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19 de mayo de 2009 - El impacto del viento en las instalaciones
EL IMPACTO DEL VIENTO EN LAS INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
El viento es el movimiento del aire que se produce entre dos áreas de la tierra con distintas presiones atmosféricas para compensar el desequilibrio. El aire se dirige desde las áreas de altas presiones hacia las de bajas presiones. Suele asociarse a la llegada de borrascas, tormentas y perturbaciones en general aunque también esta presente en áreas desérticas debido a las bajas térmicas que se producen con el calor.
En la tecnología de instalaciones de energía fotovoltaica (sobre todo en el caso de seguidores de grandes dimensiones), las ráfagas de viento pueden producir problemas debido a que el seguidor solar presenta una forma aplanada que es la más adecuada para captar la radiación solar pero que, sin embargo, también le hace más sensible a la acción del viento.
El "efecto vela" que se puede producir en un seguidor solar puede resultar peligroso si no se toman las medidas precisas. Un viento lo suficientemente fuerte puede llegar a hacer volar paneles e incluso puede derribar seguidores con la consiguiente pérdida del componente y el peligro de ocasionar daños materiales y/o personales.
El viento de velocidad “v” (m/s) produce una presión dinámica “w” (kg./m2), en los puntos donde su velocidad se anula. Esta presión dinámica depende básicamente de la altura del seguidor y de su situación topográfica (costas, valles estrechos, bordes de mesetas, alta montaña o acantilados).
El viento más peligroso para un seguidor solar es el que se dirige hacia el ecuador (viento proveniente del Norte en el hemisferio Norte y del Sur en el hemisferio Sur), ya que es el que ejerce más fuerza dado que incide perpendicularmente en toda la superficie de paneles (Figura 1). En el caso en el que el viento tenga una dirección distinta, la fuerza se reparte por la superficie inclinada (Figura 2).
(En la imagen la franja roja representa la porción de viento con fuerza máxima que incide en cada panel en función de la inclinación que tiene con respecto a él. Empíricamente se observa que, cuando el viento incide perpendicularmente, es cuando ejerce más fuerza).
Al incidir este viento por la parte trasera del seguidor solar, ejercerá una fuerza de tracción sobre los anclajes que es la que resulta más peligrosa (Figura 1). Cuando el viento provienes del ecuador y aunque incida también sobre el seguidor solar perpendicularmente, en este caso la fuerza actúa a compresión, transmitiéndole en su estructura a los soportes y de ahí al suelo disipándose en gran medida (Figura 2).
Figura 1: Viento con dirección al ecuador que incide en la parte trasera del panel y genera un impulso a tracción.
Figura 2: Viento con dirección al polo que genera un impulso a compresión el cual se transmite al soporte y al suelo.
Medidas de Prevención para contrarrestar posibles repercusiones negativas.
Para evitar que el viento en algún momento pueda llevarse volando módulos o llegar incluso a derribar el seguidor es preciso que la estructura de soporte ejerza una fuerza hacia el suelo igual a aquella que el viento sea capaz ejercer sobre el seguidor. Es decir habrá que “lastrar” la estructura de tal forma que, al menos, se iguale la fuerza máxima “histórica” que haya tenido el viento en la zona en la que se encuentre la instalación.
Para ello se deberán de calcular adecuadamente el bastidor (también denominado tablero, estructura portaplacas o portapapeles) - tomando en consideración las fuerzas del viento, las cargas de nieve, las cargas de la propia estructura y el peso medio de los paneles-, el sistema de apoyo (también denominado base o cuerpo central) y la cimentación.
También será preciso emplear tornillería de primera calidad resistente a la corrosión.
Todo ello contribuirá a evitar el desgaste de fatiga que se produce en el material debido a los esfuerzos cíclicos de signo contrario que aparecen, a causa del viento, durante el funcionamiento de los equipos.
Medidas de Diseño de las estructuras de energía solar fotovoltaica
En el cálculo de la estructura de soporte de placas solares se considerarán simultaneidad de acciones (gravitatoria, del viento, térmica, reológica, sísmica y del terreno), aunque por su tipología habitual, las acciones de efectos más desfavorables serán las del viento.
El proyecto de Cálculo de la estructura de energía solar fotovoltaica según el Código Técnico de la Edificación (CTE) deberá constar de una Memoria Técnica que respalde los resultados obtenidos y deberá estar visado por el Colegio de Arquitectos.
Para contrastar los cálculos obtenidos, el modelo se puede someter a un túnel de viento virtual que comprueba y verifica la resistencia real de la estructura hasta vientos de 150 km/h, aunque en la operativa del seguidor los vientos máximos en posición de trabajo se consideren más reducidos, de lo contrario para soportar esos esfuerzos sería necesario un reforzamiento de la estructura, que conlleva mayor peso de la misma y sobredimensionamiento de los elementos que haría inviable el seguidor.
Por ello, la estructura de energía solar fotovoltaica se diseña para resistir la mayor fuerza del viento (velocidades hasta de 70/90 km/h) en su posición de trabajo, manteniendo el ángulo correspondiente.
En caso de que el viento sea superior a su capacidad de resistencia en el ángulo de trabajo, el seguidor se moverá automáticamente (dirigido por un autómata PLC de seguimiento que controla la señal procedente de un anemómetro situado en el seguidor o de una estación meteorológica del parque) en su eje horizontal hasta llegar a su posición de protección (en caso de vientos superiores a los estimados).
Todo lo anteriormente expuesto es válido independientemente del tipo de soporte de que se trate.
* Soporte ESTÁTICO: Soporte sencillo sin movimiento Dependiendo de la latitud de la instalación y de la aplicación que se quiera dar, se dota a los paneles de la inclinación más adecuada para captar la mayor radiación solar posible. Es el sistema más habitual que se encuentra en las instalaciones
* Soporte DE SEGUIMIENTO SOLAR DE UN EJE: Estos soportes realizan un cierto seguimiento solar. La rotación del soporte se hace por medio de un solo eje, ya sea horizontal, vertical u oblicuo. Este tipo de seguimiento es el más sencillo y el más económico resultando sin embargo incompleto ya que sólo podrá seguir o la inclinación o el azimut del sol, pero no ambas a la vez.
* Soporte DE SEGUIMIENTO SOLAR DE DOS EJE: Con este sistema ya es posible realizar un seguimiento total del sol en altitud y en azimut y siempre se conseguirá que la radiación solar incida perpendicularmente obteniéndose la mayor captación posible. Existen tres sistemas básicos de regulación del seguimiento del sol por dos ejes:
- Sistemas mecánicos.- El seguimiento se realiza por medio de un motor y de un sistema de engranajes. Dado que la inclinación del sol varía a lo largo del año es necesario realizar ajustes periódicos, para adaptar el movimiento del soporte.
- Mediante dispositivos de ajuste automático.- El ajuste se realiza por medio de sensores que detectan cuando la radiación no incide perpendicular al panel corrigiéndose la posición por medio de motores.
Se estima que con estos sistemas se puede lograr un aumento de entre el 30% y el 40% de la energía captada.
Planes de Mantenimiento Preventivo de las Instalaciones Solares Fotovoltaicas
Para asegurar el funcionamiento, aumentar la fiabilidad y prolongar la vida de la instalación solar fotovoltaica, se definen dos escalones complementarios de actuación:
a) plan de vigilancia.
b) plan de mantenimiento preventivo.
• Plan de vigilancia. Aquellas operaciones que permiten asegurar que los valores operacionales de la instalación son correctos en base a la simple observación de los parámetros funcionales principales (energía, tensión etc.), verificándose así el correcto funcionamiento de la instalación, incluyendo la limpieza de los módulos en el caso de que sea necesario.
• Plan de mantenimiento preventivo.
1. Son operaciones de inspección visual, verificación de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación fotovoltaica deben permitir mantener dentro de límites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones, protección y durabilidad de la instalación.
2. Debe realizarse por personal técnico competente que conozca la tecnología solar fotovoltaica y las instalaciones eléctricas en general. La instalación tendrá un libro de mantenimiento en el que se reflejen todas las operaciones realizadas así como el mantenimiento correctivo.
3. Ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento y sustitución de elementos fungibles ó desgastados por el uso, necesarias para asegurar que el sistema funcione correctamente durante su vida útil.
4. Incluirá, al menos, una revisión semestral en la que se realizarán las siguientes actividades:
a) comprobación de las protecciones eléctricas;
b) comprobación del estado de los módulos: comprobar la situación respecto al proyecto original verificar el estado de las conexiones;
c) comprobación del estado del inversor: funcionamiento, lámparas de señalizaciones, alarmas, etc.;
d) comprobación del estado mecánico de cables y terminales (incluyendo cables de tomas de tierra y reapriete de bornas), pletinas, transformadores, ventiladores/extractores, uniones, reaprietes, limpieza.
Vida útil de una Planta de Energía Solar Fotovoltaica
La vida útil de una planta de energía solar fotovoltaica es la de sus componentes. Si la planta está diseñada correctamente y se realiza el mantenimiento recomendado, se pueden esperar en España los siguientes valores:
• Módulos: vida esperada de más de 40 años.
• Electrónica: vida útil de más de 30 años.
• Baterías: más de 10 años para las baterías de ácido-plomo, y más de 20 años para las baterías salcalinas-níquel-cadmio.
• Elementos auxiliares de la instalación: cableado, canalizaciones, cajas de conexión, etcétera, pueden durar más de 40 años.
Respecto a las instalaciones solares fotovoltaicas, apuntar finalmente que los últimos datos hechos públicos por la Comisión Nacional de la Energía (CNE) elevan a 3.204 MW la potencia fotovoltaica instalada en España. Son cifras oficiales, es decir cuyas facturas han llegado a la CNE, con las que se cierra definitivamente el año 2008. Los datos oficiales de la CNE sitúan la potencia fotovoltaica en 3.204 MW distribuidos en 48.581 instalaciones que vendieron, que inyectaron a la red, 2.335 GWh eléctricos.
Normativa y Legislación relacionada
• Documento Básico de Seguridad DB-SE-AE (CTE)
• Documento Básico de Seguridad DB-SE-C Cimientos (CTE)
• Documento Básico de Seguridad DB-SE-A Estructuras de Acero (CTE)
• Documento Básico HE Ahorro de Energía. Sección HE 5 (CTE)
• Real Decreto 1663/2000, de 29 de septiembre, sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión.
• Ley 54/1997, de 27 de noviembre, del Sector Eléctrico.