Seguidores solares ADES. La ganancia del seguimiento en elevación

Los seguidores solares ADES son

los de mayor tamaño disponibles en el mercado, con las conocidas ventajas que el factor de escala aporta en cualquier proyecto de parque fotovoltaico. Estas máquinas (Fig.1) siguen la trayectoria solar en dos ejes: eje vertical (seguimiento azimutal) y eje horizontal (seguimiento en elevación).

Fig. 1.- Seguidores solares ADES

A menudo se cuestiona la

ganancia que aporta el seguimiento en elevación (comúnmente llamado “2º eje”) ya que los cálculos geométricos para el ángulo de incidencia de radiación directa sobre los módulos fotovoltaicos dan valores no muy superiores a los obtenidos con seguidores a un único eje azimutal en latitudes medias. Por otro lado, la sombra proyectada por un seguidor a dos ejes será mayor que la correspondiente a un seguidor con un eje, penalizando aparentemente la densidad de potencia instalada en un parque para una latitud determinada. Para poder evaluar las ventajas asociadas al 2º eje, es necesario definir una “función de ganancia del 2º eje”. La ganancia geométrica instantánea por irradiancia directa viene dada por el coseno del ángulo entre la dirección de los rayos solares y la normal a la superficie de los módulos fotovoltaicos según [1]:

[1] cos(θs - θ)

siendo (θ) el ángulo de elevación solar y (θs) el ángulo de elevación real del 2º eje del seguidor. La ganancia anual asociada al seguidor es la integral durante un año completo de [1], según [2]:

[2] T

dt)cos(G ANUAL

s∫ θ−θ=

siendo (T) el tiempo total de exposición anual. Esta función geométrica da valores para la comparación de distintos escenarios. Así, un seguidor dotado de 2º eje y que siempre mantenga la normal de la superficie de los paneles en la dirección del sol tendrá una ganancia de G =1. Los seguidores solares ADES 7F18 tienen un límite inferior de θs ≥ 40º por razones constructivas. Por otro lado, en el cálculo de la función anterior, no es necesario evaluar la ganancia para θ ≤ 15º, ya que la potencia generada no supera –en general- el umbral de arranque del inversor. La Fig.2 muestra la evolución diaria de (θs) en un seguidor tipo ADES 7F18 aislado, para latitud 40º N y en los días indicados.

Elevación del 2º eje ADES 7F18 L40ºN

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1

Equinoccio

Solsticio verano

Solsticio invierno

Fig.2 .- Ángulo de elevación del 2º eje en un seguidor ADES-7F18 (L 40ºN)

La integral anual según la ecuación [2] da una ganancia total de G = 0.980 para esta máquina en la latitud considerada.

La ganancia geométrica calculada supone que ningún seguidor se encuentra bajo la sombra arrojada de otro en ningún momento y para θ ≥ 15º, lo que implica que las máquinas se distribuyen en una retícula uniforme horizontal de 42 m (E-W) x 37 m (N-S).

Fig. 3.- Rosa anual de sombras de un seguidor ADES-7F18 aislado en L 40ºN, sobre terreno

horizontal Supuesto que los módulos instalados por seguidor totalizan 25 kWp, la densidad de potencia instalada del parque sería de ρ = 16.1 Wp/m2. Esta densidad de potencia, aunque proporciona la máxima ganancia, no es necesariamente la óptima desde el punto de vista de la factibilidad económica del parque, cuando se considera el coste del suelo.

Precisamente gracias al 2º eje, los seguidores solares ADES pueden evitar la proyección de sombras entre máquinas próximas por modificación del algoritmo de seguimiento, cuando interesa incrementar la densidad de potencia instalada en el parque. Por ejemplo, para una distribución de seguidores según una retícula de 30 m (E-W) x 30 m (N-S), la densidad de potencia es ρ = 27.8 Wp/m2 y la ganancia calculada G =0.949.

La Fig. 4 muestra la evolución diaria de (θs), donde se puede observar el algoritmo de posicionamiento del 2º eje en

los días señalados para evitar interferencia por sombras entre máquinas con la retícula de distribución mencionada.

Elevación del 2º eje (28.7 Wp/m2)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1

Equinoccio

Solsticio verano

Solsticio invierno

Fig. 4.- Ángulo de elevación del 2º eje con

algoritmo modificado (ρ = 27.8 Wp/m2)

En el otro extremo, para la máxima densidad de potencia posible, limitada por interferencia física entre máquinas, la retícula de distribución es 25m (E-W) x 20m (N-S) y los valores teóricos calculados son ρ = 50 Wp/m2 , G = 0.798.

Aunque la densidad de potencia

puede aumentarse linealmente disminuyendo la distancia según ejes (N-S) y (E-W) de forma independiente, las ganancias correspondientes no evolucionan de forma lineal. La Fig. 5 muestra el mapa de ganancias para variaciones independientes de las dimensiones de la malla de distribución.

3734

3128

2522

42

37

32

27

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

G

Eje N-S [m]Eje E-W [m]

Ganancia y distancia entre máquinas

Fig.- 5. Ganancia y distribución de máquinas

Se observa que las variaciones de distancia entre máquinas según eje N-S afectan sensiblemente más a la ganancia que las variaciones según eje E-W. En la Fig. 6 se muestra un corte del mapa de la Fig.5 para una separación según eje E-W de 30 m.

Ganancia vs distancia N-S(E-W = 30 m)

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

37 35 33 31 29 27 25 23 21

[m]

Fig.6.- Ganancia para E-W = 30 m Finalmente, es posible representar diversos pares de valores de densidad de potencia frente a ganancia obtenida, para el seguidor ADES 7F18 en L 40º N, según se muestra en la Fig. 7.

Densidad de potencia vs. ganancia

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00G

[Wp/

m2]

Fig.7.- Ganancia y densidad de potencia ADES 7F18 L 40ºN

La curva óptima de densidad de potencia del parque frente a la ganancia obtenida es la envolvente superior de la nube de puntos calculados. Se concluye que las variaciones de ganancia son bajas para grandes variaciones de densidad de potencia. Esta es la ventaja adicional en la selección de seguidores solares a dos ejes ADES, también en aplicaciones donde el coste del suelo sea un factor decisivo en el estudio de factibilidad económica del parque. Es importante resaltar que la ganancia geométrica calculada no pondera las horas de irradiación máxima para valores altos de elevación solar. La experiencia indica que la ganancia real por 2º eje es muy superior a la aquí indicada. Los seguidores solares ADES incorporan 2º eje y control del seguimiento mediante posicionamiento astronómico por PLC programable, ambos imprescindibles para la implantación de algoritmos de posicionamiento en elevación acordes con las necesidades de concentración de potencia de cada proyecto. El control del 2º eje proporciona otras ventajas adicionales bien conocidas, como son la protección estructural frente a condiciones climáticas adversas y la seguridad anti-vandalismo en periodo nocturno. (www.ades.tv).

37

34

31

28

25

22

42

39

36

33

30

27

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

G

Eje N-S [m]Eje E-W [m]

Ganancia y distancia entre máquinas