Rendimiento energético de un sistema fotovoltaico autónomo con seguidor solar bajo las condiciones climáticas de Chachapoyas

Abstract

p>La energía del sol es la más abundante, sostenible, renovable y libre de costo. Las celdas solares fotovoltaicas convierten la luz del sol directamente en electricidad por efecto fotoeléctrico. Para captar la radiación solar se utilizan paneles solares, estos pueden ser fijos o acoplados sobre seguidores solares, teniendo en cuenta que la potencia y orientación de la radiación solar varía según los factores y condiciones climáticas del lugar. Se diseñó y construyó un sistema de seguimiento solar que con la adhesión de un sensor solar es fácil de seguir la trayectoria del sol, donde se logra incrementar su eficiencia en la captación de energía solar. Por lo que, al acoplar un prototipo de seguidor al panel solar a un panel solar de 275 Wp, la energía generada en un día con irradiancia mayor al 4 kWh/m² genera en un rango de 01 a 1.65 kW día, siendo mayor al sistema fotovoltaico estático. Se evaluó la eficiencia del sistema fotovoltaico con seguidor solar y estático en términos energéticos, y se compararon los resultados tomando como grupo control al sistema estático. La energía generada fue de 61.67% más respecto al sistema fotovoltaico fijo, con 1.5% de gasto energético para el funcionamiento. Por lo que el sistema con seguimiento solar es más eficiente en rendimiento energético.</p

Full text

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Recibido, 16/02/2022 Aceptado, 15/03/2022 Artículo original
DOI:10.25127/aps.20221.858
Rendimiento energético de un sistema fotovoltaico autónomo con seguidor solar bajo las condiciones
climáticas de Chachapoyas
Performance of an autonomous photovoltaic system with solar tracker under the climatic conditions of
Chachapoyas
1* 2 2 2
Mariños López Mas , Manuel Oliva-Cruz , Wildor Gosgot Angeles , Fernando Isaac Espinoza Canaza
RESUMEN
La energía del sol es la más abundante, sostenible, renovable y libre de costo. Las celdas solares fotovoltaicas
convierten la luz del sol directamente en electricidad por efecto fotoeléctrico. Para captar la radiación solar se
utilizan paneles solares, estos pueden ser fijos o acoplados sobre seguidores solares, teniendo en cuenta que la
potencia y orientación de la radiación solar varía según los factores y condiciones climáticas del lugar. Se diseñó y
construyó un sistema de seguimiento solar que con la adhesión de un sensor solar es fácil de seguir la trayectoria del
sol, donde se logra incrementar su eficiencia en la captación de energía solar. Por lo que, al acoplar un prototipo de
seguidor al panel solar a un panel solar de 275 Wp, la energía generada en un día con irradiancia mayor al 4 kWh/m2
genera en un rango de 01 a 1.65 kW día, siendo mayor al sistema fotovoltaico estático. Se evaluó la eficiencia del
sistema fotovoltaico con seguidor solar y estático en términos energéticos, y se compararon los resultados tomando
como grupo control al sistema estático. La energía generada fue de 61.67% más respecto al sistema fotovoltaico fijo,
con 1.5% de gasto energético para el funcionamiento. Por lo que el sistema con seguimiento solar es más eficiente en
rendimiento energético.
Palabras clave: energía fotovoltaica, energía solar, seguidor solar, seguimiento en un eje.
ABSTRACT
The sun's energy is the most abundant, sustainable, renewable and free of cost. Photovoltaic solar cells convert
sunlight directly into electricity by the photoelectric effect. To capture solar radiation, solar panels are used, these can
be fixed or attached to solar trackers, taking into account that the power and orientation of solar radiation varies
according to the factors and climatic conditions of the place. A solar tracking system was designed and built that, with
the adhesion of a solar sensor, is easy to follow the path of the sun, where it is possible to increase its efficiency in
capturing solar energy. Therefore, when coupling a solar panel tracker prototype to a 275 Wp solar panel, the energy
generated in a day with irradiance greater than 4 kWh/m2 generates in a range of 01 to 1.65 kW day, being greater
than the system. static photovoltaic. The efficiency of the photovoltaic system with solar and static tracker was
evaluated in energy terms, and the results were compared taking the static system as a control group. The energy
generated was 61.67% more compared to the fixed photovoltaic system, with 1.5% energy expenditure for operation.
So the system with solar tracking is more efficient in energy performance.
Keywords: photovoltaic energy, solar energy, solar tracker, one-axis tracking.
1Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza, Escuela de Post Grado, Chachapoyas, Perú
2Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza, Instituto de Investigación para el Desarrollo Sustentable de Ceja de Selva, Chachapoyas,
Perú
*Autor de correspondencia. E-mail: marinos.lopez.epg@untrm.pe
Rev. de investig. agroproducción sustentable 6(1): 83-90, 2022 : 2520-9760ISSN

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I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad el desafío ambiental más importante
es reducir el uso de combustibles fósiles, como el
carbón, el petróleo y el gas natural, así como la emi-
sión de gases de efecto invernadero a la atmósfera
(GES). En particular, la generación de electricidad y
calor representa una cuarta parte de las emisiones
globales de GEI; al mismo tiempo, el pronóstico de las
Naciones Unidas muestra un aumento significativo en
el crecimiento de la población mundial, así como una
tasa de consumo per cápita relacionada al consumo
energético (De La Gala Contreras, 2018).
Debido a ello, la generación de energía fotovoltaica es
significativa en gran parte de las regiones del mundo y
se espera que se fortalezca su crecimiento exponen-
cial, desempeñando un papel importante en el cumpli-
miento de los objetivos de desarrollo sostenible esta-
blecidos por las autoridades locales, gobiernos nacio-
nales y acuerdos internacionales para cumplir con las
reducciones de emisiones de dióxido de carbono (CO )
2
(Obeidat, 2018). En consecuencia, investigadores y la
industria de la energía fotovoltaica están buscando
incesantemente tecnologías que pueden reducir los
costos y aumentar la eficiencia de las celdas fotovoltai-
cas (Green, 2016).
Existen diversas tecnologías fotovoltaicas, que cada
día aumentan el rendimiento de conversión de los
rayos solares en electricidad, siendo aún más sofistica-
das en relación a los materiales utilizados y los siste-
mas de monitoreo (Peinado et al., 2020); conllevando,
a mejorar la arquitectura de la celda FV; lo cual ha
permitido el desarrollo de tecnologías fotovoltaicas de
primera, segunda y tercera generación. Las tecnolo-
gías de primera generación se basan en silicio mono-
cristalino y multicristalino (c-Si), las tecnologías de
segunda generación consisten en tecnologías de pelí-
cula delgada como silicio amorfo (a-Si), película del-
gada de silicio de múltiples uniones (a-Si / µc-Si),
telururo de cadmio (CdTe), (di) seleniuro de cobre e
indio / (di) sulfuro (CIS) y (di) seleniuro / (di) sulfuro
de cobre, indio, galio (CIGS) y por ultimo las tecnolo-
gías de tercera generación incluyen concentradores
fotovoltaicos, orgánicos entre otros (Alaaeddin et al.,
2019).
De ahí que, el monitoreo y la evaluación del desempe-
ño energético, económico y ambiental de los sistemas
fotovoltaicos se han convertido en una tarea crucial, el
cual depende del recurso solar junto con una tecnolo-
gía fotovoltaica adecuada, la calidad del equilibrio de
los componentes del sistema y los diseños adecuados;
depende las horas que el sol incida sobre el panel solar,
así como va depender de cada módulo que fueron
instalados, la inclinación, orientación, la radiación
solar que incide, la eficacia de la instalación y la poten-
cia nominal (Mulcué-Nieto y Mora-López, 2014).
Según Tracker y Study (2020), en un estudio que anali-
za la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos conecta-
dos a la red, utilizando un seguidor solar de un solo eje
realizado en el centro de Vietnam, demostraron que
existe una gran diferencia en el tiempo de lectura es
por la mañana y por la tarde, pero al mediodía la ener-
gía generada por los dos sistemas es muy similar. Por
ejemplo, en un día soleado la energía máxima genera-
da por la emisión fotovoltaica con el seguidor solar es
de 1732Wh y el consumo de energía promedio del
actuador lineal y el controlador es de 35Wh y la efi-
ciencia del sistema fotovoltaico se mejora hasta en un
30,3% en condiciones climáticas soleadas y un 15,2%
en climas moderados, para un sistema de un solo eje
utilizando un seguidor solar. Por tal razón, la presente
investigación se ha planteado como objetivo la evalua-
ción del rendimiento de un sistema fotovoltaico autó-
nomo de 275 Wp con seguidor solar de bajo costo bajo
las condiciones climáticas de Chachapoyas, con la
finalidad de impulsar la transición energética.
II. MATERIAL Y MÉTODOS
Ubicación de la unidad de estudio.
La investigación se ejecutó en la ciudad de Chachapo-
yas, en la Universidad Nacional Toribio Rodríguez de
Mendoza - Amazonas, de acuerdo a la siguiente coor-
denada 6°13′46″S 77°52′21″O. Se encuentra a 2.4 Km
de la ciudad de Chachapoyas, con temperatura prome-
dio de 18 °C, Humedad relativa de 86 %, altitud 2341
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m.s.n.m. (Figura S1). Los sistemas fotovoltaicos estu-
diados fueron instalados en la azotea del Instituto de
Investigación para el Desarrollo Sustentable de Ceja
de Selva (INDES – CES).
Unidad de estudio
En la investigación realizada se estudió dos tipos de
sistemas fotovoltaicos, estático y con seguimiento
solar, como se muestra a continuación Figura S2,
cuyas características se detallan a continuación.
Sistema fotovoltaico estático
El módulo sistema fotovoltaico estático está confor-
mado: un panel solar policristalino de 275Wp cuyas
especificaciones técnicas se detallan en la Tabla S1, un
controlador de carga marca Sun Saver MPPT (Wa-
shington, Estados Unidos); inversor marca Gama AJ
modelo AJ 275-12 y una batería de marca RITAR
(Shenzhen, China) modelo RA12-100DG (12 V)
encargada de almacenar toda la energía eléctrica gene-
rada por el panel solar 12v. Para la investigación se
recolecto los datos exclusivamente del panel solar
debido a que es el generador de la energía, mientras
que el controlador y la batería se utilizó para el funcio-
namiento del sistema de recolección de datos.
Sistema fotovoltaico con seguidor solar.
El módulo del sistema fotovoltaico con seguidor solar,
está conformado por un panel de 275 Wp con las mis-
mas especificaciones de la Tabla S1; un controlador;
un inversor; una batería de 12v; un actuador lineal y un
sensor de seguimiento solar. Para la investigación se
recolectó los datos exclusivamente del panel solar,
debido a que es el generador de la energía; mientras
que el controlador y la batería se utilizó para el funcio-
namiento del sistema de recolección de datos, mien-
tras que el sensor de seguimiento solar juntamente con
el actuador lineal para el accionamiento del sistema
fotovoltaico.
Montaje de las unidades de estudio
Montaje del sistema fotovoltaico estático
Primero se diseñó por medio del Software de modela-
do en 3D-SketchUp y se realizó la simulación de la
estructura para darle mayor precisión y funcionalidad
en su operatividad, tal como se puede visualizar en la
siguiente Figura S3, se muestra el sistema con todos
los componentes que conforman el sistema fotovoltai-
co estático.
Montaje de sistema con seguidor solar
Tal como se realizó el diseño para el sistema estático,
se aplicó el mismo procedimiento para el diseño y
construcción del sistema con seguimiento solar, con la
diferencia que lleva un sistema de giro de este a oeste
para el acoplamiento del sensor solar tal como se mues-
tra en la siguiente en la Figura S4.
La estructura de soporte principal del panel solar cuen-
ta con un mecanismo de giro de plano horizontal en
dirección de este - oeste y viceversa. El mecanismo
está compuesto por una barra de acero 1018 PTR 50.8
mm de 1.20 m de largo, fijado al centro de la estructura
con adhesión a una chumaceras y rodajes.
El sistema con seguidor solar, para su accionamiento
se ha instalado un actuador líneo de marca Eco worthy
y modelo PA-14-1-150. El actuador lineal es un dispo-
sitivo mecánico un tornillo sin fin que trabaja convir-
tiendo el movimiento rotatorio del motor en movi-
miento de tracción, empuje lineal o recto.
Después de implementar los elementos descritos ante-
riormente se procedió a incorporar el módulo de segui-
miento solar (Figura S5), para emitir las señales de
movimiento en acorde a la traslación del sol. El sensor
de seguimiento solar utilizado es de modelo MK III de
un solo eje, funciona con corriente continua de 12
VCC con un margen de error de +/-20 %, además,
utiliza un puente electrónico (H-Bridge) que impulsa
el motor en cualquier dirección, es decir, en sentido
horario/antihorario, izquierda/derecha o arriba/abajo
según la ubicación del sol.
Instalación del seguidor solar y del actuador lineal
El mecanismo de seguimiento solar es accionado por
el actuador lineal que es controlado por el sensor solar.
El sensor solar se ubicó en la parte superior del panel
solar, fijado en el extremo superior tal como se muestra
en la siguiente Figura S6.
Rendimiento de un sistema fotovoltaico con segui-
dor solar con un sistema convencional.
Para la evaluación del rendimiento del sistema foto-
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voltaico se recolecto variables eléctricas y ambienta-
les las cuales son: voltaje, amperaje, temperatura y
radiación solar respectivamente. Para ello se ha
empleado un sistema de adquisición de datos desarro-
llado por Carhuavilca et al., (2021), este sistema trans-
mite los datos a un software programado LABVIEW
para su visualización y almacenamiento. La recolec-
ción de datos se llevó en el periodo de enero a marzo de
2022, desde 6:00 a 19:00 horas.
Cálculo de rendimiento de los sistemas evaluados.
Para el cálculo del rendimiento de ambos sistemas
evaluados, del registro de datos de corriente (A) y
voltaje (V), se procedió a calcular en simultaneo la
potencia tal como lo aplico el autor (López et al.,
2018), con la siguiente formula.
Donde:
P = Potencia eléctrica (W)
V = Voltaje (V)
I = Corriente Eléctrica (A)
Para determinar la eficiencia energética se utilizó la
formula incluida en la norma internacional ISO 50001
sobre sistemas de gestión de la energía, publicada en
agosto de 2018 por la Organización Internacional para
la Estandarización (ISO, 2018).
Donde:
Resultado = Potencia generada por el panel fotovoltai-
co (W)
Entrada total de energía = Potencia máxima del panel
fotovoltaico (W)
III. RESULTADOS
Instalación de los sistemas fotovoltaicos
Los sistemas fotovoltaicos, estático y con seguimiento
solar fueron instalados en la azotea del Instituto de
Investigación para el Desarrollo Sustentable de Ceja
de Selva de la Universidad Nacional Toribio Rodrí-
guez de Mendoza, para su puesta en funcionamiento se
realizó la prueba del sensor solar en la transferencia de
señal al actuador lineal para el accionamiento del siste-
ma, seguidamente se procede a ubicar en paralelo a
ambos sistemas en orientación de sur a norte de tal
manera que ambos tengan la misma cantidad de inci-
dencia de radiación solar, mismos eventos climatoló-
gicos y además libres de sombra.
El sistema fotovoltaico con seguidor solar por su dise-
ño trabajó como barrera a la trayectoria del viento, por
tal razón se ha fijado en la plataforma para evitar su
remoción por la fuerza del viento tal como se muestra
en la siguiente Figura S7.
Rendimiento de los sistemas fotovoltaicos
Evaluación de un día
La Figura S8, muestra la evaluación del día 01 de
enero de 2022, tomando como resultado inicial la
evaluación del comportamiento de la potencia de cada
sistema, donde se visualiza que el sistema fotovoltaico
con seguidor solar toma gran ventaja en la generación
de electricidad frente al sistema fotovoltaico estático,
en la cual se observa que desde el punto 1.7 kWh a 2.50
kWh el sistema con seguimiento adquiere una poten-
cia contante frente al sistema estático.
Mientras que en la siguiente Figura S9, se muestra que
el sistema fotovoltaico con seguidor solar durante el
día de evaluación adquiere un 56 % de eficiencia sobre
el sistema fotovoltaico estático; generando 1.39 kWh
de energía eléctrica frente al sistema estático con un
0.89 kWh.
Evaluación por mes del comportamiento de los siste-
mas fotovoltaicos
En la Figura S10, muestra la generación de energía
entre el periodo enero a marzo, en la cual se observa
que el sistema fotovoltaico con seguidor solar genera
mayor electricidad frente al sistema fotovoltaico está-
tico. Así mismo el comportamiento frente a la irradian-
cia solar, se evidencia que la potencia generada de los
sistemas fotovoltaicos tiene una relación directa con la
variación de la irradiancia, donde el sistema con segui-
miento solar es más pronunciado.
De esta manera mediante la Figura S11, se muestra que
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el mes de febrero tiene un resultado más bajo de 37.74
kWh de energía eléctrica y un 23.20 kWh el estático,
2
con una presencia de irradiancia de 159.65 kWh/ m ;
así mismo el mes con mayor potencia es el mes de
enero, con un 43.03 kWh de energía eléctrica y un
2
26.82 kWh, con una irradiancia de 207.51 kWh/m .
En ese sentido de acuerdo a la Figura S12, se muestra
el resultado de tres meses de evaluación, mostrando la
comparación de la potencia generada en ambos siste-
mas mediante el rendimiento porcentual, donde el
sistema con seguimiento solar tiene una potencia acu-
mulada de 123.10 kWh de generación de energía eléc-
trica y un 76.18 kWh el sistema estático, lo que implica
que el sistema con seguimiento solar en un 61.67% es
más eficiente.
IV. DISCUSIÓN
En las últimas décadas, los sistemas de seguimiento
solar fijos o estáticos tienen gran utilidad, pero en la
actualidad, con el adelanto tecnológico e innovación,
la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos se está
incrementando con la utilización de los sistemas de
seguimiento solar de un solo eje y de dos ejes que ayu-
dan en el posicionamiento del panel solar en la trayec-
toria del sol de acuerdo con la estación y hora del día
(Hara et al., 2021). Los sistemas de seguimiento solar
es un aparato tecnológico que cumple una función en
aumentar la producción de energía de los sistemas
fotovoltaicos (Pelayo et al., 2018), dando un mejor
rendimiento en la producción de energía eléctrica por
la incidencia de los rayos solares sobre los paneles
fotovoltaicos.
Por tal razón en la presente investigación se construyó
una infraestructura metálica para un sistema fotovol-
taico con seguimiento solar de bajo costo, se ha utiliza-
do materiales e insumos que son accesibles en la nues-
tra comunidad, siendo la mayoría con excepción de la
tarjeta de toma de datos, actuador lineal y sensor de
seguimiento solar que son parte del análisis, esta deci-
sión fue en respuesta a la poca accesibilidad a estos
equipos a utilizar que hubieran elevado el costo de
construcción, pero minimizo enormemente la mano de
obra así como el tiempo que tomo la construcción de la
infraestructura del panel fotovoltaico.
Según López et al., (2018) en su investigación propuso
una estructura metálica que soporta al sistema fotovol-
taico con seguidor solar que fue construido en material
tubular de metal, con ángulos de metal y perfil tubular
rectangular; ayudando de esta manera a la firmeza de
la estructura; así mismo Contreras, (2018) en la ciudad
de Tacna desarrollo una infraestructura mecánica con
accesorios y materiales propios de la zona de investi-
gación, del mismo modo en la presente investigación
se utilizó materiales propios de la zona, con la diferen-
cia de los soportes tanto al sistema de control de movi-
miento como al de transmisión fueron construidos en
acero inoxidable más liviano, para su fácil maniobra.
Instalado el sistema fotovoltaico con seguidor solar se
procedió a realizar la comparación del rendimiento
frente al sistema fotovoltaico estático, tal como Liu et
al., (2021) realiza la comparación en su investigación;
en esta etapa se evidenció que la radiación solar ha
desempeñado un factor fundamental para la demostra-
ción de la eficiencia de ambos sistemas fotovoltaicos,
y de acuerdo a lo indicado en su investigación Arreola
G. y Quevedo, (2015) la intensidad de la radiación
solar, la orientación de cada sistema fotovoltaico y
ángulo de inclinación, así como los tipos de módulos
fotovoltaicos e inversor, son factores que influyeron en
la eficiencia de cada sistema fotovoltaico.
Por lo que la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos
con seguidor solar es mucho mayor que el sistema
estático, resultado similar a lo adquirido por Barbosa
de Melo, (2022) en su investigación donde logra
demostrar en su evaluación de sistemas fotovoltaicos
monocristalinos y policristalinos una ganancia consi-
derable en la generación de energía eléctrica; a su vez
se observa cómo alcanza valores elevados con rapidez
frente al sistema estático. Por lo que en esta investiga-
ción se logra un 61.67% de eficiencia del sistema con
seguidor solar en un panel de 275 Wp policristalino,
generando una alternativa a la rentabilidad energética
a través de los sistemas fotovoltaicos.
En la actualidad contar con la disponibilidad de un
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servicio de alumbrado dentro del domicilio en las
zonas rurales es difícil por lo disperso de los domici-
lios y altos costos que acarrea el cableado, por tal razón
una de las opciones convencionales más inmediatas es
la adquisición de un generador eléctricos a diésel o
gasolineros que generan niveles muy significativos de
contaminantes que tienen efectos irreversibles y nega-
tivos tanto a la humanidad como al medio ambiente
(Fadlallah, 2021). Mediante esta investigación se
muestra que la opción de contar con un sistema amiga-
ble al medio ambiente y sencillo de instalar se puede
obtener energía constante y económico con los siste-
mas fotovoltaicos (Rebolledo et al., 2022); sin embar-
go, se tiene que tener en cuenta que, el dispositivo de
mayor sensibilidad es la batería por lo que se debe
tener en cuenta las características y especificaciones
técnicas para las cargas máximas que deben soportar,
para minimizar las pérdidas económicas al no tener en
cuenta las características técnicas.
Finalmente, los resultados obtenidos se puede compa-
rar con otras investigaciones, en Brasil mediante la
investigación de Barbosa de Melo et al., (2022) logran
obtener un rendimiento del sistema fotovoltaico con
seguimiento solar de un 20% teniendo en cuenta las
condiciones climáticas e instalación del sistema con
un panel solar policristalino, mientras que en el desier-
to del Sahara mediante la investigación de Khadidja et
al., (2014) obtienen un rendimiento de 15% con rela-
ción al sistema fijo; así mismo en la ciudad de Tacna
De La Gala Contreras, (2018) en su investigación
logra una eficiencia de 2.45% en promedio con un
panel fotovoltaico policristalino. En presente investi-
gación se logró una eficiencia de 61.67%, siendo
superior a las investigaciones anteriores, por la razón
que se utilizó una infraestructura más estable y fácil de
maniobrar por el sensor solar, asi mismo los sistemas
fueron sometidos a las condiciones climáticas distin-
tas durante el periodo de avaluación.
V. CONCLUSIONES
El rendimiento del sistema fotovoltaicos con seguidor
solar con panel fotovoltaico policristalino de 275 Wp,
logra una eficiencia de 61.67% frente al sistema
estático, con una diferencia energética de 46.92 kWh
durante el proceso de evaluación incluso en las condi-
ciones más adversas, como días nublados y con pre-
sencia de lluvias. Por consiguiente, es la primera
investigación realizada en la región Amazonas, cuyos
resultados ayuda al cierre de brechas, al acceso de
energía y la electrificación rural, conllevando a una
mejor calidad de vida de las personas, buscando un
desarrollo sustentable y sostenible de los pueblos
alejados del sistema de electrificación nacional.
IX. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen por el financiamiento al Pro-
yecto CUI N° 2314875 – “Creación de los Servicios
del Centro de Investigación en Climatología y Ener-
gías Alternativas de la Universidad Nacional Toribio
Rodríguez de Mendoza de Amazonas – PROCICEA”
X. CONTRIBUCIÓN DE LOS AUTORES
Todos los autores participaron en la conceptualiza-
ción, metodología, investigación, redacción del
manuscrito inicial, revisión bibliográfica, y en la
revisión y aprobación del manuscrito final.
XI. CONFLICTO DE INTERESES
Los autores declaran no tener conflicto de intereses.
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