Seguidor solar - Solar tracker
Un seguidor solar es un dispositivo que orienta una carga útil hacia el Sol . Las cargas útiles suelen ser paneles solares , colectores cilindro- 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 de coseno . La reducción de 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 de 2009 a 2012.
A medida que el precio, la confiabilidad y el rendimiento de los seguidores de un solo eje han mejorado, los sistemas se han instalado en un porcentaje cada vez mayor de proyectos a escala de servicios públicos. Según datos de WoodMackenzie / GTM Research, los envíos globales de seguidores solares alcanzaron un récord de 14,5 gigavatios en 2017. Esto representa un crecimiento del 32 por ciento año tras año, con un crecimiento similar o mayor proyectado a medida que se acelera el despliegue solar a gran escala.
En aplicaciones de energía solar concentrada (CPV) y energía solar concentrada (CSP), los seguidores se utilizan para habilitar los componentes ópticos en los sistemas CPV y CSP. La óptica en aplicaciones de energía solar concentrada 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.
Concepto basico
La luz solar tiene dos componentes, el "haz directo" que transporta aproximadamente el 90% de la energía solar y la "luz solar difusa" que transporta el resto: la porción difusa es el cielo azul en un día despejado y es una proporción mayor de la total en días nublados. Como la mayor parte de la energía está en el 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 relación entre la luz directa y la difusa puede ser tan baja como 60:40 o incluso más baja.
La energía aportada por el haz directo cae 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 50 °, más allá de los cuales la reflectancia se degrada rápidamente.
| Ángulo i | Horas | Perdido |
|---|---|---|
| 0 ° | 0% | |
| 1 ° | 0,015% | |
| 3 ° | 0,14% | |
| 8 ° | 1% | |
| 15 ° | 1 | 3,4% |
| 23,4 ° | 8,3% | |
| 30 ° | 2 | 13,4% |
| 45 ° | 3 | 30% |
| 60 ° | 4 | > 50% |
| 75 ° | 5 | > 75% |
Notas
Por ejemplo, los seguidores que tienen una precisión de ± 5 ° pueden entregar 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 usa típicamente 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 cada uno de los factores principales se describen con un poco más de detalle, la trayectoria compleja del Sol se simplifica considerando su movimiento diario este-oeste por separado de su variación anual norte-sur con las estaciones del año. .
Energía solar interceptada
La cantidad de energía solar disponible para la recolección del haz directo es la cantidad de luz interceptada por el panel. Esto viene dado por el área del panel multiplicado por el coseno del ángulo de incidencia del haz directo (ver ilustración arriba). O dicho de otra manera, 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 . Esto describe que el brillo observado de un objeto es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de la luz que lo ilumina.
Pérdidas reflectantes
No toda la luz interceptada se transmite al panel; un poco se refleja en su superficie. La cantidad reflejada está influenciada tanto por el índice de refracción del material de la superficie como por el ángulo de incidencia de la luz entrante. La cantidad reflejada también difiere dependiendo de la polarización de la luz entrante. La luz solar entrante es una mezcla de todas las polarizaciones. Promedio sobre todas las polarizaciones, las pérdidas reflectantes son aproximadamente constantes hasta ángulos de incidencia de hasta alrededor de 50 ° más allá de los cuales se degrada rápidamente. Vea, por ejemplo, el gráfico de la izquierda.
Movimiento diario este-oeste del sol
El Sol viaja 360 grados de este a oeste por día, pero desde la perspectiva de cualquier ubicación fija, la porción visible es de 180 grados durante un período promedio de 1/2 día (más en primavera y verano; menos, en otoño e invierno). Los efectos del horizonte local reducen esto un poco, haciendo que el movimiento efectivo sea de unos 150 grados. Un panel solar en una orientación fija entre los extremos del amanecer y el atardecer verá un movimiento de 75 grados a cada lado y, por lo tanto, según la tabla anterior, perderá más del 75% de la energía por la mañana y por la noche. Girar los paneles hacia el este y el oeste puede ayudar a recuperar esas pérdidas. Un rastreador que solo intenta compensar el movimiento este-oeste del Sol se conoce como rastreador de un solo eje.
Movimiento estacional de norte a sur del sol
Debido a la inclinación del eje de la Tierra , el Sol también se mueve 46 grados 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 grados a cada lado. Por lo tanto, de acuerdo con la tabla anterior, un rastreador de eje único alineado de manera óptima (consulte el rastreador alineado polar a continuación) solo perderá un 8,3% en los extremos estacionales de verano e invierno, o alrededor del 5% como promedio durante un año. Por el contrario, un rastreador 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 rastreador que tiene en cuenta los movimientos diarios y 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, aumentando la recolección en el verano en las latitudes norte o sur. Esto sesga la colección 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 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 rastreadores de uno y dos ejes hace que la complejidad adicional de un rastreador de dos ejes valga la pena. Una revisión reciente de las estadísticas de producción reales del sur de Ontario sugirió que la diferencia era de alrededor del 4% en total, que era mucho menor que los costos adicionales de los sistemas de doble eje. Esto se compara desfavorablemente con la mejora del 24-32% entre un rastreador de matriz fija y un rastreador de eje único.
Otros factores
Nubes
Los modelos anteriores asumen una probabilidad uniforme de cobertura de nubes en diferentes momentos del día o del año. En diferentes zonas climáticas, la cobertura de nubes puede variar con las estaciones, lo que afecta las cifras de rendimiento promedio descritas anteriormente. Alternativamente, por ejemplo, en un área donde la capa de nubes en promedio se acumula durante el día, puede haber beneficios particulares al recolectar el sol de la mañana.
Atmósfera
La distancia que la luz solar tiene que viajar a través de la atmósfera aumenta a medida que el sol se acerca al horizonte, ya que la luz solar tiene que viajar 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 la cabeza y AM mayor que 1 se refiere a trayectorias diagonales cuando el Sol se acerca al horizonte.
Aunque es posible que el sol no se sienta particularmente caliente a primera hora de 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 a 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 solo 5 ° sobre el horizonte. Por lo tanto, si los rastreadores pueden seguir al Sol de horizonte a horizonte, entonces sus paneles solares pueden recolectar una cantidad significativa de energía.
Eficiencia de la celda solar
Por supuesto, la eficiencia de conversión de energía subyacente de una celda fotovoltaica tiene una gran influencia en el resultado final, independientemente de si se emplea seguimiento o no. De particular relevancia para los beneficios del seguimiento son los siguientes:
Estructura molecular
Gran parte de la investigación tiene como objetivo desarrollar materiales de superficie para guiar la máxima cantidad de energía hacia el interior de la celda y minimizar las pérdidas reflectantes.
Temperatura
La eficiencia de las células solares fotovoltaicas disminuye al aumentar la temperatura, a una tasa de aproximadamente 0,4% / ° C. Por ejemplo, un 20% más de eficiencia a 10 ° C a primera hora de la mañana o en invierno en comparación con 60 ° C en el calor del día o del verano. Por lo tanto, los rastreadores pueden ofrecer un beneficio adicional al recolectar energía de la mañana y del invierno cuando las celdas están funcionando con su máxima eficiencia.
Resumen
Los rastreadores para concentrar colectores deben emplear un seguimiento de alta precisión para mantener el colector en el punto de enfoque.
Los rastreadores para panel plano sin concentración no necesitan un rastreo de alta precisión:
- baja pérdida de potencia: menos del 10% de pérdida incluso con una desalineación de 25 °
- reflectancia constante incluso con una desalineación de alrededor de 50 °
- la luz solar difusa contribuye con un 10% independientemente de la orientación, y una proporción mayor en días nublados
Los beneficios de rastrear colectores de panel plano no concentrados se derivan de lo siguiente:
- la pérdida de energía se degrada rápidamente más allá de aproximadamente 30 ° de desalineación
- hay una potencia significativa disponible 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, en particular relevancia en latitudes altas y / o durante los meses de invierno
- los paneles fotovoltaicos son alrededor de un 20% más eficientes en el fresco de la madrugada en comparación con durante el calor del día; de manera similar, son más eficientes en invierno que en verano, y para capturar eficazmente el sol de la mañana y del invierno es necesario realizar un seguimiento.
Tipos de colector solar
Los colectores solares pueden ser:
- Paneles planos no concentrados, normalmente fotovoltaicos o de agua caliente,
- 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 mecanismo de seguimiento. Los sistemas de seguimiento se pueden configurar como:
- Colector fijo / espejo móvil - ie Heliostat
- Coleccionista en movimiento
Montaje fijo sin seguimiento
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 empotrados en un techo inclinado adecuadamente orientado. Las ventajas de los soportes fijos sobre los rastreadores incluyen las siguientes:
- Ventajas mecánicas: Fácil de fabricar, menores costos de instalación y mantenimiento.
- Carga de viento : es más fácil y económico proporcionar un soporte resistente; Todos los soportes que no sean paneles empotrados fijos deben diseñarse cuidadosamente teniendo en cuenta la carga del viento debido a una mayor exposición.
- Luz indirecta : aproximadamente el 10% de la radiación solar incidente es luz difusa, disponible en cualquier ángulo de desalineación con el sol.
- Tolerancia a la desalineación : el área de recolección efectiva para un panel plano es relativamente insensible a niveles bastante altos de desalineación con el Sol; consulte la tabla y el diagrama en la sección Concepto básico anterior; por ejemplo, incluso una desalineación de 25 ° reduce la energía solar directa recolectada en menos del 10%.
Los montajes fijos se utilizan generalmente junto con sistemas no concentradores; sin embargo, una clase importante de colectores concentradores sin seguimiento, de particular valor en el tercer mundo, son las cocinas solares portátiles . Estos utilizan niveles relativamente bajos de concentración, típicamente alrededor de 2 a 8 soles y se alinean manualmente.
Rastreadores
A pesar de que un panel plano fijo puede configurarse para recolectar una alta proporción de energía disponible al mediodía, también hay energía significativa disponible temprano en la mañana y tarde en la tarde cuando la desalineación con un panel fijo se vuelve excesiva para recolectar una proporción razonable de la energía. energía disponible. Por ejemplo, incluso cuando el Sol está a solo 10 ° por encima del horizonte, la energía disponible puede ser aproximadamente la mitad de los niveles de energía del mediodía (o incluso más, según 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 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 la energía se vuelve más pequeña.
Colector fijo / espejo móvil
Muchos colectores no se pueden mover, por ejemplo, colectores de alta temperatura donde la energía se recupera como líquido o gas caliente (por ejemplo, vapor). Otros ejemplos incluyen calefacción e iluminación directa de edificios y cocinas solares integradas fijas, como los reflectores Scheffler . En tales casos, es necesario emplear un espejo móvil para que, independientemente de dónde se encuentre el Sol en el cielo, los rayos del Sol se redirijan 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.
Coleccionista en movimiento
Los rastreadores se pueden agrupar en clases por 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 un 10-20% adicional.
Los seguidores fotovoltaicos se pueden clasificar en dos tipos: seguidores fotovoltaicos (PV) estándar y seguidores fotovoltaicos concentrados (CPV). Cada uno de estos tipos de rastreadores se puede clasificar adicionalmente 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.
Montaje flotante
Se están instalando islas flotantes de paneles solares en embalses y lagos en 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 fijadas a boyas .
Montaje en suelo flotante
Los seguidores solares se pueden construir utilizando una base "flotante", que se asienta en el suelo sin la necesidad de cimientos de hormigón invasivos. En lugar de colocar el rastreador sobre cimientos de hormigón, el rastreador se coloca en una bandeja 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 montado fijo tradicional. 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 los cimientos excavados no son factibles.
Seguimiento óptico sin movimiento
Los seguidores solares se pueden construir sin la necesidad de un equipo de seguimiento mecánico. Estos se denominan seguimiento óptico sin movimiento, ha habido una serie de avances en esta tecnología en las últimas décadas. Renkube fue pionero en un diseño basado en vidrio para redirigir la luz utilizando tecnología de seguimiento óptico sin movimiento.
Seguidores fotovoltaicos (FV) no concentrados
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 disponible. La funcionalidad 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 recolectada del componente directo de la luz solar entrante.
La física detrás de los seguidores fotovoltaicos (PV) 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 fina (silicio amorfo, CdTe, CIGS, microcristalino).
Seguidores de concentradores fotovoltaicos (CPV)
Las ópticas de los módulos CPV aceptan el componente directo de la luz entrante y, por lo tanto, deben orientarse adecuadamente para maximizar la energía recolectada. En aplicaciones de baja concentración, también se puede capturar una parte de la luz difusa del cielo. La funcionalidad de seguimiento en los módulos CPV se utiliza para orientar la óptica de modo que la luz entrante se enfoque a 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 perpendicularmente al Sol en dos ejes.
- Requisitos de precisión
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 dada, la óptica sin imágenes proporciona los ángulos de aceptación más amplios posibles , que pueden usarse para reducir la precisión del seguimiento.
En los sistemas típicos de alta concentración, la precisión de seguimiento debe estar en el rango de ± 0,1 ° para entregar aproximadamente el 90% de la salida de potencia nominal. En sistemas de baja concentración, la precisión de seguimiento debe estar en el rango de ± 2.0 ° para entregar el 90% de la salida de potencia nominal. Como resultado, los sistemas de seguimiento de alta precisión son típicos.
- Tecnologías soportadas
Los seguidores fotovoltaicos concentrados se utilizan con sistemas concentradores de base refractiva y reflectante. Existe una gama de tecnologías emergentes de células fotovoltaicas que se utilizan en estos sistemas. Estos van desde receptores fotovoltaicos convencionales basados en silicio cristalino hasta receptores de triple unión basados en germanio .
Seguidores de un eje
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 meridiano norte verdadero. Es posible alinearlos en cualquier dirección cardinal con algoritmos de seguimiento avanzados. Hay varias implementaciones comunes de seguidores de un solo eje. Estos incluyen seguidores horizontales de eje único (HSAT), seguidores de eje único horizontal con módulos inclinados (HTSAT), seguidores de eje único verticales (VSAT), seguidores de eje único inclinados (TSAT) y seguidores de eje único alineados polarmente (PSAT). La orientación del módulo con respecto al eje del seguidor es importante al modelar el rendimiento.
Horizontal
- Seguidor horizontal de un solo eje (HSAT)
El eje de rotación del seguidor de eje único horizontal es horizontal con respecto al suelo. Los postes en cada extremo del eje de rotación de un seguidor de eje único horizontal se pueden compartir entre 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 posicionar adecuadamente los seguidores entre sí. El espaciamiento apropiado puede maximizar la relación entre la producción de energía y el costo, lo que depende del terreno local y las condiciones de sombra y el valor de la hora del día de la energía producida. El retroceso es un medio 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 rastrea, 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. Los paneles están montados sobre el tubo, y el tubo girará sobre su eje para seguir el movimiento aparente del Sol a lo largo del día.
- Seguidor horizontal de un solo eje con módulos inclinados (HTSAT)
En HSAT, los módulos se montan planos a 0 grados, mientras que en 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 el que consume el rastreador vertical de un solo eje (VSAT). Por lo tanto, trae las ventajas de VSAT en un seguidor horizontal y minimiza el costo total del proyecto solar.
Vertical
- Seguidor vertical de eje único (VSAT)
El eje de rotación de los seguidores verticales de eje único es vertical con respecto al suelo. Estos rastreadores giran de este a oeste a lo largo del día. Estos rastreadores son más efectivos en latitudes altas que los rastreadores de eje horizontal. Los diseños de campo deben considerar el sombreado para evitar pérdidas de energía innecesarias y optimizar la utilización de la tierra. Además, la optimización para empaques densos está 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 un ángulo con respecto al eje de rotación. A medida que un módulo rastrea, barre un cono que es rotacionalmente simétrico alrededor del eje de rotación.
Inclinado
- Seguidor inclinado de eje único (TSAT)
Todos los seguidores con ejes de rotación entre horizontal y vertical se consideran seguidores de un solo eje inclinados. Los ángulos de inclinación del rastreador a menudo se limitan para reducir el perfil del viento y disminuir la altura del extremo elevado. Con retroceso, se pueden empaquetar sin sombrear perpendicularmente a su eje de rotación en cualquier densidad. Sin embargo, el empaque 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 rastrea, barre un cilindro que es rotacionalmente simétrico alrededor del eje de rotación.
Seguidores de doble eje
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 con respecto al suelo puede considerarse un eje primario. El eje que está referenciado al eje primario se puede considerar un eje secundario. Hay 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 seguidores de doble eje de inclinación y inclinación (TTDAT) y los seguidores de doble eje de altitud azimutal (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 en paralelo al eje secundario de rotación. Los seguidores de doble eje permiten niveles óptimos de energía solar debido a su capacidad para seguir al Sol vertical y horizontalmente. No importa dónde se encuentre el Sol en el cielo, los seguidores de doble eje pueden inclinarse para estar en contacto directo con el Sol.
Tip-tilt
Un rastreador de doble eje de 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 es impulsado por la rotación de la matriz alrededor de la parte superior del poste. En la parte superior 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 primario de rotación de un seguidor de doble eje inclinable se pueden compartir entre los 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 de 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 de punta e inclinación son muy flexibles. La geometría simple significa que mantener los ejes de rotación paralelos entre sí es todo lo que se requiere para posicionar adecuadamente los seguidores entre sí. Normalmente, los rastreadores tendrían que colocarse a una densidad bastante baja para evitar que un rastreador arroje una sombra sobre los demás cuando el Sol está bajo en el cielo. Los rastreadores de inclinación de la punta pueden compensar esto inclinándose más cerca de la horizontal para minimizar la sombra del sol y, por lo tanto, maximizar la energía total que se recolecta.
Los ejes de rotación de muchos seguidores de doble eje de punta e inclinación suelen estar alineados a lo largo de un meridiano norte verdadero o una línea de latitud este-oeste.
Dadas las capacidades únicas de la configuración Tip-Tilt y el controlador apropiado, es posible un seguimiento totalmente automático para su uso en plataformas portátiles. La orientación del rastreador no tiene importancia y se puede colocar según sea necesario.
Altitud de acimut
Un rastreador de eje dual de azimut-altitud (o alt-azimut ) (AADAT) tiene su eje principal (el eje de acimut) vertical al suelo. El eje secundario, a menudo llamado eje de elevación, suele ser normal al eje primario. Son similares a los sistemas de inclinación en funcionamiento, pero difieren en la forma en que se gira la matriz para el seguimiento diario. En lugar de rotar la matriz alrededor de la parte superior del poste, los sistemas AADAT pueden usar un anillo grande montado en el suelo con la matriz montada en una serie de rodillos. La principal ventaja de esta disposición es que el peso de la matriz 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 si se considera el sombreado entre rastreadores.
Construcción y (auto) construcción
Como se describe más adelante, el equilibrio económico entre el costo del panel y el rastreador no es trivial. La fuerte caída en el costo 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 (aficionada / entusiasta), se deben cumplir los siguientes criterios: economía, estabilidad del producto final contra peligros elementales, facilidad de manejo de materiales y carpintería.
Selección del tipo de rastreador
La selección del tipo de rastreador depende de muchos factores, incluido el tamaño de la instalación, las tarifas eléctricas, los incentivos gubernamentales, las limitaciones de la tierra, 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 la instalación da como resultado una economía convincente en grandes implementaciones. Además, el buen rendimiento de la tarde es particularmente deseable para grandes sistemas fotovoltaicos conectados a la red, de modo que la producción coincidirá 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 en el tubo del eje sin peligro de sombrearse y también son fácilmente accesibles para su limpieza.
Un rastreador de eje vertical gira solo alrededor de un eje vertical, con los paneles verticales, en un ángulo de elevación fijo, ajustable o con seguimiento. Estos rastreadores con ángulos fijos o ajustables (estacionalmente) son adecuados para latitudes altas, donde la trayectoria solar aparente no es especialmente alta, pero que conduce a largos días en verano, con el Sol viajando a través de un arco largo.
Los seguidores de doble eje se utilizan normalmente en instalaciones residenciales más pequeñas y ubicaciones con tarifas gubernamentales muy elevadas.
FV de concentración de múltiples espejos
Este dispositivo utiliza múltiples espejos en un plano horizontal para reflejar la luz solar hacia arriba a un sistema fotovoltaico de alta temperatura u otro sistema que requiera energía solar concentrada. Los problemas estructurales y los gastos se reducen en gran medida ya que los espejos no están expuestos significativamente a las cargas de viento. Mediante el empleo de un mecanismo patentado, solo se requieren dos sistemas de transmisión 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 pico.
En Sierra SunTower , ubicado en Lancaster, California, se emplea un sistema reflectante de múltiples espejos combinado con una torre de energía central . Esta planta de generación operada por eSolar está programada para comenzar a operar el 5 de agosto de 2009. Este sistema, que usa múltiples helióstatos en una alineación norte-sur, usa piezas prefabricadas y construcción como una forma de disminuir los costos operativos y de inicio.
Tipos de unidad
Rastreador activo
Los seguidores activos utilizan motores y trenes de engranajes para realizar el seguimiento solar. Pueden usar 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 estructuras masivas, se diseñan y prueban rigurosamente accionamientos giratorios 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 y cabrestantes para reemplazar algunos de los componentes más costosos y frágiles.
Se pueden aplicar accionamientos de giro contrarrotantes que intercalan un soporte de ángulo fijo para crear un método de seguimiento de "ejes múltiples" que elimina la rotación con respecto a la alineación longitudinal. Este método, si se coloca en una columna o pilar, generará más electricidad que la fotovoltaica fija y su matriz fotovoltaica nunca rotará hacia un carril de 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 los helióstatos , espejos móviles que reflejan la luz solar hacia el absorbedor 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 que el sistema se apague cuando sea necesario.
Los rastreadores de detección de 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, planas) y estar orientadas a 90 grados de distancia. Esto hará que la parte más empinada de sus funciones de transferencia de coseno se equilibre en la parte más empinada, lo que se traduce en máxima sensibilidad. Para obtener más información sobre los controladores, consulte Iluminación natural activa .
Dado que los motores consumen energía, uno quiere usarlos solo 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 algún 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 en cuenta para evitar que el rastreador desperdicie energía durante los períodos nublados.
Rastreador pasivo
Los rastreadores pasivos más comunes utilizan un fluido de gas comprimido de bajo punto de ebullición que se desplaza hacia un lado o hacia el otro (por el calor solar que crea presión de gas) para hacer que el rastreador se mueva en respuesta a un desequilibrio. Como se trata de una orientación que no es de precisión, 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 llevar algunas horas dependiendo de las condiciones de sombreado. El tiempo para hacer esto se puede reducir en gran medida agregando un amarre de liberación automática que coloca el panel un poco 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 rastreador pasivo para paneles solares fotovoltaicos utiliza un holograma detrás de franjas 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 celda desde atrás, aumentando así 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 celdas.
Seguimiento manual
En algunas naciones en desarrollo, los accionamientos han sido reemplazados por operadores que ajustan los rastreadores. Esto tiene los beneficios de la solidez, la disponibilidad de personal para el mantenimiento y la creación de empleo para la población en las cercanías del sitio.
Edificios rotativos
En Friburgo de Brisgovia, Alemania, Rolf Disch construyó el Heliotrop en 1996, un edificio residencial que gira con el sol y tiene una vela fotovoltaica de doble eje adicional en el techo. Produce cuatro veces la cantidad de energía que consume el edificio.
La Casa Gemini es un ejemplo único de rastreador de eje vertical. Esta casa cilíndrica en Austria (latitud por encima de los 45 grados norte ) gira en su totalidad para seguir el 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 giratoria diseñada por estudiantes de TU Delft para el concurso Solar Decathlon Europe en Madrid . La casa se terminó 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 vidrio se enfrenta al sol para la calefacción solar pasiva de la casa. Dado que la casa flota sin fricción sobre el agua, girarla no requiere mucha energía.
Desventajas
Los rastreadores agregan costos y mantenimiento al sistema: si agregan un 25% al costo y mejoran la producción en un 25%, se puede obtener el mismo rendimiento haciendo que el sistema sea un 25% más grande, eliminando el mantenimiento adicional. 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 el número 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 uso nocturno, un sistema de seguimiento reduce las horas de uso de la energía almacenada, lo que requiere menos capacidad de la batería. Dado que las baterías en sí son caras (ya sean celdas estacionarias tradicionales de plomo-ácido o baterías de iones de litio más nuevas), su costo debe incluirse en el análisis de costos.
El seguimiento tampoco es adecuado para las típicas instalaciones fotovoltaicas en tejados residenciales. Dado que el seguimiento requiere que los paneles se inclinen o se muevan de otra manera, se deben tomar las medidas necesarias para permitirlo. Esto requiere que los paneles estén desplazados a una distancia significativa del techo, lo que requiere una costosa estantería y aumenta la carga de viento. Además, tal configuración no sería una instalación muy agradable desde el punto de vista estético en tejados residenciales. Debido a esto (y al alto costo de dicho sistema), el rastreo no se usa en instalaciones residenciales en techos, y es poco probable que alguna vez se use en tales instalaciones. Esto es especialmente cierto ya 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 puede (y a veces se usa) para instalaciones residenciales de montaje en 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 unos de otros, puedan sombrearse entre sí debido a los efectos del ángulo del perfil. Por ejemplo, si tiene varios paneles seguidos de este a oeste, no habrá sombra durante el mediodía solar. Pero por la tarde, los paneles podrían estar sombreados por su panel vecino oeste si están lo suficientemente cerca. Esto significa que los paneles deben estar lo suficientemente espaciados para evitar sombras 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 área de tierra 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. La optimización de este problema con matemáticas se llama retroceso.
Además, los sistemas de seguimiento de un solo eje tienden a volverse inestables a velocidades de viento relativamente modestas (galope). Esto se debe a la inestabilidad torsional de los sistemas de seguimiento solar de un solo eje. Deben implementarse medidas anti-galope como el almacenamiento automático y los amortiguadores externos. Para obtener más información, consulte este documento .
Ver también
enlaces externos
- Seguidores solares para proyectos fotovoltaicos comerciales
- Proyectos de seguidores solares AKV Technical