de páneles fotovoltaicos fijos y móviles se realiza en el exterior a lo largo

del día en la ciudad de Aguascalientes, a 1800 m de altitud, 22º de latitud Norte, obteniendo una

mayor producción y mayor estabilidad en la energía generada en el caso de aplicar el seguimiento

con eje vertical o acimutal. Los resultados obtenidos se comparan con los reportados en la

literatura principalmente en altas latitudes mostrando que doblan el aumento documentado de un

sistema de seguimiento dual, y triplican el aumento registrado para un sistema simple análogo,

reflejando el potencial de la energía solar en México, y la relevancia del estudio local de los

efectos del seguimiento.

Palabras clave: seguidor solar, seguimiento acimutal, sistema fotovoltaico

1. Introducción

De acuerdo a las estadísticas de la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en

inglés), en el mundo se producen 21,431 TWh, y en México 259 TWh; el 75% de la energía

producida a nivel mundial proviene de combustibles fósiles tales como carbón, petróleo y gas

natural, y en México esta proporción es mayor, aproximadamente 77% [1]. La alta explotación

de tales fuentes no renovables ha producido consecuencias tales como el efecto invernadero, el

calentamiento global y el deterioro de ecosistemas terrestres y marinos. Ante esta situación,

crece el interés por el aprovechamiento de fuentes limpias para la generación de electricidad.

Entre dichas fuentes limpias, la energía solar figura como una alternativa de alto potencial

especialmente en regiones intertropicales. La radiación solar puede generar el doble de la energía

producida con combustibles fósiles, a pesar de la baja eficiencia de los generadores mismos, la

cual es de 10% aproximadamente [2].

La ubicación geográfica de México le da grandes ventajas para el aprovechamiento de la

energía solar, y aumentar su uso en la generación de energía eléctrica. El Trópico de Cáncer

cruza México, por lo que la radiación solar llega a incidir casi perpendicularmente en el verano

causando muchas horas-luz y altas temperaturas. El mapa de la Figura 1 muestra la radiación

solar anual promedio y permite apreciar los más altos valores sobre los Trópicos de Cáncer y

Capricornio, correspondiendo a México 2000 kWh/m2/año [3].

Figura 1. Mapa de insolación en kWh/m

2/año [3].

La generación fotovoltaica permite el aprovechamiento de la abundante radiación solar en

México debida a su localización y clima. El uso de este tipo de energía requiere de dos tipos de

desarrollos tecnológicos: medios de captación de energía solar, y de convertidores de energía

directa a alterna. Dichos requerimientos tecnológicos hacen viable la integración de los

generadores fotovoltaicos a la red eléctrica para una transformación hacia prácticas sustentables,

junto con la disminución en los costos de la energía eléctrica. En cuanto a los medios para una

mejor captación de energía solar, se contempla no sólo la fabricación de páneles y estructuras de

soporte, sino la automatización y el control de mecanismos que permitan orientar los páneles

hacia el sol. Bajo este último enfoque, el presente trabajo analiza las ventajas del seguimiento de

la trayectoria solar en una localidad ejemplo de la ubicación intertropical de México.

Países principalmente de Norteamérica y Europa han promovido la investigación y

desarrollo de generadores fotovoltaicos, así como de seguidores solares. En estos lugares los

sistemas de seguimiento han sido evaluados en cuanto a su relación costo-beneficio en el proceso

de generación fotovoltaica, y se reporta un incremento en la generación de hasta 30% con

respecto al uso páneles fijos [4]. La productividad atribuida a los generadores fotovoltaicos con

seguimiento en la zona norte (arriba del Trópico de Cáncer) es relativamente baja, sin embargo,

dado la mayor variabilidad de la trayectoria solar en la zona intertropical cabe considerar que en

ésta los sistemas de seguimiento permitan una productividad mayor. Generalmente se

recomienda que los páneles se inclinen un ángulo igual a la latitud del lugar para maximizar la

captación de la energía solar ante las variaciones estacionales de la elevación del sol. Por lo que

la otra característica relevante de la trayectoria solar a considerar es la mayor longitud del

recorrido en dirección este a oeste en esta zona. Por esta razón, el objetivo del presente trabajo

es evaluar la efectividad del seguimiento solar utilizando el eje vertical de movimiento

localmente, en la región de México, con el propósito de contrastar con lo reportado típicamente

para la región norte referida.

Este artículo se organiza en las siguientes secciones: la Sección 2 plantea los fundamentos

de los sistemas de seguimiento solar, la Sección 3 resume el estado de la técnica de dichos

sistemas, la Sección 4 presenta los materiales y métodos utilizados para implementar y evaluar el

seguimiento solar, la Sección 5 presenta los resultados obtenidos y la Sección 6 concluye sobre

los mismos.

2. Fundamentos

La trayectoria solar se describe básicamente con los ángulos de elevación, cenit y acimut.

El ángulo de elevación solar se define entre la horizontal y una línea hacia el sol. El ángulo cenit

es el ángulo entre la vertical y la línea hacia el sol. La suma del ángulo de elevación y el ángulo

cenit es entonces de 90 grados. El ángulo acimut es el desplazamiento angular de la proyección

horizontal de la posición del sol con respecto a la línea de norte a sur, en dirección de este a

oeste. Estos ángulos se ilustran en la Figura 2.

Figura 2. Descripción de trayectoria solar relativa a una localización geográfica.

Los sistemas de generación fotovoltaica constan de tres elementos: pánel, estructura de

soporte del pánel con o sin seguimiento de posición solar, y circuitos para almacenamiento de

energía y/o conversión de potencia. Los páneles están constituidos por celdas fotovoltaicas que

generan energía de corriente directa. Los páneles deben operarse en su punto de máxima

potencia, el cual se incrementa a mayor nivel de insolación y se decrementa, con menos

sensibilidad, a más alta temperatura. La salida del pánel puede almacenarse en un banco de

baterías. Un controlador de carga regula el flujo de electricidad del pánel a la batería y a la carga

de consumo [5]. En el caso de interconexión con la red eléctrica, la energía del pánel se

convierte en corriente alterna mediante un inversor de potencia.

La incidencia de la radiación solar sobre la superficie del pánel es máxima en el momento

del día cuando la intensidad de los rayos solares es mayor y su dirección es normal a ésta. Una

alta radiación contribuye a una alta potencia del pánel, por lo que se utiliza una estructura que fije

al pánel en la posición perpendicular a la radiación solar cuando ésta es máxima (a medio día), o

bien, se incorpora un seguidor solar que oriente el pánel perpendicularmente a la radiación solar,

a pesar de la variación de su intensidad, durante el día y según la estación. El mecanismo de

soporte del pánel para lograr esta funcionalidad puede tener dos ejes de movimiento (Figura 3).

Figura 3. Pánel fotovoltaico con seguidor solar con dos ejes de rotación.

Los seguidores solares pueden clasificarse en simples o duales de acuerdo al número de

ejes de rotación [6]. El eje de rotación horizontal (de elevación) es útil donde y cuando el sol se

eleva muy alto. El eje vertical (acimutal) se utiliza donde y cuando el recorrido desde la salida

hasta la puesta del sol es muy largo. Sin embargo, la alta o baja elevación del sol puede ocurrir

en una misma localidad en diferentes estaciones del año, o bien, es posible pensar en la

aplicación del seguimiento de la posición solar sobre una plataforma móvil por lo que puede ser

conveniente contar con ambos ejes de rotación.

3. Estado de la Técnica

Se ha probado que la abundante energía proveniente del sol puede cubrir las necesidades de

energía eléctrica del mundo con sistemas de generación de muy baja eficiencia [2]. Las

investigaciones recientes fundamentan que un aumento en la eficiencia de esta tecnología puede

incrementar el aprovechamiento de la energía solar, en espacios más reducidos y distribuidos.

La tecnología de los colectores de radiación solar ha evolucionado del uso de capas

homogéneas de materiales semiconductores [7], al uso de capas con nanoestructuras

tridimensionales para un mejor atrapamiento o absorción de fotones [8]. Dichas capas pueden

aplicarse sobre una o ambas caras del colector. Los páneles bifaciales pueden además funcionar

como sensor e interfaz de actuación [9, 10]. El colector es generalmente un arreglo de varios

páneles. Cada uno de éstos o en su conjunto debe operase en su punto de máxima potencia o

potencia nominal, a través del monitoreo y manipulación de su corriente y voltaje, mediante

estrategias basadas en perturbaciones de corriente (PAO), cálculo de conductancia incremental, o

referencia fija de voltaje [5].

El seguidor solar incrementa la productividad de los sistemas fotovoltaicos fijos.

Investigaciones realizadas principalmente en países desarrollados en latitudes altas reportan los

siguientes datos sobre el desempeño de los sistemas de seguimiento solar. El seguimiento en base

a posiciones predeterminadas produce un incremento de hasta 20 y 72% respecto a una

colocación inclinada y a una superficie horizontal fijas, respectivamente [11, 12]. El seguimiento

con páneles bifaciales puede superar en 20% el incremento en productividad con seguimiento y

páneles simples [13]. El seguimiento puede realizarse en base a 1 o 2 ejes de movimiento,

aumentando la productividad en relación a sistemas fijos en 11% con un eje horizontal, 18% con

un eje vertical, y 30% con 2 ejes [14]. La continuidad del seguimiento (con un período de hasta

15 minutos) permite producir un 33% más energía que los sistemas fijos, superando en 5% la

energía producida con seguimiento en dos pasos [15, 16]. Las aplicaciones de la energía

fotovoltaica tales como bombeo, y calentamiento de agua y aire, también reflejan incrementos de

productividad con el seguimiento solar [17, 18, 19].

El seguimiento dual o en dos ejes tiene otras ventajas sobre el seguimiento simple o en un

solo eje, además de superar el incremento en productividad del sistema fijo, ya sea con un eje

horizontal, vertical, u orientado hacia la estrella polar [14, 20, 21]. El seguidor dual es de más

fácil instalación, dado que no depende de una orientación determinada, permiten un mayor factor

de utilización de las hora luz del día [22], permiten reducir el tamaño o cantidad de páneles para

una producción determinada de energía [23], o bien, requieren de menor cobertura de suelo [24],

y proveen la precisión en el seguimiento requerida por concentradores solares con distintas

geometrías [15, 25, 26].

Los algoritmos de seguimiento varían en su precisión y técnica. Los cálculos en base a

calendario, ubicación geográfica y condiciones ambientales han logrado precisiones entre

±0.0027 y ±2° [27, 28]. Los algoritmos de control en base a retroalimentación de la intensidad

luminosa sobre el colector pueden generar un error de 5 a 10° sin mermar la producción de

energía [2, 9]. Ambos tipos de algoritmos pueden aplicar herramientas de inteligencia artificial

[29]. Su combinación puede ser útil para los casos de días nublados, por ejemplo.

Los instrumentos del seguidor solar pueden ser pasivos y activos. Los seguidores pasivos

incluyen elementos responsivos ante variaciones en la temperatura en el colector que se eliminan

al lograr una iluminación uniforme, y pueden ser estructuras bimetálicas, galgas o aleaciones con

efecto de forma [30, 31, 32]. Son de bajo costo, pero no funcionan a bajas temperaturas. Los

seguidores activos utilizan sensores, motores y controladores, y demandan cerca del 3% de la

energía adicional producida con su uso [22, 33, 34].

El presente artículo busca contribuir al estudio del seguimiento solar en la generación

fotovolatica en un lugar específico y representativo de México, utilizando el eje vertical para el

cual se reporta un efecto más significativo, considerando que aunque el seguimiento dual se

espera superior en sus beneficios, éstos son menos ventajosos que los que el sistema simple logra

sobre el fijo.

4. Materiales y métodos

El seguimiento fue implementado mediante la estructura de soporte y movimiento del pánel

mostrado en la Figura 4. El pánel se coloca sobre un marco al que puede darse cierta orientación

mediante un giro alrededor del eje vertical y un cambio de inclinación. El giro con eje vertical

permite el seguimiento acimutal, es decir, el rastreo de la trayectoria desde el amanecer hasta el

anochecer con respecto a la dirección norte-sur. Este giro se produjo con un mecanismo de

catarinas y cadena. El cambio de inclinación permite considerar la elevación del sol para lograr

una orientación perpendicular a la radiación solar. El ángulo de inclinación se produjo con el

movimiento de un brazo apoyado en el centro del pánel en un extremo, y en el otro acoplado a un

tornillo sin fin activado por un motor. Los componentes del mecanismo de seguimiento

enumerados en la figura son perfiles Bosch (1, 2, 3, 4, 13), piñón (5), catarina (6), cadena (7),

placas de aluminio (8, 9), tornillos sin fin (10, 18), bisagras (11), nylamid (12), soleras de

alumino (14, 15), ángulos de aluminio (16, 17), y tubo (19).

Figura 4. Mecanismo para seguimiento.

Para la detección de la intensidad luminosa se utilizaron 5 fotorresistencias: 2 en la parte

frontal (frente lado izquierdo, frente lado derecho), 1 lateral izquierda, 1 lateral derecha y 1 en la

parte trasera. El circuito de instrumentación mostrado en la Figura 5 utiliza las fotorresistencias

para variar el tiempo de descarga del capacitor respectivo para así determinar la diferencia en

luminosidad que el sistema ha de eliminar mediante el movimiento del pánel.

Figura 5. Circuito de instrumentación para detección de diferencia de intensidad luminosa.

Para el movimiento del pánel se utilizaron 2 motores a pasos, y un microprocesador

Arduino Uno como controlador principal. Para construir la circuitería de potencia, se optó por

utilizar controladores de motores de pasos L297, que reciben parámetros como dirección y la

secuencia de pasos desde el controlador principal. También se optó por utilizar los transistores

de potencia TIP 120, los cuales otorgan un amplio rango de corriente (hasta 5A), los diodos de

propósito general 4N001 se utilizaron con el fin de disipar las corrientes de fuga del transistor. El

driver para el control de un motor a pasos se ilustra en la Figura 6.

Figura 6. Driver para motor a pasos.

La inclinación o elevación del pánel se fijó manualmente. El seguimiento automático de la

trayectoria solar se implementó sólo mediante el movimiento de la estructura alrededor del eje

vertical. El seguimiento tiene la capacidad de actualizar la posición cada minuto.

El algoritmo de seguimiento acimutal en lazo cerrado utiliza la comparación de la detección

de intensidad luminosa entre los sensores del frente lado izquierdo y frente lado derecho para

determinar la rotación alrededor del eje vertical con el propósito de orientar el pánel de forma que

la incidencia de la radiación solar sobre éste sea lo más uniforme posible. El sensor en la parte

trasera del seguidor permite corregir la posición inicial del pánel. El algoritmo se ilustra en la

Figura 7.

Figura 7. Algoritmo de operación del seguidor en lazo cerrado.

La experimentación se efectúo con dos páneles de 65 Watts, ambos con una elevación fija

de 22° (ángulo cenital de 68°): el primero apuntando en la dirección del sur geográfico (validado

con una brújula y con la compensación apropiada de la desviación del polo norte magnético), y el

segundo se montó en el sistema de seguimiento desarrollado utilizando exclusivamente el eje

vertical que proporciona el movimiento acimutal. Se utilizaron arreglos de cargas resistivas para

lograr disipar 50 Watts como máximo en cada pánel. Para la medición de potencia se implementó

un sistema de adquisición de datos basado en CompactRIO de National Instruments, el cual

permitió colectar mediciones de voltaje y corriente y calcular simultáneamente la potencia. La

información colectada corresponde a los días 12 y 13 de octubre del 2014, en la ciudad de

Aguascalientes, (ubicación geográfica: 22° de latitud norte y 102° de longitud oeste). El clima

durante las pruebas fue soleado con nublados variables sin registrar precipitación pluvial, con

temperaturas de 13° como mínimas, y 25° y 27° como máximas, respectivamente.

5. Resultados

Se obtuvieron mediciones de voltaje, corriente y potencia de la generación eléctrica de un

sistema de un pánel con seguidor solar en un eje vertical (giro acimutal) y de un sistema con un

pánel fijo orientado al sur geográfico, ambos con la elevación recomendada igual a la latitud de la

ubicación geográfica.

Las diferencias en el voltaje de los dos páneles se muestran en la Figura 8. En las primeras

horas de la mañana se eleva clara y rápidamente el voltaje del pánel con el seguidor solar,

mientras que en el pánel fijo el voltaje mantiene un incremento paulatino. Durante el día se puede

notar como el pánel con el seguimiento logra mantener un valor casi constante de voltaje durante

más horas, mientras que el voltaje en el pánel fijo se mantiene elevado entre 12 y 14:30 horas y

se abate continuamente a partir de que el sol empieza a descender hacia el poniente (a partir de

las 15:30 horas).

Figura 8. Comparación de las mediciones de voltaje del día 12 de octubre.

Las caídas bruscas de voltajes en la Figura 8 corresponden a nublados, y se percibe en

particular uno prolongado entre 14:30 y 15:15. Aquí es importante notar como el voltaje del

pánel con orientación fija bajó su valor de 15.5 a 6.4 V, mientras que el voltaje del pánel móvil

disminuyó de 17.2 a 9.6 V; esto representa que ante nubosidad ligera el voltaje del pánel con el

seguidor solar se abatió en 44.2%, mientras que en el pánel fijo el voltaje cayó un 58.6%. Lo

anterior implica que el pánel móvil logra mantener una mayor generación durante cielos

parcialmente nublados, lo cual se puede corroborar al analizar también las mediciones de

potencia en la Figura 9.

En la Figura 9 se observa adicionalmente como el nivel de potencia generada tiende a

disminuir durante la tarde, ya que para niveles equivalentes de irradiación durante la mañana se

logran generar de manera estable 52 W, mientras que por la tarde este valor se reduce por debajo

de los 50 W. Lo anterior pudiera estar relacionado con una caída en la eficiencia de los páneles

por efectos de calentamiento.

Figura 9. Comparación de las mediciones de potencia del día 12 de octubre.

Figura 10. Comparación de la generación de energía de los dos días consecutivos.

Con los datos obtenidos se pudo hacer un cálculo de la energía generada durante cada día

por cada uno de los páneles. Los resultados son mostrados en la Figura 10 donde se observa que

es consistente la mayor generación de los páneles móviles: un 66% más el día 12 de octubre

(391.7 Wh versus 235.9 Wh) y un 45% más en el día 13 de octubre (337.1 Wh versus 232.4 Wh),

promediando una producción 56% mayor con el seguimiento con eje vertical respecto al pánel

fijo (364.7 Wh versus 234.15 Wh).

6. Conclusiones

El objetivo de las pruebas presentadas fue comparar la generación de un sistema de

seguimiento solar en un eje vertical (giro acimutal) con respecto a un sistema de pánel fijo

orientado al sur geográfico, ambos con la elevación recomendada igual a la latitud de la

ubicación geográfica. En los dos días de pruebas se corroboró que un sistema de seguimiento con

un periodo de 1 min logra producir cerca de un 56% más de energía. Este resultado contrasta con

la mejora reportada en la literatura de aproximadamente 18% en la producción de sistemas de

seguimiento con eje vertical [14], y de alrededor del 30% con un seguimiento dual y

relativamente continuo respecto a sistemas de páneles fijos [15, 16]. Estas diferencias pueden ser

menores debido a la falta de contabilización de la energía requerida por el seguidor en los datos

reportados (la cual puede minimizarse maximizando el periodo de muestreo); y a la posible

variación de la potencia del pánel respecto al valor nominal. La energía requerida por el

seguidor utilizado con un período de un minuto y un ciclo de trabajo de 0.1 se calcula en 15 Wh

(3A*5V*10h*6seg/60seg), lo cual no representa una variación significativa en los datos de

generación reportados.

A partir de estas experiencias pudimos notar que el seguimiento solar presenta ventajas aun

ante nublados variables, ya que se logra mantener un nivel mayor de voltaje y, por consiguiente,

de potencia, mientras que el abatimiento de voltaje es más drástico en el sistema de captación

fijo. En suma, mediante el seguimiento solar se logra aumentar la generación de electricidad aún

en condiciones de nubosidad ligera.

En zonas en proximidad al Trópico de Cáncer como es el caso del centro de la República

Mexicana, existe un mayor ángulo de elevación y variación en la trayectoria del sol, es decir, el

sol se desplaza más ampliamente respecto del sur geográfico. Mediante este trabajo de

investigación se confirma que en estas zonas es más conveniente la utilización de seguidores

solares.

La continuación de este trabajo se enfocará a realizar experimentaciones con el seguimiento

solar en dos ejes para compararlo con el seguimiento en eje vertical. Adicionalmente, como parte

del mismo proyecto, se realiza investigación con otros elementos del sistema de generación

fotovoltaica, como el convertidor electrónico (inversor) para el seguimiento del máximo punto de

potencia, y se planea también el escalamiento del sistema para su interconexión a la red eléctrica.

Reconocimientos

Reconocemos y agradecemos el apoyo recibido para la realización de este trabajo. Se

aplicaron fondos del CONACYT en su Programa de Estímulos a la Innovación 2014 en la

modalidad PROINNOVA, proyecto 210547. Se contó con la colaboración del Tecnológico de

Monterrey, Campus Aguascalientes a través de los alumnos Roberto Carlos Rivera Romo, José

de Jesús Ruvalcaba Macías, Aldo Nicolás Martínez Lagunes, Jessica Alejandra Villalobos

Morán, Edgar Yair Hernández Guzmán y José Eduardo Orihuela López, quienes estuvieron a

cargo del diseño y construcción del prototipo base para la realización de las pruebas presentadas.

El Ing. Luis Armando Andreu Romo apoyó en la instrumentación y mediciones para este estudio.

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