cargas de viento sobre módulos fotovoltaicos: evaluación experimental

INTRoduccIÓN

1Marighetti, Jorge O ;

2De Bortoli, Mario E ;

2Wittwer, Adrián R.;

3Loredo Souza, Acir M

1Mgr Ingeniero Mecánico, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Nordeste. jomaringha@g mail com

2Dr Ingeniero, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Nordeste. m debortoli@yahoo.com.ar; a wittwer@yahoo es

3PhD, Engenheiro Civil, Universidade Federal de Rio Grande do Sul. acir@ufrg s br

El Reglamento Argentino de Acción del Viento Sobre las Construcciones, CIRSOC 102, especifica coeficientes de carga aplicables a estructuras de formas regulares y de tipo general En el caso de los módulos fotovoltaicos y paneles solares, el reglamento no establece un tratamiento específico, como en el caso de otras normas internacionales revisadas recientemente El cálculo de las cargas de viento sobre módulos y paneles solares, a través del CIRSOC 102, se puede realizar considerando coeficientes sobre cubiertas planas aisladas, sin embargo, ensayos en túnel de viento permiten prever la interacción aerodinámica entre módulos, efectos de vecindad o aspectos topográficos, y, de esta forma, permiten lograr un proyecto seguro desde el punto de vista de las acciones del viento

El Reglamento CIRSOC 102, además, establece cuáles deben ser las condiciones a cumplir en los ensayos para aplicar el procedimiento del túnel de viento, incluyendo la simulación física de la capa límite atmosférica, la reproducción de escalas de la componente longitudinal de la turbulencia, el modelo a escala del edificio, la topografía y edificios circundantes, condiciones de bloqueo, gradiente de presión longitudinal en la sección de ensayo, efectos del número de Reynolds, y las características del instrumental del túnel de viento

Un estudio experimental fue llevado a cabo en el Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Nordeste (UNNE), donde se determinaron cargas de viento atmosférico sobre los módulos fotovoltaicos de una planta de energía solar Se trata del complejo “Cordillera Solar”, em- plazado en el departamento de Iglesia, Las Flores, San Juan, Argentina, mediante ensayos en túnel de viento, utilizando dos tipos de modelos a escala reducida Se analizan los resultados de la determinación de los coeficientes de carga de viento sobre los módulos del parque “Cordillera Solar”, mediante ensayos en túnel de viento Se considera, primero, el caso de un módulo aislado y, luego, el caso de un conjunto de módulos seguidores Se determinaron los coeficientes de presión local y de fuerza global, para 6 o 13 direcciones de viento incidente, de acuerdo al caso considerado

cARAcTeRísTIcAs GeNeRALes de LA pLANTA de GeNeRAcIÓN soLAR

Los paneles solares de la empresa italiana Convert, ensayados en el túnel de viento, aerodinámicamente, son módulos individuales baja altura que generan grandes superficies de exposición al viento, y modifican su aspecto aerodinámico a lo largo del día Consiste en un soporte de paneles solares, con simple eje horizontal móvil a un metro de altura del suelo, soportado por 5 columnas, con paneles de 2 metros por 30 metros (Figura 1) y permite la variación en un ángulo de 55º

La disposición en planta de los módulos solares presenta una disposición de ejes paralelos cada 5 metros, aproximadamente En este trabajo, se verificará el tracker con velocidad de viento de 40 m/s, para un ángulo de inclinación de 20º, y con una velocidad de viento de 20 m/s, para una inclinación de 40º Esta verificación se efectuó a partir de los valores experimen- tales obtenidos de ensayos en el túnel de viento, con el análisis del comportamiento con inclinación de 5º

descRIpcIÓN de AcTIvIdAdes expeRIMeNTALes

Los ensayos fueron realizados sobre dos modelos rígidos a escala reducida El primero, denominado aislado, con una escala de 1:10, en tanto el segundo representa un área de, aproximadamente, 115 m x 115 m a escala natural del parque Cordillera Solar, con una escala geométrica 1/200 Mediciones de presiones estáticas, medias y fluctuantes, sobre los modelos, se aplicaron en ensayos de túnel de viento, a velocidad máxima en vacío de 25 m/s, en las superficies superior e inferior de los módulos

Los ensayos se ejecutaron con viento incidiendo desde 0º a 180º, a intervalos de 15º y 45º Para cada dirección de viento analizada, se determinaron los coeficientes de fuerza global, punto de aplicación, y dirección de la fuerza resultante Los ensayos se corroboraron en el túnel de viento de la UNNE Se trata de un túnel de capa límite de circuito abierto, y su longitud total es de 39,65 m La cámara de ensayos tiene 2,4 m de ancho x 1,8 m de alto x 22,8 m de largo; con una velocidad máxima en vacío de 25 m/s. En el modelo aislado de escala 1:10, se utilizaron flujos incidentes de características turbulentas y uniforme y suave

El viento turbulento de capa límite simulada, con perfil de velocidades medias de relación U/Umáx de 0 74, próximo al piso del túnel; la intensidad de turbulencia

Detalle de los módulos del seg uidor solar Convert y disposición de los módulos seg uidores en una planta de generación

Iu es del 10%, disminuyendo hasta el 3% en la parte superior de la capa límite El viento uniforme y suave, indica una relación U/Uref, prácticamente constante (uniforme), con una intensidad de turbulencia Iu en torno al 1% La técnica de simulación de la capa límite atmosférica implementada en el túnel de viento (Figura 2), está comprendida en métodos de rugosidad y dispositivo de mezcla, adecuadas para su utilización en el área estructural

El modelo del módulo aislado, de escala geométrica de 1:10 (Figura 3), permite modificar la inclinación de la superficie, con tomas de presión superior e inferior del panel, para los ensayos en inclinaciones: 0º, 5º, 10º, 20º, 30º y 50º El modelo del conjunto de módulos seguidores (Figura 4), sector del parque correspondiente a una superficie de 115 m x 115 m, presenta una escala geométrica de 1:75, considerándose la inclinación más desfavorable respecto a la horizontal de 20º

ResuLTAdos

Los resultados de los ensayos en túnel de viento se presentan para el modelo aislado (escala 1/10) y para el modelo del conjunto de seguidores (escala 1/75)

dIsTRIBucIÓN de coefIcIeNTes de pResIÓN ModeLo AIsLAdo

La distribución de los coeficientes de presión media correspondientes al modelo aislado, utilizando viento incidente donde efectos de succión localizada más importantes se producen para la inclinación de 20º respecto a la horizontal del módulo, para viento incidente oblicuo a 135º, cara superior (Figura 5), y con viento a 45º, cara inferior (Figura 6)

Características del modelo aislado, escala 1:10, y montaje del modelo aislado en la cámara de ensayos

Config uración del sector del parque solar a representar en el modelo a escala 1:75 y montaje del modelo en la cámara de ensayos

Coeficientes de presión para viento incidente turbulento a 135º, inclinación de 20º, cara superior coefIcIeNTes de fueRzA pARA eL ModeLo AIsLAdo

Coeficientes de fuerza neta para el modelo aislado con flujo turbulento (Tabla 1)

Los coeficientes de fuerza sobre la cara más elevados se producen para las direcciones desde 135º a 180º El

Tabla 1

Coeficientes de fuerz a neta sobre el módulo aislado análisis de los coeficientes de fuerza indica valores máximos de sustentación neta de -1 12 a -1 26, para las direcciones de viento incidente turbulento desde 135º a 180º, cuando la inclinación del módulo es de 20º Las cargas globales se obtienen al multiplicar coeficientes globales por la presión dinámica q del sitio de emplazamiento y el área de referencia considerada

Coeficientes de presión para viento incidente turbulento a 45º, inclinación de 20º, cara inferior

coefIcIeNTes de pResIÓN deL ModeLo deL coNjuNTo coN sIMuLAcIÓN de vIeNTo

Los coeficientes de presión media correspondientes al modelo del conjunto de seguidores, se realizaron, solamente, para una inclinación de 20º Para las direcciones de viento de 105º a 165º, se registran valores localizados de succión elevados (coeficientes negativos del orden de -1 80) por vórtices de esquina (Figura 7)

coMpARAcIÓN ModeLo AIsLAdo - ModeLo deL coNjuNTo

Dada la semejanza de las distribuciones de presión en ambos tipos de flujo incidente para el modelo aislado, se consideran solo los valores correspondientes al flujo turbulento Para direcciones de viento de 105º a 165º, se registran las succiones localizadas más elevadas, producto de los vórtices de esquina; sin embargo, valores de Cp indican succiones localizadas mayores para el modelo aislado, principalmente, para la dirección 135º, mientras que en el modelo del conjunto se registran para 150º

Los valores promedio de las succiones para la dirección de 180º son elevados, en el caso del modelo aislado (Cp = -0.9), mientras que, en el modelo del conjunto, se registran valores promedio de Cp = -0 6 para los paneles ubicados a barlovento y sotavento, y succiones más bajas en el panel emplazado en la zona central del sector (Cp = - 0 35)

Para la cara Inferior, viento incidiendo a 0º, las succiones promedio obtenidas en el conjunto de seguidores indican valores de Cp de -0 6, con registros localizados de -1 0, y son inferiores al caso aislado, los cuales indican valores de -0 9 y localizados de -1 3 Los vórtices de esquina se evidencian en las direcciones de 15º, 30º, 45º y 60º, con succiones localizadas que alcanzan valores de Cp = -1.03, para el modelo del conjunto, pero son mayores en el modelo aislado En las direcciones de viento que van desde 75º a 120º, en ambos casos, predominan las succiones leves, con valores promedio de Cp de entre 0 0 y -0 2

Para direcciones de 135º y 150º, sobrepresiones localizadas con valores de Cp entre +0.5 y +0.9 que, en el modelo de conjunto, se distribuyen uniformemente sobre una línea en el módulo ubicado más a sotavento, mientras en el modelo aislado son más locales y disminuyen a sotavento Las sobrepresiones localizadas

Fig ura 7. Coeficientes de presión para modelo del conjunto con inclinación de 20º - simulación de viento incidente a 150º - cara superior verificadas para las direcciones de 165º y 180º son muy similares en el modelo aislado y del conjunto de seguidores, con valores de Cp +0 9 a +1 0

coNcLusIoNes

Las condiciones establecidas por el Reglamento CIRSOC 102, y la verificación experimental de que el conjunto de seguidores proporciona un estado de menores cargas aerodinámicas, señalan que, por razones de seguridad, el cálculo estructural debería realizarse teniendo en cuenta los casos más desfavorables obtenidos, considerando el modelo aislado Se debería analizar la inclinación del panel y las direcciones de viento incidente, capaces de provocar las peores situaciones de carga de viento

Ag radecimientos: Los autores ag radecen a Fernando Mateo de la empresa Jinko IPP International.

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