El seguidor solar cuenta con un panel FV UP-Solar UPM-250, un microinversor Enphase M250, una estructura de soporte con gabinetes, una etapa de control y una etapa de monitorización, tal como muestra la Figura 1. Esta unidad cuenta con dos acometidas, una para alimentación del seguidor y otra para la inyección de potencia a partir del microinversor.

Figura 1 Fuente: elaboración propia.

La Figura 2 expone un esquema con las etapas de monitorización (izquierda) y control (derecha). La etapa de control está conformada por una fuente DC MDR6024 (24 Vdc), una tarjeta Raspberry pi 3Bi+, dos Encoder KY-040 (elevación y azimut), un drive L298N y dos servomotores reusados (563001e500 para movimiento orientado al Azimut y DFS10G-05 para movimiento orientado a la elevación), los cuales permiten llevar a cabo el procesamiento, conmutación y movimiento.

Figura 2 Fuente: elaboración propia.

La etapa de monitorización está conformada por una tarjeta ARDUINO MEGA, un anemómetro DAVIS 6410 (velocidad y dirección), dos piranómetros DAVIS 6450 (irradiancia solar horizontal e irradiancia solar incidente sobre el panel FV) y tres sensores de temperatura DS18B20.

En principio, el enfoque base del seguimiento solar es alcanzar la coincidencia de la componente normal de la superficie de trabajo del panel FV con el haz de radiación solar directa. En la práctica, el componente físico del seguidor solar se aproxima a esto a partir de una dinámica de movimiento discreto en los dos ejes (azimut y elevación) usando dos servomotores y dos Encoder KY0-40. Específicamente, el ángulo azimutal puede tomar doce valores para un giro completo sobre el eje vertical (cada 30°); mientras, el ángulo de elevación puede tomar hasta tres valores (cada 30°).

Los valores discretos de los ángulos azimutal y de elevación se establecen a partir de los datos de salida obtenidos al aplicar el modelo Ephem (JPL DE432L) desarrollado por la NASA, usando la librería PVLIB de Python. El programa es ejecutado en la Raspberry Pi 3B+. Este modelo requiere como datos de entrada la ubicación del seguidor solar (latitud y longitud), la zona horaria y el instante de tiempo de interés.

Para este estudio específicamente se hace uso de los datos obtenidos de irradiancia solar por los dos piranómetros a fin de calcular el incremento de irradiación solar diaria que experimenta el panel FV. Los piranómetros DAVIS 6450 son conectados a puertos analógicos del Arduino MEGA, cada uno entrega una señal de tensión (V _med ) proporcional a la irradiancia solar medida, a ser calculada como muestra en (1). Específicamente, se utiliza un regulador de tensión LM2596 para garantizar una alimentación de 3.0 Vdc (V _fuente ); por lo que, 1.667 mV equivale a 1.0 W/m².

Con el fin de mejorar la calidad de los datos obtenidos por los piranómetros (G _{med_p1} y G _{med_p2} ), se establecieron curvas de ajuste a partir de un proceso de análisis comparativo con un piranómetro Kipp&Zonen SMP11 (Secondary standard / Class A ISO 9060), tal como se muestran en (2) y (3).

Para analizar el desempeño del seguidor solar en cuanto a la mayor captación de irradiación solar, se usan cuatro métricas mostradas por las ecuaciones (4) a (7), a saber: (i) la ganancia neta en el instante t (∆G _t ) con base en las irradiancias solar incidente sobre la superficie del panel FV (G _αβ,t ) y la irradiancia solar horizontal (𝐺_ℎ,𝑡), (ii) el incremento porcentual de la irradiancia solar en el instante t (∆G)_%t (iii) la ganancia de irradiación solar ((∆G)) para un intervalo de tiempo específico (e.g., hora, día o mes) considerando la irradiación solar incidente sobre la superficie del panel FV (𝐻𝛼𝛽) y la irradiación solar horizontal (H _h ) y (iv) el incremento porcentual de la irradiación solar (∆G _% ).

El estudio caracteriza la ganancia de irradiación solar debida a la operación del seguidor solar a partir de la monitorización realizada durante un total de 42 días entre los meses de diciembre de 2023 (6 días), enero (12 días) y febrero (24 días) de 2024.

Los datos son obtenidos cada minuto y almacenados en tiempo real. Inicialmente, el Arduino MEGA recopila los datos monitorizados; posteriormente, son transmitidos a la tarjeta Rasberry Pi 3B+ a través de su puerto serial ACM0 y almacenados en formato JSON; finalmente, son guardados en un archivo *.xlsx.

La Figura 3 muestra la visual lograda en la superficie de trabajo durante el 24 de enero de 2024, lo cual permite observar el seguimiento eficaz del haz de irradiancia solar directa de 7 a.m. a 5 p.m.

Figura 3 Fuente: elaboración propia.

El beneficio del seguidor solar depende tanto del comportamiento diario de la irradiancia solar horizontal como del día del año. La Figura 4 muestra el comportamiento de 𝐺_ℎ e 𝐺_𝛼𝛽 para un día parcialmente nublado (22-dic-2023) y un día mayormente soleado (20-feb-2024) con buen nivel de detalle debido al muestreo cada minuto realizado. Para el primer día, la ganancia oscila entre 50 W/m² y 200 W/m² la mayor parte del tiempo, lo cual representa un incremento entre 15 % y 50 % de 8 a.m. a 3 p.m. Aunque se logran incrementos entre 50 % y 300 % entre 7 a.m. a 8 a.m. y 3p.m. a 5 p.m.; tal aporte alcanza principalmente entre 100 W/m² y 200 W/m² debido a que son horas de baja irradiancia solar horizontal. Para el segundo día, se logran ganancias que superan los 200 W/m² (25-300 %) entre 7:30 a.m. y 10 a.m. y los 100 W/m² (25-300 %) entre 3:40 p.m. y 5:10 p.m. (25-50 %). Note que el comportamiento gráfico es similar a lo obtenido por ^[12] en Bucaramanga con un seguidor de un eje.

Figura 4 Fuente: elaboración propia.

La Figura 5 permite apreciar la significativa variabilidad de H _h durante la ventana de observación de este estudio, con más del 40 % (17 días) de los registros con altas irradiaciones (> 6 kWh/m²∙día) debido al Fenómeno de El Niño, 21.43 % (9 días) con baja irradiación (< 4 kWh/m²∙día) debido a la alta nubosidad o precipitaciones leves durante febrero y 38.10 % de los días con irradiación media (4 kWh/m²∙día ≤ H _h ≤ 6 kWh/m²∙día). También es posible notar que el 92.86 % de los registros de 𝐻𝛼𝛽 muestran un incremento en la captación de irradiación solar, destacándose que más del 45 % de los registros superan 7 kWh/m²∙día; no obstante, durante tres días (7.14 %) no se observó beneficio energético debido a la baja irradiancia (< 3 kWh/m²∙día). Tal como menciona ^[8], un bajo índice de claridad de cielo afecta significativamente el desempeño del seguidor solar. En general, H _h y 𝐻𝛼𝛽 alcanzaron valores promedio de 5.30 kWh/m²∙día y 6.22 kWh/m²∙día, respectivamente.

Figura 5 Fuente: elaboración propia.

Las ganancias netas superaron 1.0 kWh/m²∙día durante 22 días, inclusive 1.4 kWh/m²∙día o más en 11 días, tal como muestra la Figura 6. Como se mencionó, la baja irradiación solar durante tres días de febrero (08, 09 y 22) no permitió ganancias del seguidor solar; específicamente, se dieron pérdidas de hasta 0.085 kWh/m²∙día (6.75 %). Esto último ocurre porque la componente directa de la irradiancia solar es muy baja o nula, siendo la componente difusa totalmente dominante, la cual puede ser completamente captada en una superficie horizontal. Dado que el seguidor solar se inclina en función del movimiento solar, éste pierde parte de la componente difusa y, por ende, su desempeño es negativo para días de muy baja irradiación solar. En general, el seguidor solar tuvo un impacto positivo al lograr valores promedio de ∆H y ∆H% de 0.92 kWh/m²∙día y 17.3 %, respectivamente.

Figura 6 Fuente: elaboración propia.

La Figura 7 muestra el comportamiento de la ganancia acumulada cada hora para los 42 días del estudio. Los valores mínimos, promedio y máximo al final del día son -85.5 Wh/m²día (08-feb-2024), 916.1 Wh/m²día y 1626.2 Wh/m²día (13-dic-2023). Note que para días con ∆H significativo (>1000 Wh/m²día) la mayor pendiente de ganancia ocurre entre 6 a.m. y 11 a.m., la cual se reduce sustancialmente entre 11 a.m. y 2 p.m. y se incrementa moderadamente entre 3 p.m. y 5 p.m.

Figura 7 Fuente: elaboración propia.

En cuanto al comportamiento horario mostrado en la Figura 8, se aprecia una alta variabilidad de 𝐺_ℎ, tanto así que entre las horas 11 a 13 logra superar 1000 W/m² y descender hasta 100 W/m². Se muestra un mayor potencial solar de media tarde en adelante (15 a 18) con respecto a su contraparte en la mañana (6 a 9). En cuanto a 𝐺_𝛼𝛽, el seguidor solar permite que se supere 1000 W/m² durante 5 horas (9 y 14), mismas horas donde la mediana de los datos está entre 800 W/m² y 960 W/m², lo cual denota la influencia del seguidor solar en la irradiancia captada.

Figura 8 Fuente: elaboración propia.

La Figura 9 presenta el comportamiento horario ∆H y ∆H% a partir de diagramas boxplots, siendo posible establecer que las mayores contribuciones del seguidor solar son producidas a las horas 7 a 11 y 15 a 17 con valores promedio entre 82 W/m² y 161 W/m², que equivale a incrementos de 18 % a 61 % según la hora. Para estas horas, los valores máximos oscilan entre 182 W/m² y 309 W/m² (21-150 %). Por otro lado, se presentaron pérdidas en cada hora con mínimos entre 13 W/m² y 39 W/m²; siendo porcentualmente más significativas entre las horas 7 y 10, llegando de 39 % a 69 % según la hora. Note que ∆G (8 a 17) y ∆G% (7 a 17) tienen forma convexa; por lo que, se advierte que el mayor beneficio del seguidor solar está asociado a horas con menor altura solar.

Figura 9 Fuente: elaboración propia.

La Figura 10presenta la carta solar para Bucaramanga que describe el movimiento solar (azimut, elevación) representativo para cada mes del año, así como la diferencia significativa entre sus trayectorias. Se identifica que diciembre es el mes con menor elevación solar; por lo que, el seguidor solar tiende a lograr mayor beneficio al acercarse al haz de irradiancia solar directa. Asimismo, se observa que la elevación se incrementa en enero y en febrero y, por ende, se reduciría la ganancia de irradiación en comparación con diciembre.

Figura 10 Fuente: elaboración propia.

Ahora bien, la Figura 11 permite analizar el desempeño del seguidor solar por mes. Se aprecia que la curva convexa de ∆G se presenta para cada mes, con los menores valores entre 10 a.m. y 2 p.m. (<20 %). Los mayores valores de ∆G _% se dan en diciembre, superando el 40 % durante 4 horas (7-9 a.m. y 3-5 p.m.); en enero, se denota una clara diferencia entre las ganancias de mañana (máx.: 117.2 %) y de tarde (máx.: 45.9 %); mientras en febrero, la máxima ganancia no supera el 46.4 %. Asimismo, se observa que H _h promedio es 5.63 kWh/m²día y 6.44 kWh/m²día para diciembre y enero con 𝐻𝛼𝛽 de 7.08 kWh/m²día y 7.69 kWh/m²día, respectivamente; mientras estas dos irradiaciones descendieron a 4.65 kWh/m²día y 5.26 kWh/m²día en febrero. Note que tanto ∆H y ∆H% muestran una clara diferenciación en el beneficio de la captación del potencial solar entre los meses, donde diciembre muestra una ganancia de 25.7 %, casi el doble de lo logrado en febrero (13.2 %), lo cual está en consonancia con lo mostrado por la Figura 11.

Figura 11 Fuente: elaboración propia.

A continuación, se analiza el impacto de seguidor solar según el rango H _h , a saber, cuatro rangos: <4, 4 a 5, 5 a 6 y >6 kWh/m²día, como muestra la Figura 12. Con respecto a la irradiancia solar, también se aprecian curvas convexas para valores de H _h mayores a 4.0 kWh/m²día, con una notable mayor ganancia entre 7 a.m. y 9 a.m. (33.5 %-113.9 %), donde ∆G% a lo sumo alcanza supera 20 % entre 10 a.m. y 4 p.m., y que repunta entre 4 p.m. y 5 p.m. (35.0 %-62.3 %). Para H _h menores a 4 kWh/m²día, ∆G% tiene un comportamiento promedio ascendente que inicia con pérdidas de 29.5 %, logra obtener ganancias a partir de la 1 p.m. y finaliza con un incremento de 25.8 %. Ahora, el impacto en la irradiación solar implica que los mayores beneficios se dan para valores de H _h mayores a 6 kWh/m²día (1322 Wh/m²día y 20.3 %) y, como se espera, menor beneficio para valores de H _h menores a 4 kWh/m²día, con tan solo 220 Wh/m²día que equivale al 7.4 %. Curiosamente, se obtiene mayor captación adicional en el rango de 4 kWh/m²día a 5 kWh/m²día (929 Wh/m²día y 19.5 %) que lo logrado cuando H _h toma valores entre 5 kWh/m²día y 6 kWh/m²día (859 Wh/m²día y 15.5 %). Esto podría explicarse por dos razones; primero, las ganancias netas para ambos intervalos son similares (929 Wh/m²día y 859 Wh/m²día); por lo que, tal ganancia es más representativa para el rango de 4 kWh/m²día a 5 kWh/m²día por su menor irradiación solar diaria, lo que implica un mayor valor del incremento porcentual. Segundo, las ganancias más relevantes para el rango de 4 kWh/m²día a 5 kWh/m²día tienden a darse principalmente en las primeras (6 a.m. a 9 a.m.) y últimas horas de sol (3 p.m. y 6 p.m.), siendo iguales o mayores a las obtenidas por el rango de 5 kWh/m²día a 6 kWh/m²día cerca al mediodía.

Figura 12 Fuente: elaboración propia.

La Figura 13 es un heatmap que presenta matricialmente los valores de ∆G y ∆G%, según el día y la hora. Los colores permiten identificar con mayor facilidad los valores mínimos, cercanos a cero y máximos, así como zonas de datos con comportamientos similares. Los tres valores mayores de ∆G se dieron a las 8-9 a.m. y ascendieron a 309.0 W/m² (15-feb-2024), 307.5 W/m² (22-ene-2024) y 307.2 W/m² (24-ene-2024); las tres mayores pérdidas de ∆H ocurrieron durante febrero y llegaron a 39.0 W/m² (03-feb-2024, Hora 11), 33.6 W/m² (05-feb-2024, Hora 11) y 33.3 W/m² (12-feb-2024, Hora 14).

Figura 13 Fuente: elaboración propia.

En cuanto a ∆H _% , se muestra que la franja entre 11 a.m. y 2 p.m. tiende a estar conformada por celdas de fondo blanco que representa valores cercanos a 0 %, lo cual reafirma el menor beneficio del seguimiento solar cerca al mediodía. Los mayores valores de ∆H% son obtenidos a las horas 7, 16 y 17, donde superan el 50 % para más de la mitad del tiempo, inclusive pueden alcanzar casi el 300 %. No obstante, note que los altos valores de ∆G% entre 5 p.m. y 6 p.m. representa valores de ∆H a lo sumo de 133.8 W/m².

Con el fin de valorar el desempeño logrado por el seguidor solar para la ventana de observación, se procedió a analizar datos horarios suministrados por PVGIS de 2005 a 2020, tanto de 𝐺 _h como de 𝐺_𝛼𝛽 considerando un seguidor de dos grados.

La Figura 14 muestra los boxplots de la irradiación diaria (horizontal e incidente) y del incremento porcentual considerando los datos de valores horarios para cada mes durante los 16 años; por ejemplo, 496 datos para enero.

Figura 14 Fuente: elaboración propia.

Se observa que H _h puede variar durante el año de 1.17 kWh/m²∙día a 7.46 kWh/m²∙día con un valor promedio de 4.84 kWh/m²∙día; mientras 𝐻𝛼𝛽 tomaría valores desde 1.15 kWh/m²∙día hasta 12.46 kWh/m²∙día, siendo su valor promedio igual a 6.21 kWh/m²∙día. En cuanto al impacto del seguimiento solar de dos ejes, la ganancia promedio diaria es 26.76 %, variando entre -5.44 % (mayo) y 114.38 % (diciembre). Note que las pérdidas tienden a presentarse cuando H _h es inferior a 3.0 kWh/m²∙día, descendiendo a 5.2 % para la ventana de observación de este estudio (diciembre, enero y febrero) cuando H _h disminuye a 1.2-1.5 kWh/m²∙día.

La Tabla 2 presenta la comparación entre el desempeño ideal de un seguidor solar de dos obtenido con los datos de la plataforma PVGIS y los resultados obtenidos de la monitorización.

Tabla 2

Fuente: elaboración propia.

En primer lugar, si bien los valores promedio (11.77-25.72 %) y máximo (21.61-32.88 %) debidos al seguidor solar implementado son significativos, éstos son menores a los obtenidos del análisis de PVGIS. Este menor beneficio se debe a dos razones: el movimiento discreto del seguidor solar implementado (pasos de 30°) entre 7 a.m. y 5 p.m. y la obstrucción parcial de la infraestructura en la zona este del seguidor solar (ver Figura 15). En segundo lugar, se presentan pérdidas con mínimos de 2.49 % a 5.17 % para los tres meses para valores muy bajos de 𝐻 _h obtenidos de PVGIS, lo cual coincide con las pérdidas reportadas por el seguidor solar durante febrero, llegando a ser 6.75 % para un H _h de 1.27 kWh/m²∙día.

Figura 15 Fuente: Dirección de Comunicaciones UIS.

Con base en lo mencionado en las subsecciones anteriores, es posible considerar la existencia de factores de influencia sobre el beneficio obtenido por el seguidor solar, específicamente, mes y rango H _h para 𝐻𝛼𝛽 y mes, rango H _h y valor promedio horario de 𝐺_ℎ para 𝐺_𝛼𝛽. Primero, se debe tener presente que el movimiento solar es variante durante el año (ver Figura 10) y ∆H tuvo un comportamiento diferenciado cada mes. Segundo, el beneficio del seguidor también es diferenciable según el rango H _h (ver Figura 12); particularmente, la nubosidad ocasiona la disminución de 𝐺_ℎ y, por ende, de H _h ; en casos de alta nubosidad, inclusive con precipitación, el seguidor solar puede ocasionar valores negativos de ∆H; asimismo, se observó una variación de la ganancia solar según el valor de H _h .

Para llevar a cabo tal análisis, se establecieron los coeficientes de determinación R² correspondientes y se organizaron por medio del heatmap mostrado en la Figura 16, donde los valores altamente satisfactorios (R²>0.97) tienen tonalidad azul y aquellos no satisfactorios (R²<0.90) toman colores entre rojo y fucsia. Tenga en cuenta que ndm es el número de datos cada minuto es y ndd es el número de datos diarios.

Figura 16. Fuente: elaboración propia.

En cuanto a la posible estimación de 𝐺_𝛼𝛽, se consideraron seis casos. Para 𝑓𝐺_ℎ,𝑚,ℎ, se usaron los datos cada minutoes adquiridos para cada hora de cada mes, por ejemplo, para los 6 días de diciembre se cuenta con 360 datos por hora. Específicamente, se observa que los valores de R² se comportan similar para los tres meses a lo largo del día y que en general sería posible estimar de manera aceptable (R²≥0.90) 𝐺_𝛼𝛽 solo de 8 a.m. a 4 p.m. Para fG _h ,R _Hh ,h se observa que la estimación de 𝐺_𝛼𝛽 sería aceptable solo para el 76.7 % de las horas, siendo el mayor rango H _h el menos conveniente por valores R² entre 0.55 y 0.70. Para f(G _h ,h)se tienen 2520 datos por hora, ya que se consideran 60 datos cada minutoes para cada hora de los 42 días; este caso se caracteriza porque la estimación de 𝐺_𝛼𝛽 solo estaría comprometida a la hora 7 (R²=0.6243). En cuanto a 𝑓G _ℎ,𝑚, 𝑓(𝐺_ℎ,𝑅_𝐻ℎ)y 𝑓(G _ℎ), se aprecian valores aceptables de R² (≥0.932); por lo que, cualquiera de estos casos es satisfactorio. En definitiva, se podría estimar 𝐺_𝛼𝛽 a pesar de descartar la influencia de la hora.

Para la estimación de 𝐻𝛼𝛽 se tiene que el caso f(H _h ,R _Hh ) )reporta cuatro de cinco valores R² menores 0.76; por lo que, se descarta la correspondencia del rango H _h . Por otro lado, la Figura 17 presenta los gráficos de dispersión para los datos adquiridos por el seguidor solar, junto con su ecuación lineal de tendencia y coeficiente R², tanto para la totalidad de datos de los tres meses (𝑓𝐻_ℎ) como para cada mes (𝑓𝐻_ℎ, 𝑚) de H _h vs 𝐻𝛼𝛽. Se ve que R² es igual a 0.9749 para los tres meses y de 0.9626 (diciembre), 0.9909 (enero) y 0.9804 (febrero) para cada uno de éstos. Por tanto, se evidencia la altísima correspondencia entre H _h y 𝐻𝛼𝛽 que permitiría estimar de manera satisfactoria el desempeño del seguidor solar desde ambos enfoques (total y mensual).

Figura 17 Fuente: elaboración propia.

No obstante, dado que la muestra analizada solo incluye días pertenecientes a tres meses, se consideró pertinente determinar los valores de R² para los datos obtenidos de PVGIS como muestra la Figura 18, donde n es el número de datos considerados. Se aprecia que la correspondencia anual entre H _h y 𝐻𝛼𝛽 es de solo 0.8928; mientras, los valores mensuales (0.9245, 0.9570 y 0.9579) son similares a lo mostrado por la Figura 17. Con base en estos resultados, se considera más correcto usar la correlación mensual a fin de estimar 𝐻𝛼𝛽 para un H _h diario conocido.

Figura 18 Fuente: elaboración propia.