Diseño de estructuras fotovoltaicas (i): claves para un futuro energético seguro

La voladura de módulos o estructuras puede ser un problema muy grave en los próximos años, provocando situaciones de inseguridad alrededor de las plantas solares con el consecuente impacto negativo en el mercado solar

La cadena de Davenport establece cinco niveles de influencia para determinar la carga de diseño que actúa sobre las estructuras de seguidores solares

Toda instalación solar, sea sobre cubierta con una estructura coplanar, sobre suelo con lastre o elevado mediante una estructura fija o tracker, requiere de una estructura robusta y segura para su sustentación con el objetivo de mantener en cualquier ambiente los módulos fijados a la estructura, y esta asegurada al suelo o cubierta.

Para 2030, la Unión Europea se ha marcado como objetivo que el 45% de la energía proceda de fuentes renovables, por lo que la calidad y la seguridad de las instalaciones fotovoltaicas son más cruciales que nunca. A medida que enfrentamos desafíos climáticos impredecibles y una presión constante en los precios del mercado, el diseño de las estructuras que sostienen nuestros paneles solares juega un papel central en el éxito sostenible de la energía solar.

Desafíos actuales

Ante un panorama en el que la fotovoltaica está en auge, se prevé, aunque sea cíclico, una disminución del LCOE (coste normalizado de la energía) y de los costes de compra de componentes. Esto ha llevado a una devastadora presión sobre los precios en el mercado solar que obliga a muchos fabricantes a asumir riesgos para poder ser competitivos, creando, en ocasiones, diseños temerarios que sacrifican la calidad y la seguridad con, por ejemplo, la reducción de la rigidez estructural o la omisión de elementos que brindan estabilidad adicional.

Sin embargo, apenas existen normativas específicas para las estructuras solares. Actualmente, para asegurar un buen diseño y un funcionamiento seguro y estable durante la vida útil de la instalación, las especificaciones se derivan de normativas de edificación como el Eurocódigo UNE 1991-1:4, el código técnico de edificación (CTE) en España – que proviene del Eurocódigo – o el American Society of Civil Engineers (ASCE) en Estados Unidos. Esto crea un desafío importante para los actores implicados en proyectos fotovoltaicos.

Además, no podemos pasar por alto el creciente desafío de la inestabilidad meteorológica. Es tal la urgencia climática que la ONU he tenido que emitir un «código rojo» debido a los eventos climáticos extremos impredecibles que los expertos temían que sucedería en 20 o 30 años y no ahora. Estos efectos meteorológicos extremos, cada vez más frecuentes, pueden aumentar significativamente el riesgo de accidentes en instalaciones fotovoltaicas, lo que plantea preocupaciones de seguridad adicionales.

Si sumamos estos tres factores clave – (i) presión de precios del mercado con la consecuente pérdida de calidad de las instalaciones; (ii) poca normativa especifica para fotovoltaica; e (iii) inestabilidad meteorológica -, la voladura de módulos o estructuras puede ser un problema en los próximos años, provocando situaciones de inseguridad alrededor de las plantas solares con el consecuente impacto negativo en el mercado solar.

Cadena de Davenport: pilar de las recomendaciones de PI Berlin para el diseño de las estructuras fotovoltaicas

Ante estos desafíos, es crucial adoptar una metodología de diseño sólida que garantice la seguridad y la estabilidad de las estructuras fotovoltaicas. En PI Berlin, promovemos una serie de recomendaciones basadas en la cadena de Davenport, que establece cinco niveles de influencia para determinar la carga de diseño que actúa sobre las estructuras de seguidores solares. Todo criterio es aplicable a parques fotovoltaicos de estructura fija o sobre cubierta exceptuando el criterio de diseño aerodinámico, ya que dicho fenómeno no se aplica. Estos niveles incluyen:

1. Viento climático a una escala sinóptica o geográfica: determina la velocidad básica del viento (Vb).
2. Influencia del terreno: representa el comportamiento del viento a bajas altitudes en función del tipo de terreno y su rugosidad (Cr).
3. Respuesta aerodinámica: como carga de presión sobre la estructura (anillo 3) debida a la acción del flujo del viento (Cf).
4. Respuesta mecánica: como función de la admitancia de la presión resultando en una respuesta estructural (Cs Cd).

Mientras que los cuatro primeros anillos determinan la carga sobre la estructura, el quinto nivel establece tres criterios de diseño que deben cumplirse:

1. V < Vcrit: La velocidad de diseño debe ser menor que la velocidad crítica correspondiente al inicio del fenómeno aeroelástico auto-excitado de un grado de libertad a torsión. Dicha velocidad debe verificarse para cada uno de los ángulos de ataque adoptado por el seguidor, con un intervalo máximo de 10°. Este es el primer criterio a verificar, ya que su no cumplimiento supone un riesgo muy alto de colapso de la estructura ante una eventual tormenta o por plastificación de elementos estructurales cuyo potencial de fallo por carga de fatiga es muy alto. Se establecee como velocidad crítica aquella en la que el tracker se mueve con más de 5° de amplitud. La metodología que garantiza la seguridad determina que la velocidad es a la que el seguidor deja de moverse a torsión después de haber estado en movimiento auto-excitado. La provisión de velocidades a las cuales el seguidor oscila con una determinada amplitud de θo se denomina Vθo.
2. σ < σadm: Las tensiones soportadas por la estructura deben ser menores que las admisibles. De esta manera, tanto la carga de presión como las tensiones deben justificarse por la normativa UNE 1991:1-4.
3. n/N < 1: Debe verificarse la carga de fatiga según el número de ciclos, que debe ser menor que la unidad según el método de sumatorio de Miner.

Un futuro solar seguro y sostenible

El diseño de estructuras fotovoltaicas no debe ser subestimado; es un componente crucial para garantizar a largo plazo que nuestras instalaciones fotovoltaicas sean seguras y sostenibles.

A medida que enfrentamos la inestabilidad meteorológica y la presión del mercado, las recomendaciones de diseño y promoción de buenas prácticas que establecemos desde PI Berlin se convierten en herramientas vitales para asegurar la integridad de nuestras plantas solares.

Si estás interesado en aprender más sobre cómo desde PI Berlin podemos ayudarte a garantizar la seguridad y la eficiencia de tus instalaciones solares, no dudes en ponerte en contacto con nosotros.