CAPIT. 4: MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS TEMA 4.1: ESTRUCTURAS SOPORTE

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1 CAPIT. 4: MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS TEMA 4.1: ESTRUCTURAS SOPORTE 4.1 ESTRUCTRAS SOPORTE. DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS INTRODUCCIÓN ESTRUCTURAS FIJAS Estructuras en el suelo Estructuras en poste Estructuras en fachadas Estructuras sobre cubierta o tejado SISTEMAS DE ANCLAJE Puntos de apoyo Elementos de anclaje Materiales utilizados Aluminio Hierro Acero inoxidable Fibra de vidrio ESTRUCTURAS MÓVILES. EL SEGUIDOR SOLAR Introducción Tipos de seguimiento solar Seguimiento de la altura solar Seguimiento del azimut solar Seguimiento en un solo eje inclinado Norte-Sur Seguimiento en dos ejes (caso 1) Seguimiento en dos ejes (caso 2). I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 1 / 7

2 ESTUDIO DE SOMBRAS Estudio de sombras entre las filas de módulos Cálculo de sombras Ejemplo de cálculo SOMBREAMIENTO Diagrama solar Cálculo del sombreamiento. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 2 / 7

3 INTRODUCCION La estructura soporte es el elemento de la instalación FV cuyo montaje suele llevar mas tiempo y precisar más recursos y medios. Los dos aspectos fundamentales a tener en cuenta de cara a su montaje son: Ubicación la ubicación y la colocación. Salvo consideraciones particulares, como la integración arquitectónica, la estructura se debe ubicar en un lugar libre de sombras durante las horas centrales del día, de manera que los módulos dispongan de la orientación y la inclinación adecuada. A la hora de ubicar la estructura, debe prestarse especial atención al impacto visual y riesgo de actos vandálicos. Es probable que la ubicación de la estructura requiera la determinación in situ, de la orientación, de modo que el instalador debe estar familiarizado con el uso de la brújula, además de con la observación visual del recorrido aparente del sol. Colocación La colocación comprende dos operaciones principales: El ensamblado y el anclaje. Ensamblado Consiste en la unión y la sujeción mecánica de las distintas partes de la estructura, como el mástil, el bastidor, los perfiles, etc. Anclaje Consiste en la fijación de la estructura a la superficie o elemento de sustentación (suelo, tejado, fachada, etc.), con el fin de dotar a la primera de la resistencia y estabilidad necesarias para soportar las cargas máximas de viento y nieve previstas. Esta parte de la instalación puede requerir de una obra civil considerable, por lo que debe preverse y planificarse en la fase de diseño los recursos necesarios para su realización. La obra civil necesaria y las soluciones practicas de anclaje mas frecuentes son: Cimentación mediante zapata de hormigón y la fijación directa mediante tacos de anclaje. El soporte cumple una doble misión: I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 3 / 7

4 Por una parte mecánica, al proporcionar y asegurar el perfecto ensamblaje, soportando vientos de hasta 160 km/h, nieve, hielo, etc. Por otra funcional, al procurar la orientación precisa y el ángulo idóneo para aprovechar la máxima radiación solar. Es necesario, en caso de pretender solicitar subvenciones, que las estructuras cumplan los requisitos especificados en el pliego, correspondiente al tipo de instalación, de condiciones técnicas del IDAE ESTRUCTURAS FIJAS Existen cuatro formas fundamentales de ubicar los paneles: En el suelo. En postes y/o torres metálicas. En paredes. En el tejado. En la figura se pueden apreciar estas disposiciones. La elección de la posición se realizará en función de las características y posibilidades del lugar, teniendo siempre en cuenta la facilidad de acceso para eventuales reparaciones y operaciones de mantenimiento. ESTRUCTURAS EN SUELO El montaje en el suelo presenta importantes ventajas, sobre todo de cara al mantenimiento y a la acción del viento, ya que los módulos al estar a poca distancia del suelo se ven poco afectados por la fuerza del viento. Es preciso, sin embargo, respetar una altura mínima con el fin de evitar que en caso de lluvias torrenciales el módulo sea tapado por el agua (eso provocaría un importante deterioro en el módulo) o también en el caso de la nieve por la propia nieve. Esta ubicación presenta el inconveniente de la fácil accesibilidad de personas ajenas a la instalación que podrían romper o incluso robar los paneles, por eso podemos encontrarnos instalaciones de paneles en el suelo rodeadas de cerramiento de malla metálica.. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 4 / 7

5 ESTRUCTURAS EN POSTE El montaje sobre poste, mástil o torre está indicado en aquellos lugares en los que sea preciso evitar sombras de baja altura o bien que el terreno por ser escarpado no permita una instalación fácil y segura en el suelo. Se utiliza a menudo en los sistemas de alimentación a equipos repetidores de señal de televisión, sistemas de telemedida y control, etc. La implantación de este tipo de soporte no es recomendable para instalaciones excesivamente grandes, que requieran una gran superficie de paneles. ESTRUCTURAS EN FACHADA. La colocación de paneles adosados a la pared mediante un sistema de garras suele ser una práctica normal en algunas zonas teniendo en cuenta que la pared elegida para situar el panel debe estar orientada al sur. La acción del viento queda disminuida ya que no puede incidir por la parte posterior y un viento frontal no hará mas que ejercer una fuerza directa sobre los puntos de apoyo. ESTRUCTURAS SOBRE CUBIERTA. Los paneles suelen colocarse sobre el tejado o cubierta de los edificios con el fin de poder orientarlos fácilmente y evitar la ocupación de espacio y quizá, en algunos casos, problemas de estética. El anclaje de los paneles sobre el tejado es preciso realizarlo cuidadosamente para evitar filtraciones bajo la cubierta. En algunos tejados no es tan fácil alcanzar la orientación e inclinación optimas. Debido a su diseño y ubicación. En los tejados con poca inclinación, (inferior a 20º aprox.) existe un elevado riesgo de poder producirse ensuciamiento por el depósito de arena, polvo o restos de follaje. El diseño del marco de los módulos juega un papel importante: cuanto más se eleve por encima del laminado, más fácil es la generación de depósitos. Mayor problema es el musgo que crezca en el marco porque no quedará eliminado con la lluvia. Se recomienda utilizar módulos sin marco en tejados poco inclinados. Es cierto que requieren un sistema de montaje más estable. Pero seguro que el trabajo extra es menor que para montar en un tejado inclinado una estructura de soporte aún más resistente debido a las cargas de viento. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 5 / 7

6 SISTEMAS DE ANCLAJE PUNTOS DE APOYO. Uno de los aspectos mas importantes a tener en cuenta respecto a las estructuras son los puntos de apoyo, pues de ellos depende la solidez del conjunto. De nada sirve calcular una estructura que soporte vientos muy fuertes si no la afianzamos de forma segura al suelo, cubierta, etc. PUNTOS DE APOYO: EJEMPLOS. En la figura se pueden apreciar cuatro tipos diferentes de asientos para estructuras de suelo o cubierta. A) Cimientos con losa de hormigón y base perimetral. B) Cimientos con vigas de madera, de menor duración. C) Cimientos con bloques de hormigón. D) Cimientos metálicos firmemente anclados a tierra. ELEMENTOS DE ANCLAJE: EJEMPLOS. En la figura se pueden ver dos formas de acoplar la pata de la estructura al cimiento, mediante tornillos. Existe otro procedimiento, que consiste en introducir unas piezas metálicas en la base de hormigón, de tal forma que al fraguar éste, quedarán solidamente unidas. (Foto superior). Componentes I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 6 / 7

7 MATERIALES UTILIZADOS. Los materiales empleados para la construcción de estructuras pueden variar en función del tipo, ambiente al cual están sometidos, resistencia, etc. Los principales materiales utilizados son: Aluminio. Hierro. Acero inoxidable. Fibra de vidrio. ALUMINIO. Es un material ampliamente usado para pequeñas estructuras (de 1 a 6 módulos), ya que presenta grandes ventajas por su fácil mecanización, liviano peso y gran resistencia. Es imprescindible que el aluminio sea anodizado (oxidado exteriormente). Toda la tornillería debe ser de acero inoxidable. HIERRO. Es el material habitualmente usado para instalaciones de gran numero de paneles o que deben soportar fuertes vientos. Las estructuras construidas con hierro deben ser sometidas a un galvanizado que les proporcione propiedades anticorrosivas. Este baño debe tener un grosor no menor de 100 micras. Debemos tener en cuenta que todos los trabajos de corte, soldadura, etc. Deben ser realizados con antelación al galvanizado. Al igual que con el aluminio, toda la tornillería debe ser de acero inoxidable. ACERO INOXIDABLE. Es el material perfecto para ser utilizado en la construcción de estructuras, ya que es inatacable por casi todas las acciones externas. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 7 / 7

8 Es muy utilizado en instalaciones de ambientes salinos. Su inconveniente es el elevado precio y la especial manipulación de las soldaduras. Cuando se utiliza acero y el marco de los módulos FV es de aluminio, deberá evitarse el contacto directo de estos materiales, mediante un aislador, debido a que juntos producen una corrosión galvánica elevada. Toda la tornillería debe ser de acero inoxidable. FIBRA DE VIDRIO. Desde hace algún tiempo nuevos materiales sintéticos están sustituyendo en algunas aplicaciones a los materiales tradicionales, este es el caso de la fibra de vidrio. Presenta características físicas y mecánicas excelentes, junto a una disminución de peso considerable. Su nula corrosión los hace especialmente indicados para aplicaciones solares, además de presentar un aislamiento eléctrico que en algunos casos, puede evitar la puesta a tierra del conjunto. Se recuerda que siempre la tornillería deberá ser de acero inoxidable Componentes I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 8 / 8

9 ESTRUCTURAS MOVILES: EL SEGUIDOR SOLAR INTRODUCCION. Las prestaciones de un módulo FV dependen, entre otros factores, del de incidencia de la radiación solar directa sobre el mismo. Lo ideal seria que los módulos dispusieran en cada momento de la orientación más adecuada, posibilitando la incidencia normal de la radiación. TIPOS DE SEGUIMIENTO SOLAR. SEGUIMIENTO DE LA ALTURA SOLAR. El panel puede girar en torno a un eje horizontal colocado en la dirección Este Oeste, lo que permite hacer un seguimiento diario de la altura del Sol. El parámetro que varia es la inclinación del generador FV. SEGUIMIENTO DEL AZIMUT SOLAR. El panel puede girar en torno a un eje vertical, perpendicular al plano de trabajo, lo que permite hacer el seguimiento diario del azimut del Sol. El parámetro que varía es el azimut o giro Este - Oeste del generador FV. SEGUIMIENTO EN UN SOLO EJE INCLINADO NORTE-SUR. El panel puede girar en torno al eje inclinado Norte-Sur, siguiendo el recorrido Este-Oeste del Sol. En este tipo de seguimiento cuando el ángulo de elevación coincide con el de la latitud del lugar, se le denomina seguimiento polar. En este caso, la producción que se obtiene es el 96 % de la obtenida con un sistema de seguimiento a dos ejes. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 9 / 8

10 SEGUIMIENTO EN DOS EJES. (CASO 1). El panel puede girar en torno a los dos ejes, uno varia la elevación, siguiendo el Norte-Sur y el otro varia el azimut, siguiendo el recorrido Este-Oeste del Sol. En este tipo de seguimiento cuando el eje azimutal tiene el ángulo que coincide con la latitud del lugar, se consigue el mejor ángulo de incidencia del Sol a cualquier hora del día, por lo que la producción del generador FV es máxima. SEGUIMIENTO EN DOS EJES. (CASO 2). El panel puede girar en torno a sus dos ejes. Uno varia la elevación y el otro se mueve sobre el eje Norte-Sur inclinado siguiendo el recorrido diario del Sol. ESTUDIO DE SOMBRAS ESTUDIO DE SOMBRAS ENTRE LAS FILAS DE LOS MODULOS FV. Cuando existe un gran número de módulos FV a instalar, es necesario juntar las filas de paneles y esto puede tener como consecuencia (sobre todo en invierno) que se produzcan sombras de una fila a otra. En verano la posibilidad de sombras es mucho menor, ya que el recorrido del Sol es mucho mas alto, y por tanto la sombra arrojada es sensiblemente más pequeña. La distancia mínima entre fila y fila esta marcada por la latitud del lugar de instalación, dado que el ángulo de incidencia solar varia con este parámetro. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 10 / 8

11 CÁLCULO DE SOMBRAS. Supongamos que tenemos que colocar una serie de módulos en fila, tal y como se indica en la figura, donde: a es la altura de los módulos, h la altura máxima alcanzada y d la distancia mínima entre fila y fila capaz de no producir sombras. Una vez disponemos del valor a y de la latitud del lugar, podemos buscar el factor k, dado por la curva, posteriormente buscamos en la tabla, donde quedan representados, por un lado el valor de a y por otro, el ángulo de inclinación que se va a dar al conjunto, obteniendo el valor de h. La fórmula que nos da la distancia d entre filas será: Angulo de inclinación 1,5 m a 2,7 m 4 m d = k. h 15º 0,38 0,69 1,03 20º 0,51 0,92 1,36 Tabla de valores de h (h = a. sen α) 25º 30º 35º 0,63 0,75 0,86 1,14 1,35 1,54 1,69 2 2,29 40º 0,96 1,73 2,57 45º 1,06 1,90 2,82 50º 1,14 2,06 3,06 55º 1,22 2,21 3,27 60º 1,29 2,33 3,46 65º 1,35 2,44 3,62 70º 1,40 2,54 3,75 75º 1,44 2,60 3,86 I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 11 / 8

12 EJEMPLO DE CÁLCULO. Supongamos que debemos colocar 30 módulos FV, de unas dimensiones de 35 cm x 120 cm, cada uno, en 3 filas consecutivas. La latitud del lugar de ubicación es 30º N. El primer paso será distribuir los módulos en 3 filas, realizando 3 conjuntos de 10 módulos. Las dimensiones de los marcos serán 1,4 x 3,5 metros, como indica la figura. La inclinación del conjunto será 50º para favorecer la radiación invernal. Observando en la curva k latitud, para una latitud de 30º, k vale 1,9. k = 1,9 Curva K - Latitud Una vez conocido el valor de k y sabiendo que a, en este caso, 1,4 m (la altura del módulo más 20 cm de la pata de la estructura). Buscamos en la tabla el valor de h. Para un valor de 1,5 m y una inclinación de 50º, obtenemos que h = 1,14. Aplicando la formula d = k. h ; d = 1,9. 1,14 = 2,16 metros. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 12 / 8

13 SOMBREAMIENTO ESTUDIO DE SOMBRAS PROYECTADAS SOBRE LOS MODULOS FV. DIAGRAMA SOLAR. El diagrama solar es la representación gráfica de la posición del sol, altura y azimut, durante un año, para una determinada latitud. Cada latitud tiene un diagrama diferente. POSICION SOLAR, ALTURA AZIMUT, DESDE UN PUNTO SITUADO A 43º NORTE CALCULO DEL SOMBREAMIENTO Mediante el diagrama solar podemos determinar cuando se producirán sombreamientos sobre un elemento, en nuestro caso módulos solares fotovoltaicos, producido por un obstáculo, montañas, edificios etc. Para determinar la sombra que el edificio del dibujo proyectará sobre la fila de módulos, determinaremos los ángulos de azimut que definen la anchura del edificio (Az1 y Az2) y los ángulos de altitud para las diferentes alturas del mismo (Al1 y Al2). I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 13 / 8

14 Llevando los ángulos, definidos en el dibujo anterior, sobre un diagrama solar, estos nos definirán una superficie que representa las horas y la época del año en la que los módulos estarán sombreados por la sombra que proyecta el edificio. Caso Práctico: En este ejemplo, viendo la gráfica obtenida, se deduce que la sombra estará presente en los siguientes periodos: Otoño-Invierno: Noviembre, Diciembre, Enero, Febrero y parte de Marzo, se producen sombras que varían desde, aproximadamente, las 10 h hasta las 11,30 h. Primavera-Verano: De mediados de Marzo hasta finales de Septiembre, no se producen sombras. Conclusión: En caso de que el sombreamiento fuese excesivo, habría que replantearse la ubicación y la orientación de los módulos FV, puesto que las pérdidas por sombras alcanzarían un valor no asumible. I.E.F.P.S. SAN JORGE. SANTURTZI. DPTO. DE ELECTRICIDAD / CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES. Pág: 14 / 8