Presentado en el World Congress on Engineering 2013, en Londres

Estudio para la protección de una instalación de paneles PV contra las cargas debidas al viento

Joaquín Menacho y Andrés A. García Granada. IQS School of Engineering (Universitat Ramon Llull, Barcelona)

30/09/2013
En los últimos años se han publicado numerosos estudios acerca de la acción del viento sobre los seguidores solares, debido al rápido crecimiento del número de centrales PV. Algunos trabajos han tomado un enfoque experimental, utilizando túneles de viento (Mohapatra, 2011; Pfahl et al., 2011). Otros trabajos han abordado el mismo tema utilizando simulaciones fluidodinámicas (Hernandez et al., 2009; Wang et al., 2011). En la mayor parte de los casos, el estudio se limitaba al efecto del viento sobre un único seguidor solar. Sin embargo, la mayor parte de instalaciones están formadas por un cierto número de paneles dispuestos en forma de matriz. El efecto del viento sobre estos conjuntos de seguidores aún no ha sido bien estudiado (Shademan and Hangan, 2010). El trabajo que aquí presentamos trata de estudiar el efecto del viento sobre un conjunto de seguidores solares alineados de esta forma. Parte de este estudio fue presentado por los autores en el World Congress on Engineering (Londres, julio 2013).
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Fig. 1: Los cálculos en este estudio se han realizado utilizando Solid Works Flow Simulation, de Dassault.

La finalidad del estudio es doble: por un lado, se trata de estudiar el efecto de la posición de cada uno de los paneles solares en el conjunto de la instalación en lo que se refiere a la carga soportada por el efecto del viento; en segundo lugar, se trata de un estudio preliminar orientado a proponer alguna forma de protección contra el viento en las instalaciones PV, mediante la instalación de un panel protector situado en la dirección de los vientos dominantes. Para ello se ha recurrido a una metodología de ‘experimentación virtual, mediante un software de cálculo CFD, sobre un modelo concreto.

Modelo utilizado

El modelo estudiado está compuesto por una matriz de 5 x 5 seguidores solares, sobre una superficie plana. Los paneles son de 7 x 4.5 m, con una elevación de 45º. La altura del centro de los paneles es de 2 m (Fig. 2). La protección propuesta consiste en una lámina de 40 m de longitud, con una inclinación de 45º: como se puede ver en la figura, cubre completamente las filas centrales de paneles, pero sólo parcialmente las filas más exteriores.

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Fig. 2: La matriz de paneles PV (dimensiones en mm).

Los cálculos se han realizado utilizando Solid Works Flow Simulation, de Dassault. Este software permite la resolución de la fluidodinámica en el dominio escogido, pudiendo obtener fácilmente los esfuerzos soportados por las superficies de los paneles PV. El dominio computacional estudiado es de 200 x 70 x 15 m. El mallado da 1.2 millones de elementos, con un refinado automático. Se ha simulado viento de cara y de cola (respecto a los seguidores solares) para una velocidad de 100 km/h (27.8 m/s). Se han calculado los esfuerzos soportados por los paneles situados en diferentes posiciones.

Influencia de las diferentes posiciones dentro de la matriz de paneles

Los parámetros que se han tenido en cuenta son la posición del panel en el conjunto, la altura del panel protector y su distancia respecto a la matriz de paneles PV. Se han estudiado cuatro posiciones diferentes, tal y como se indica en la figura 3. La primera posición situada en el primer lugar de la fila más exterior, no bien cubierta por el panel de protección. La posición 2 está en el primer lugar de la fila central, la posición más cercana al panel de protección. La posición 3 es una posición centrada en la matriz de paneles. Finalmente, la posición 4 está en la esquina final de la matriz: mal protegida por el panel de protección pero resguardada por los seguidores situados delante de ella.

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Fig. 3: Matriz de paneles PV, y posiciones estudiadas.

Como puede verse en la figura 4, un viento de cara de 100 km/h representa unas cargas muy considerables sobre los paneles PV. Pero estas cargas son muy diferentes según la posición que cada seguidor solar ocupa dentro del campo. Un panel interior a la matriz (posición 3) soporta un momento de cabeceo cuatro veces menor que un panel situado en el frente (posición 1 y 2).

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Fig. 4: Efecto de un viento de cara de 100 km/h (28 m/s): momento soportado por un panel entorno a su eje transversal (Z), que tiende a producir un movimiento de cabeceo.

Efecto de un panel de protección

El segundo objetivo del estudio es realizar una estimación preliminar de la influencia de un panel protector sobre las cargas debidas al viento. La distancia mínima entre este panel y el conjunto de los seguidores solares depende de su geometría y de la latitud de la instalación.

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Fig. 5: Distancia mínima entre el panel de protección y la matriz de seguidores solares, según la latitud. Para un panel de protección inclinado 45º y 4.5 m (rojo) ó 5.5 m (azul) de anchura.

Como puede verse en la figura 5, para el modelo estudiado y una latitud en torno a los 40º, la distancia no debe ser muy inferior a los 10 m. A esta distancia de 10 m, un panel de protección con una elevación de 45º, y con anchuras de entre 3.5 y 5.0 m, los resultados de las simulaciones reducen el momento de cabeceo (Z-Torque) a valores por debajo de 10 kNm (Fig. 6), lo cual significa una reducción del 90% respecto a los valores calculados sin esta protección. La anchura del panel de protección no parece tener un efecto demasiado significativo sobre los resultados, en el margen de valores considerado.

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Fig. 6: Momentos calculados para un viento frontal de 100 km/h, con un panel protector situado a 10 m de la primera fila de seguidores solares.

Los momentos en torno a los ejes X e Y son muy similares, lo cual es razonable, ya que representan dos componentes de un mismo momento (XY) que se ejerce entorno al eje perpendicular a la superficie de los paneles solares. Este momento es casi nulo para los paneles situados en posiciones bien cubiertas, pero tiene un valor significativo para las posiciones situadas en la fila más exterior de la matriz (1 y 4). Esto es debido a que la protección solamente parcial, junto a la situación exterior, produce una distribución asimétrica de las cargas sobre el panel, lo cual se traduce en un momento que tiende a hacer girar el panel con un movimiento de ‘guiñada’.

También se ha simulado el mismo caso, situando en esta ocasión el panel de protección a 15 m de distancia. Los resultados obtenidos indican que la protección empeora, ya que los valores del momento de cabeceo alcanzan hasta 35 kNm para la posición menos protegida (1).

Las simulaciones realizadas para un viento de cola de 100 km/h también arrojan resultados interesantes. Sin ninguna protección, los momentos calculados sobre los paneles PV en las distintas posiciones alcanzan los 14 kNm en las posiciones 1 y 2, que son ahora las peores posiciones por estar en el arranque de la estela que deja el viento. Introduciendo un panel de protección situado a 10 m de distancia de la matriz de seguidores solares, se obtienen valores inferiores a 5 kNm (Fig. 7).

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Fig. 7: Momentos calculados para un viento de cola de 100 km/h, con un panel protector situado a 10 m de la última fila de seguidores solares.

Conclusiones y trabajo futuro

El conjunto de estos cálculos parece indicar que la introducción de paneles de protección para los campos solares puede ser una actuación interesante para reducir los costes de mantenimiento de las instalaciones con una inversión relativamente baja. También indica que los esfuerzos ejercidos sobre las diferentes posiciones dentro de la matriz de paneles son importantes. Esto podría tenerse en cuenta a la hora de diseñar los seguidores solares para diferentes posiciones. Pero para ello deberían tenerse resultados más concluyentes que los que pueden desprenderse de este trabajo, que solamente puede considerarse una aproximación preliminar. Aún falta contrastar los cálculos realizados con datos experimentales, así como estudiar otras configuraciones para hallar maneras de generalizar los resultados.

Referencias

  • Hernández, S., Méndez, J., Nieto, F. and Jurado, JA., (2009) Aerodynamic analysis of a photovoltaic solar tracker, EACWE 5, Florence (It).
  • Mohapatra, S., (2011) Wind tunnel investigation of wind load on a ground mounted photovoltaic tracker, M.Sc. Thesis, Colorado State University (Co, USA).
  • Pfahl, A., Buselmeier, M. and Zaschke, M., (2011) Wind loads on heliostats and photovoltaic trackers of various aspect ratios, Solar Energy 85, 2185–2201.
  • Wang, S., Sun, Y., Wang Q., Wang Q. and Wei M., (2011) Limit Requirements Simulation of Sundial Solar Tracking Machine, Chinese Journal of Mechanical Engineering.
  • Shademan, M. and Hangan, H., (2010) Wind loading on solar panels at different azimuthal and inclination angles, The Fifth International Symposium on Computational Wind Engineering (CWE2010), Chapel Hill (NCa, USA).

Empresas o entidades relacionadas

Dassault Systèmes España, S.L. (Solidworks)

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