El ingeniero industrial Mikel Arrubla Irigoyen ha desarrollado en su tesis doctoral, defendida en la UPNA, nuevas estrategias de control para que las grandes plantas fotovoltaicas produzcan más electricidad sin necesidad de instalar un mayor número de paneles. En su propuesta adapta la orientación de los módulos fotovoltaicos al relieve y a las condiciones del cielo
Los sistemas propuestos adaptan la inclinación de los módulos tanto a las condiciones atmosféricas como a las pendientes y desniveles del terreno. En superficies irregulares, los algoritmos definidos en esta investigación permiten aumentar entre un 4 % y un 5 % la producción anual respecto a los métodos convencionales, que presuponen que la superficie es horizontal. Al generar más electricidad con la misma infraestructura, estas técnicas pueden contribuir a reducir el coste de la energía producida por las grandes instalaciones fotovoltaicas.
La tesis doctoral, titulada «Estrategias avanzadas de seguimiento fotovoltaico adaptadas a diversas condiciones de cielo y terrenos irregulares«, se ha realizado dentro del programa de doctorados industriales del Gobierno de Navarra, en colaboración con Array Technologies, empresa fabricante de equipos de energía solar. Los directores de la citada tesis son dos investigadores del Instituto de Ciudades Inteligentes (ISC) de la UPNA: el catedrático Luis Marroyo Palomo y el profesor titular Miguel García Solano .
El trabajo combina modelos matemáticos, ensayos realizados en una instalación experimental, datos meteorológicos de diferentes ubicaciones y simulaciones aplicadas a terrenos correspondientes a proyectos reales. La investigación se ha centrado en dos factores que pueden reducir la productividad de las plantas: la variación de la radiación solar cuando el cielo está nublado y las sombras que se producen entre las filas de paneles cuando la instalación se encuentra sobre un terreno irregular.
Estructuras que siguen el recorrido del Sol
«Una de las estructuras que más contribuye al objetivo de aumentar la productividad de las grandes instalaciones fotovoltaicas son los seguidores solares de eje horizontal», apunta Mikel Arrubla. Se trata de estructuras móviles sobre las que se colocan los módulos fotovoltaicos. A diferencia de las instalaciones fijas, estos sistemas giran a lo largo del día modificando la inclinación de los paneles y acompañando el recorrido del Sol. «Esta capacidad de seguimiento puede aumentar la producción de energía entre un 15 y un 30 % respecto a una instalación fija ─explica Mikel Arrubla─. Actualmente, aproximadamente el 60 % de las grandes plantas solares incorpora seguidores de un eje horizontal».
La posición de estas estructuras está controlada por algoritmos que calculan la inclinación que deben adoptar los paneles en cada momento. El método habitual, denominado seguimiento astronómico, orienta los módulos de forma que queden lo más perpendiculares posible a los rayos solares. Esta posición resulta adecuada cuando el cielo está despejado y la mayor parte de la radiación procede directamente del Sol. Sin embargo, cuando el cielo está nublado o parcialmente cubierto, «la mayor parte de la radiación llega en forma difusa», pues se dispersa en la atmósfera y las nubes, por lo que procede de distintas zonas del cielo, no solo de la dirección en la que se encuentra el Sol.
Una orientación adaptada a los cielos nublados
Cuando predomina la radiación difusa, orientar los paneles directamente hacia el Sol no siempre permite captar la mayor cantidad de energía. La inclinación más adecuada depende de la proporción de radiación directa y difusa disponible y del efecto que ejercen las filas próximas de seguidores, que pueden bloquear una parte de la radiación que llega a los módulos.
Para estudiar este fenómeno, el investigador ha desarrollado y validado experimentalmente un modelo que calcula la radiación recibida por los paneles y tiene en cuenta la presencia de las filas adyacentes. También ha obtenido dos fórmulas matemáticas que permiten determinar el ángulo de inclinación con el que los módulos pueden captar más radiación en diferentes condiciones del cielo. Estas fórmulas permiten conocer cuál sería la posición óptima de los paneles en cada momento. No obstante, mantenerlos continuamente en ese ángulo de inclinación no es viable en una instalación real, porque los seguidores tienen una velocidad de giro limitada y tendrían que realizar un número excesivo de movimientos.
El cálculo de la posición ideal se ha utilizado, por tanto, como referencia para diseñar estrategias aplicables en una planta. Los nuevos algoritmos detectan las condiciones del cielo y modifican la orientación de los módulos en tiempo real, pero limitan el número movimiento de los seguidores para afectar lo menos posible la vida útil de sus elementos.
Las estrategias se han diseñado tanto para módulos monofaciales, que captan la radiación por su cara delantera, como para módulos bifaciales, que, además, también captan radiación por la parte posterior.
Los resultados indican que estas estrategias alcanzan aproximadamente el 60 % de la mejora máxima calculada respecto al seguimiento convencional, según el autor de la tesis. Esta cifra no significa que la planta produzca un 60 % más de electricidad, sino que los algoritmos aprovechan alrededor de seis de cada diez unidades de energía adicional que podrían obtenerse, en teoría, si los paneles pudieran permanecer en todo momento en la orientación ideal. Esta mejora se alcanza «sin aumentar prácticamente los movimientos realizados por los seguidores», añade el investigador.
Reducción de las sombras entre filas de paneles
La segunda línea de investigación se ha centrado en las sombras que unas filas de módulos pueden proyectar sobre otras. Este problema aparece principalmente durante las primeras y las últimas horas del día, cuando el Sol se encuentra cerca del horizonte. Para reducir esas sombras, las plantas fotovoltaicas utilizan una técnica denominada «retroceso». El sistema modifica la inclinación de los paneles en dirección contraria al Sol para evitar la presencia de sombras, ya que estas pueden afectar gravemente a la generación e integridad de los paneles.
«El problema es que los algoritmos de backtracking convencionales consideran que el terreno es plano o uniforme —indica Mikel Arrubla—. Pero la realidad es que los terrenos en los que se instalan las plantas son irregulares, con pendientes y desniveles variables entre los seguidores. En esos casos, el algoritmo tradicional provoca sombras que llevan a pérdidas de energía, en muchos casos, evitables”.
La tesis propone nuevas estrategias de «retroceso» que incorporan la pendiente del terreno y las diferencias de altura entre los seguidores. Los algoritmos también tienen en cuenta las características eléctricas de los módulos y su respuesta ante las sombras. El trabajo incluye tanto los paneles de célula completa como los de media célula, tecnología esta última «cada vez más extendida en el mercado», pero cuya configuración eléctrica responde de forma diferente ante las sombras parciales.
Ganancias de hasta el 7 %
Las simulaciones realizadas en terrenos irregulares y bajo condiciones reales de funcionamiento muestran que los nuevos algoritmos de «retroceso» permiten aumentar entre un 4 % y un 5 % la producción energética anual respecto al método tradicional, basado en la suposición de que la superficie es horizontal. En condiciones de cielo completamente despejado, las ganancias calculadas se sitúan entre un 5 % y un 7 %. En ocasiones, estas mejoras requieren un incremento inferior al 10 % en el movimiento de los seguidores.
El modelo de radiación, el cálculo de la posición óptima y las fórmulas matemáticas desarrolladas en la tesis se han validado en una planta fotovoltaica experimental situada en las instalaciones de la Asociación de la Industria Navarra (AIN), en Cordovilla. Los algoritmos también se han evaluado mediante simulaciones que utilizan datos meteorológicos procedentes de diferentes emplazamientos. Por su parte, las estrategias destinadas a reducir las sombras se han aplicado a la geometría de terrenos correspondientes a proyectos de la empresa colaboradora.
«Estas mejoras contribuyen a reducir el coste de la energía solar en grandes instalaciones, haciéndola todavía más competitiva en el contexto de la transición energética», concluye el investigador.
Breve currículum
Mikel Arrubla es graduado en Tecnologías Industriales por la UPNA, donde también cursó el máster universitario en Ingeniería Industrial, con especialidad en Generación Eléctrica y Energías Renovables, y el doctorado industrial sobre tecnología fotovoltaica.
Entre abril de 2022 y noviembre de 2025, trabajó como ingeniero de investigación y desarrollo (I+D) en Array Technologies. Durante este periodo, su actividad se centró en el modelado de la radiación solar, el análisis de las pérdidas provocadas por las sombras y el diseño de estrategias de seguimiento para módulos monofaciales y bifaciales instalados sobre seguidores de un eje horizontal.
Parte de su investigación se ha presentado en congresos organizados por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) y se ha publicado en la revista científica Solar Energy.
