Seguidor solar con Arduino: guía avanzada y práctica

Objetivo: diseñar y construir un seguidor solar (single-axis o dual-axis) controlado por Arduino que mantenga un panel fotovoltaico perpendicular al Sol para maximizar la irradiancia sobre el plano del módulo. Iremos desde la geometría solar y el dimensionamiento mecánico, hasta el control eléctrico, el firmware y la validación con datos. Todo se explica con rigor y en lenguaje claro.

1) ¿Qué es un seguidor solar y por qué conviene?

Un seguidor solar (solar tracker) orienta el panel para reducir el ángulo de incidencia entre los rayos del Sol y la superficie del módulo. Cuanto más perpendicular es la luz, mayor irradiancia efectiva (W/m²) y más energía diaria (Wh).

• Ganancia típica:

  • 1 eje (E–O): +10–25% anual según latitud, estación y nubes.

  • 2 ejes (E–O y elevación): +25–40% respecto a montaje fijo óptimo.

• Costo/beneficio: la ganancia debe superar el consumo del actuador y las pérdidas del sistema (rodamientos, viento, ensuciamiento). En módulos pequeños la electrónica pesa más; en arreglos medianos, el tracker suele pagar su complejidad.

Conclusión operativa: en proyectos académicos, el 1 eje logra un equilibrio ideal entre complejidad y ganancia; el 2 ejes es perfecto para investigación y caracterización.

2) Geometría solar sin miedo: lo que necesitas de verdad

2.1 Conceptos clave

• Latitud $\phi$, longitud $\lambda$ (positiva al Este).

• Día juliano o día del año $N$(1–365/366).

• Declinación solar $\delta$: inclinación del eje solar respecto al ecuador terrestre (≈ ±23.45°).

• Ecuación del tiempo (EOT): corrige la diferencia entre tiempo solar y civil.

• Ángulo horario $H$: 0° al mediodía solar; positivo hacia la tarde.

• Altura (elevación) $\alpha$ y acimut $\psi$ del Sol.

2.2 Fórmulas prácticas (precisas para control)

Usaremos una aproximación estándar con año no bisiesto (extiéndela si hace falta):

1. Fracción del año

$$\gamma = \frac{2\pi}{365}\left(N-1 + \frac{\text{hora}-12}{24}\right)$$

2. Ecuación del tiempo (min)

$$\mathrm{EOT}= 229.18\,(0.000075+0.001868\cos\gamma-0.032077\sin\gamma-0.014615\cos2\gamma-0.040849\sin2\gamma)$$

3. Declinación $\delta$ (rad)

$$\delta = 0.006918 - 0.399912\cos\gamma + 0.070257\sin\gamma - 0.006758\cos2\gamma + 0.000907\sin2\gamma - 0.002697\cos3\gamma + 0.00148\sin3\gamma$$

4. Hora solar verdadera (min)

$$\mathrm{HST} = \text{minutos\_zona} + 4\,\lambda + \mathrm{EOT}$$

($\text{minutos\_zona}$ = desfase del huso; en UTC−06 son −360)

5. Ángulo horario $H$ (rad)

$$H = \frac{\pi}{720}\,(\mathrm{HST}-720)$$

6. Altura $\alpha$ y acimut $\psi$

$$\sin\alpha = \sin\phi\sin\delta + \cos\phi\cos\delta\cos H$$$$\psi = \operatorname{atan2}\Big(\!-\sin H,\; \tan\delta\cos\phi - \sin\phi\cos H\Big)$$

Con $\alpha$ y $\psi$ defines el punto de consigna del tracker: para 2 ejes, apunta elevación=$\alpha$, acimut=$\psi$. Para 1 eje E–O, fija la inclinación y sigue $H$ (o $\psi$).

Insight: esta ruta “astronómica” es open-loop (no depende de sensores ópticos), por lo que no se “confunde” con nubes. Puedes combinarla con sensores para ajuste fino.

3) Estrategias de control: open-loop, closed-loop o híbrido

• Open-loop con algoritmo solar: calcula la posición del Sol a partir de fecha, hora, lat/long y envía consignas a motores. Ventaja: robusto a nubes y sombras locales. Requiere RTC (reloj de tiempo real) y geolocalización fija.

• Closed-loop con fotodiodos/LDR: dos pares de sensores separados por una barrera (baffle) dan un error diferencial (izq–der, arriba–abajo). Ventaja: autoajuste sin datos astronómicos; desventaja: se “equivoca” con reflejos o nubes asimétricas.

• Híbrido: usa open-loop como trayectoria base y closed-loop para trim (±1–2°). Es, en la práctica, la solución más estable para Arduino.

4) Mecánica del tracker: elegir actuadores y calcular resolución

4.1 Tipos de actuadores

• Servos RC (MG995/MG996R, 180°): simples, ya traen control de posición; torque moderado.

• Steppers (NEMA 17/23 + A4988/DRV8825): excelente precisión y control de micro-pasos; requieren fin de carrera para homing.

• Motores DC + potenciómetro: económicos; se necesita H-bridge y retroalimentación analógica.

• Actuadores lineales: ideales para elevación (par alto, facilidad de fijación); control como DC o con potenciómetro interno.

4.2 Resolución angular (de pasos a grados)

Con un stepper de 200 pasos/vuelta y microstepping 1/8, obtienes 1600 micro-pasos/vuelta. Si la reducción mecánica (correa o tornillo) es $R$ vueltas por 360°, la resolución angular es:

$$\text{grados/micro-paso} = \frac{360}{1600\,R}$$

Para un R=4 (reductor 4:1), resolución ≈ 0.056°/µ-paso, más que suficiente (el lóbulo angular de un panel pequeño es ~±3–5°).

4.3 Carga de viento y “modo estiba”

El viento impone el peor caso mecánico. Prevé un modo de seguridad que lleve el panel a elevación baja y acimut paralelo al viento cuando supere cierto umbral (sensor anemómetro o regla de tiempo). Coloca topes mecánicos y limit switches.

5) Electrónica de potencia y sensórica (sin ruido… ni humo)

Arquitectura típica (2 ejes híbrido):

• Arduino Nano/Uno + RTC DS3231 (tiempo exacto).

• Driver stepper por eje (DRV8825 con disipador) o servos si el torque lo permite.

• LDRs (4 unidades) en puente con R iguales y baffles (cruz).

• Endstops (NC) para homing y seguridad.

• Fuente: batería 12 V o 24 V → buck a 5 V (Arduino/RTC) y rails para drivers/servos.

• Protecciones: fusible, TVS, diodos flyback (si DC), GND común, cables AWG adecuados, ferritas/convenciones de tierra en estrella.

Buen hábito: separa potencia (motores) de señal (LDR/RTC) físicamente; filtra con capacitores cerca de los drivers y del Arduino (100 nF + 10–47 µF).

6) Presupuesto energético: que el tracker no se “coma” la ganancia

Tu control consume energía (motores, electrónica). La condición de diseño es:

$$E_{\text{ganada por seguimiento}} > E_{\text{consumida por control}}$$

Minimiza consumo:

• Usa sleep del microcontrolador y pasos discretos (mover 1–2° cada cierto tiempo, no continuo).

• Servos: alimentar solo al mover (con MOSFET).

• Steppers: baja la corriente de mantenimiento en driver (decay adecuado) o desactiva el enable si el sistema es auto-bloqueante.

7) Calibración: que tu “0°” sea realmente 0°

1. Nivelación: el bastidor del tracker debe estar nivelado (burbuja o inclinómetro).

2. Homing: lleva el eje a tope mecánico y marca “0”. Usa endstop NC y establece offset mecánico si el tope no es el Este exacto.

3. Verificación al mediodía: compara el acimut calculado con una brújula (corrigiendo declinación magnética local) o con sombras de un gnomon (método solar). Ajusta offset hasta que la normal del panel apunte al Sol en dos horarios distintos del día.

8) Validación con datos: demuestra la ganancia

Diseña una prueba de A/B:

• A (fijo): panel a inclinación óptima fija.

• B (tracker): mismo panel con seguimiento.

Mide Wh durante 2–3 días con condiciones comparables (usa dos cargadores DC idénticos hacia la misma batería/lastre). Grafica potencia vs tiempo y energia diaria. Calcula:

$$\text{Ganancia} (\%) = 100\cdot \frac{E_B - E_A}{E_A}$$Compensa el consumo del tracker (motores/Arduino). Documenta sombras, nubes y limpieza para hacer la comparación justa.

9) Errores y cómo evitarlos (experiencia destilada)

• Backlash y bamboleo: holguras → dienteado mejor o pretensión de correa.

• Cables rígidos que “empujan” el eje: usa mangueras flexibles y loop generoso.

• LDR sin baffles: el sol difuso engaña; la barrera es obligatoria.

• Drivers calientes: disipa DRV8825, ajusta Vref a la corriente del motor.

• Calibres insuficientes: caída de tensión = torque bajo; usa AWG correcto.

• Sin estiba por viento: define ángulo seguro y un umbral para activarlo.

• Consumo excesivo: reduce tasa de actualización, duerme el MCU, deshabilita corriente de holding cuando no sea necesaria.

10) Extensiones para investigación

• PID sobre error angular (de LDR o encoder) para estudiar sobre-impulso.

• Encoder absoluto por eje para posición real independiente del stepper.

• Anemómetro y modo estiba automático.

• Telemetría (LoRa/Wi-Fi) con envío de $\alpha,\psi$, pasos, Vref, T° del driver.

• Comparativa de estrategias: open-loop puro vs híbrido vs closed-loop; cuantifica tiempo a consigna, oscilación y energía consumida.

11) Lista de materiales de referencia (ajústala a tu taller)

• Arduino Nano/Uno, RTC DS3231, protoboard/PCB.

• 2× stepper NEMA 17 + 2× DRV8825 (o 2× servos MG996R si el panel es ligero).

• 4× LDR + resistencias 10 kΩ (divisores) + baffles impresos/PLA.

• 2× endstops (NC), cables AWG 22 señal / AWG 18–20 potencia.

• Fuente: batería 12 V + buck 5 V (3 A) + fusibles (5–10 A).

• Mecánica: rodamientos, correa GT2 o sinfín/tornillo, soportes, estructura de aluminio/madera.

• Opcional: inclinómetro/IMU, encoder absoluto, anemómetro.

12) Seguridad y buenas prácticas

• Desenergiza antes de ajustar mecánica; cuidado con dedos cerca de engranes y correas.

• Separa baja señal de potencia; enruta alambres evitando lazos.

• Fusibles cercanos a la fuente; carcasa con ventilación; drivers con disipador.

• Panel sujeto con herrajes y arandelas grower; anclajes contra viento.

• Señaliza el área de pruebas y usa gafas al taladrar o cortar.

13) Conclusión

Un seguidor solar con Arduino es un proyecto excelente para integrar física, electrónica de potencia, control, programación y mecánica. Si dominas la geometría solar y diseñas con criterio el actuador y el firmware, obtendrás un sistema que no solo “sigue” al Sol: aprende del entorno, se protege ante viento y justifica su existencia con datos.

14) Apéndice rápido: conversión acimut/elevación → pasos de motor

Para cada eje:

$$\text{pasos} = \frac{\text{ángulo\_objetivo (°)} - \text{offset (°)}}{\text{°/paso}}$$con $$\text{°/paso} = \frac{360}{\text{pasos\_motor} \times \text{microsteps} \times \text{relación}}$$Aplica rampas (aceleración) si usas steppers: evita pérdida de pasos.

15) Lecturas y recursos recomendados (lista aparte, sin incrustar en el texto)

• Fundamentos de geometría solar (declinación, EOT, acimut/elevación).

• Notas sobre control de motores (servos, steppers, DRV8825/A4988, H-bridge).

• Manuales de RTC DS3231 y librerías Arduino.

• Diseños mecánicos de trackers educativos (correa GT2, tornillo sinfín, actuador lineal).

• Documentos sobre evaluación energética en arreglos con seguidor vs fijos.

Artículos de la serie

• Fundamentos: ¿Qué es la energía solar y cómo funciona?
• Comparativa: Térmica vs. Fotovoltaica
• Proyectos previos: Horno solar con cartón y papel aluminio, Lámpara solar con botellas recicladas, Experimento de calentamiento de agua con PET, Ventilador solar con motor reciclado, Panel solar para cargar tu celular, Sistema de riego por goteo con bomba solar

FAQ

1) ¿Cuánta ganancia energética aporta un seguidor solar?
Un eje suele aportar 10–25% anual y dos ejes 25–40% respecto a un fijo óptimo; depende de latitud, estación, nubes y sombras.

2) ¿Qué diferencia hay entre 1 eje y 2 ejes?
1 eje: sigue Este–Oeste con inclinación fija; menor complejidad. 2 ejes: añade elevación, maximiza perpendicularidad y la energía diaria, pero complica mecánica y control.

3) ¿Uso LDR o algoritmo astronómico?
LDR se autoajusta pero puede engañarse con nubes; el algoritmo es robusto y no depende del clima. Híbrido = open-loop + trim por LDR (±1–2°).

4) ¿Cómo calcula Arduino el acimut y la elevación?
Con RTC, latitud y longitud calcula ecuación del tiempo, declinación y ángulo horario; de ahí obtiene acimut y elevación con trigonometría.

5) ¿Qué motores y drivers son adecuados?
Para precisión, NEMA 17 + DRV8825 con reducción. Para cargas ligeras, servos MG996R simplifican. Endstops para homing y seguridad.

6) ¿Cómo evito que el consumo del tracker anule la ganancia?
Movimientos discretos, sleep del MCU, corriente de mantenimiento mínima, fricción baja y backlash controlado.

7) ¿Cómo se calibra el cero del seguidor?
Nivelación, homing contra tope con endstop, offsets en software y verificación al mediodía con brújula o gnomon.

8) ¿Qué es el modo estiba por viento y cómo se implementa?
Posición segura (baja elevación y acimut alineado al viento). Se activa por anemómetro o horario; define límites mecánicos y en firmware.

9) ¿Qué alimentación eléctrica conviene?
12 V (o 24 V) para motores; buck 5 V para Arduino/RTC. Fusibles, TVS, AWG correcto y tierra en estrella para evitar ruido.