Análisis y mejoras en el movimiento de seguidores solares: aplicación al retroseguimiento

Abstract

El Sol es considerado como una fuente de energía inagotable, por lo que su estudio y caracterización constituyen una de las principales líneas de investigación, con el objeto de evaluar su incidencia en instalaciones de captación solar. En instalaciones PV con seguidores solares, resulta de suma importancia el estudio de aquellas variables susceptibles de proporcionar la orientación óptima para conseguir la máxima eficiencia desde el punto de vista energético. La irradiancia global se considera un parámetro fundamental para la caracterización solar, por lo que sus componentes (directa, difusa y reflejada) deben ser evaluadas para su óptima utilización. La componente directa está estrechamente ligada con la geometría Sol-Tierra ya que sus rayos asociados provienen directamente de la ubicación del Sol. Por otro lado, la componente difusa está formada por los rayos que llegan desde todas las direcciones de la bóveda celeste exceptuando la dirección Tierra-Sol, mientras que la componente reflejada depende del coeficiente de reflexión de la superficie también denominado albedo. Modelos de irradiancia tales como el de Hay-Davies y el modelo de Pérez, permiten relacionar la función de irradiancia con el vector solar ( ) y el vector normal de los colectores ( ). De esta forma, mediante un proceso de optimización basado en multiplicadores de Lagrange sujeto a una serie de restricciones impuestas, se consigue conocer a priori la orientación óptima de los colectores. Esta caracterización del óptimo del vector normal al colector ( ) se consigue tanto en seguidores solares de 1 como de 2 ejes, lo que establece un punto de partida para realizar el estudio de la interferencia entre seguidores, y, por consiguiente, determinar la existencia de sombreamiento. El análisis de dicho sombreamiento se realiza mediante elementos vectoriales tanto en el plano (1 eje) como en el espacio (2 ejes), empleando un criterio dicotómico basado en el álgebra de Minkowski. La determinación de la existencia de sombreo permite paralelamente establecer una alternativa a la orientación inicial mediante una reorientación del seguidor (retroseguimiento), siempre lo más próxima al valor de irradiancia óptima. En este contexto, la presente tesis doctoral avanza en el estudio del comportamiento de seguidores solares. Los objetivos explicitados en cada artículo son: - Maximizar la captación de radiación solar en seguidores de 1 y 2 ejes. - Optimizar trayectorias de seguimiento y su interacción con las variables del terreno. - Monitorizar el sistema de seguimiento. - Evaluar todas las componentes de irradiancia global (directa, difusa y reflejada). - Estudiar los efectos negativos de sombreamiento entre colectores y actuaciones a seguir en caso de que se produzca dicho efecto. - Proponer técnicas de retroseguimiento. - Estudiar la influencia de la geometría de colectores PV en la captación radiativa.

The sun is considered to be an inexhaustible source of energy, so its study and characterisation are two of the main lines of research, to evaluate with the aim of evaluating its impact on solar collection installations. In PV installations with solar trackers, it is extremely important to study those variables likely to provide the optimum orientation to achieve maximum efficiency from the energy point of view. Global irradiance is considered a fundamental parameter for solar characterisation, so its components (direct, diffuse and reflected) must be evaluated for its use. The direct component is closely linked to the Sun-Earth geometry as its associated rays come directly from the location of the Sun. On the other hand, the diffuse component is formed by the rays reaching from all directions of the celestial vault except the Earth-Sun direction, while the reflected component depends on the reflection coefficient of the surface, also called albedo. Irradiance models such as Hay-Davies and Perez, allow the irradiance function to be related to the solar vector ( ) and the normal vector of the collectors ( ). In this way, by means of an optimisation process based on Lagrange multipliers subject to a series of imposed restrictions, the optimal orientation of the collectors is known a priori. This characterisation of the optimum normal vector to the collector ( ) is achieved in both 1- axis and 2-axis solar trackers, which establishes a baseline for performing the study of interference between trackers, and, therefore, determining the existence of shading. The analysis of this shading is performed using vector elements both in the plane (1-axis) and in space (2-axis), using a dichotomous criterion based on Minkowski algebra. The determination of the existence of shading allows at the same time to establish an alternative to the initial orientation by means of a reorientation of the tracker (backtracking), but always as close as possible to the optimum irradiance value. In this context, this doctoral thesis advances in the study on the behaviour of solar trackers. The objectives expressed in each article are: - Maximising solar radiation collection in 1- and 2-axis trackers. - Optimising tracking trajectories and its interaction with terrain variables. - Monitoring the tracking system. - Evaluating all the global irradiance components (direct, diffuse and reflected). - Studying the negative effects of shading between collectors and actions to be adopted in the event of this effect occurring. -Proposing back-tracking techniques. - Studying the influence of the geometry of PV collectors on radiative capture.