¿Por qué se vuelan los trackers?

El desconocimiento sobre cómo abordar un análisis crítico de un diseño estructural o la propia competitividad del mercado son factores que influyen en este fenómeno

A través de un caso real en el que tuvimos que trabajar, explicamos cuáles son los criterios de diseño que se deben tener en cuenta y la importancia del control de calidad en los proyectos fotovolcaicos

No es la primera vez que en PI Berlin hemos tenido que encontrar una solución para aquellos clientes que nos llaman porque sus módulos se han volado. En primera instancia, se puede pensar que es por culpa del viento. Pero, spoiler: no lo es. Existen otros factores a tener en cuenta cuando los trackers se vuelan.

Se suele decir que “es mejor prevenir que curar”. Por ello, nuestro director general y consultor sénior de PI Berlin, Asier Ukar, explica cuáles son los criterios de diseño que se deben tener en cuenta partiendo de un caso real concreto en el que tuvimos que trabajar.

El contexto

En una planta de 70 MW se vuelan módulos. En concreto, entre 20 y 30 módulos cada dos semanas. La planta se ubica en una zona C de viento en España, una de las regiones más ventosas. El fabricante de trackers afirma que el incidente se debe a fenómenos extraordinarios, a pesar de que el anemómetro registra valores por debajo de la normativa, que es de 29 m/s para esa zona.

Este necesita saber cuál es la presión máxima que los anclajes de los módulos son capaces de soportar por las acciones del viento. Dicha presión máxima depende de varios factores: dimensiones del módulo, longitud de las correas o panel rail, si se usan grapas, si se usan tornillos, etc. La presión máxima que acepta el fabricante que se aplique en esos anclajes variará en base al diseño del fabricante (2.400 pascales (Pa), 2.100 Pa, 1.800 Pa, o incluso menos).

El EPC, que ha comprado los seguidores, culpa a los anclajes: el fabricante de módulos ha aprobado el diseño, aunque en el manual de instalación no se nombra específicamente al de los seguidores. El EPC afirma que son pocos los módulos que se vuelan en comparación con el total, pero la realidad es que se dan voladuras en trackers tanto apantallados como expuestos, con lo cual el riesgo de voladura es, en teoría, extensible al total de la planta.

El problema no es unicamente que se vuelen algunos paneles, sino que los que no se han volado (aún) están sufriendo fatiga mecánica en las uniones de anclaje, debilitándose éstas y aumentando la probabilidad de que empiecen a volarse en masa en un futuro no muy lejano

El peor de los casos es que esto suceda cuando expire la garantía de EPC (que dura 24 meses), porque entonces el propietario no tiene a quién reclamar. En este caso, quedaban pocos meses para la finalización del periodo de garantía y tras intentos infructuosos para llegar a un acuerdo, la SPV ejecuta los avales y se inicia un periodo de arbitraje.

Primer paso: realizar un análisis estático

En primer lugar, es necesario pedir al fabricante que garantice el método de anclaje específico empleado para un módulo en particular y para las cargas concretas del proyecto. Porque no es lo mismo anclar un módulo de 2.384 x 1.096 mm (210 mm de wafer) con 4 tornillos a una correa de 400 mm asumiendo una presión máxima de 2400 Pa, que anclar un módulo de 2.256 x 1.133 mm (182 mm de wafer) con grapas a una correa de 1.400 mm asumiendo la misma presión.

Es bastante común que el manual de instalación del módulo no refleje correctamente el triángulo «presión-anclaje-correa». Casi nunca se refleja claramente porque no interesa. Si el cálculo es muy transparente, el propietario puede ver que el diseño es débil y exige un refuerzo, lo que implica un aumento del precio y por ende que el fabricante de tarckers pierda competitividad. Por ello, es muy importante que los propietarios de proyectos empiecen a fijarse en estos aspectos y soliciten cálculos realistas y ajustados a cada proyecto.

Según el Eurocódigo, la Península Ibérica está dividida en 3 zonas de viento: A, B y C. La zona C abarca las zonas más ventosas como, por ejemplo, Tarifa o Jerez. En esta zona, el Código Técnico de la Edificación (CTE) dicta que un tracker debe resistir en defensa vientos de 29 m/s (104 km/h) registrados a 10 m del suelo durante 10 minutos. Dado que tanto el tracker como el anemómetro se ubican siempre a cotas más bajas, es necesario corregir dicha velocidad, generalmente, a la cota de este último.

La ley exponencial de Hellmann

Para realizar esta corrección se emplea la ley exponencial de Hellmann, siendo el coeficiente de Hellman “α” uno de los parámetros que entran en juego en la fórmula. En función del tipo de terreno se emplea un coeficiente u otro, distinguiéndose entre “lugares llanos con hielo o hierba”, “zonas rústicas” o “terrenos muy accidentados o ciudades”. El coeficiente “α” variará entre 0,08 y 0,25, por lo tanto la velocidad de diseño del tracker será mayor o menor en función del tipo de terreno elegido.

Si un fabricante de tracker asume terrenos más accidentados de lo que realmente son, trabajará con una velocidad de diseño menor. De esta manera, toda velocidad superior a dicho valor podría clasificarse como “extraordinaria”. La correcta clasificación del terreno debe hacerla el fabricante de trackers: es una cuestión esencial. Esta observación es extensible al cálculo de la presión dinámica mediante el uso de un coeficiente de exposición adecuado: la presión que deberá resistir la estructura dependerá de la fuerza que ejerza el viento sobre la superficie de los módulos. Esta fuerza, nuevamente, depende del tipo de terreno y, en concreto, de su grado de aspereza, la cual viene también claramente tabulado por normativa y dividido en 5 clases desde terrenos que están “al borde del mar” hasta terrenos “en centros de negocio de grandes ciudades”.

En referencia al caso anterior, elegir un grado de aspereza mayor del real favorece los cálculos del fabricante de trackers, aportando un extra de confort a los cálculos que no están justificado desde el punto de vista técnico.

Cálculos de elementos finitos

Otra cuestión importante gira en torno al límite plástico de los anclajes, es decir, qué presión máxima son capaces de resistir antes de “plastificar” o deformarse. Para ello se emplean los cálculos de elementos finitos que constituyen una parte fundamental de todo cálculo estático. En dichos cálculos debe verificarse que el límite plástico de materiales como las correas no se vean superados por los esfuerzos resultantes del cálculo estático.

Esto, que parece tan obvio, no es tan habitual. No es raro observar cómo los resultados de los cálculos de elementos finitos muestran en color naranja oscuro o rojo las zonas de unión entre correa y tornillo o grapa, lo que indica claramente un riesgo de fatiga y posterior rotura en condiciones de operación. Esta cuestión afecta fundamentalmente a la unión del módulo con la correa, también llamada “panel rail” o “viga secundaria”.

También es clave entender que algunos fabricantes de tracker realizan el cálculo estructural en posición de funcionamiento (no defensa) con valores temporales de la velocidad de solo 3 segundos cuando realmente el tiempo necesario para que el tracker adopte la posición de defensa es mucho mayor (del orden de 30 segundos). Esto conlleva, obviamente, un claro riesgo estructural.

El análisis dinámico, un cálculo de “otro mundo”

Aquí entramos en otro mundo, porque el cálculo dinámico no goza de tantas directrices y normas preestablecidas como el estático. Aquí hablamos de fenómenos dinámicos tales como el famoso galope torsional o flameo, con mayor dificultad de predicción y dependientes de numerosos factores. Por ello, para modelar adecuadamente el comportamiento dinámico de un tracker se necesitan diversos instrumentos de ensayo y maquetación de cierta complejidad.

Uno de estos recursos son las maquetas a escala ensayadas en túnel de viento: gracias a estas se puede obtener información sobre el comportamiento dinámico de la estructura. Sin embargo, es un secreto a voces que ningún fabricante de trackers realiza un ensayo de túnel de viento para cada proyecto en el que se suministra su producto, las razones son el tiempo y el coste.

En consecuencia, se “reutilizan” habitualmente los resultados de estudios previos para futuros proyectos con la consiguiente falta de “customización”. Esto se puede ver claramente cuando el fabricante de trackers aporta como parte del dosier de cálculo dinámico estudios de hasta 3 años de antigüedad sobre modelos anteriores y con una geometría de hincas, voladizos y dimensiones de módulo que difieren de las que aplican al proyecto en cuestión.

Respecto a la rigidez torsional, fundamental para prevenir fenómenos aerolásticos, debe de analizarse con especial atención cuáles son las premisas que asume el fabricante para reducir espesores en el “torque tube” o prescindir de amortiguadores, decisiones ambas orientadas a una reducción de costes para ganar competitividad.

Entonces, ¿por qué se siguen repitiendo los casos de voladuras de módulos? 

A pesar de que los fabricantes de trackers disponen de un conocimiento más que suficiente para diseñar trackers robustos, la enorme presión de precios que el mercado ejerce sobre los fabricantes obliga a estos a asumir riesgos para poder ser competitivos. Esto desemboca en ocasiones en diseños temerarios basados, por ejemplo, en una reducción de la rigidez estructural (menores espesores) y prescindir de elementos externos que aporten rigidez adicional. El sector debe estar dispuesto a absorber un incremento de coste en los trackers de entre 1,5 y 3 céntimos de euro, dependiendo de la ubicación geográfica y el tipo de módulo empleado, si de verdad se pretende disponer de sistemas con garantías estructurales a 30 años.

Noticia publicada en PV Magazine.