¿Cómo elegir una estructura para módulos fotovoltaicos? Una estructura fotovoltaica bien elegida mantiene un equilibrio entre coste, rendimiento y durabilidad .

En esta guía, discutiremos temas como:

• seleccionar la potencia de la instalación fotovoltaica,
• inclinación óptima de la estructura fotovoltaica,
• diferentes configuraciones de estructuras fotovoltaicas,
• elegir soportes para la estructura al suelo,
• elegir el material del que está hecha la estructura,
• evaluar la calidad de la estructura.

Ver: opciones disponibles para estructuras fotovoltaicas terrestres

Este artículo no cubre sistemas de seguimiento, instalaciones con disposición este-oeste ni estructuras con módulos montados verticalmente para agrofotovoltaica.

Comencemos hablando de sus necesidades.

Selección de la potencia de la instalación fotovoltaica

Una selección adecuada de la potencia de instalación ofrece una amplia gama de posibilidades importantes. Se comete un error al seleccionar la potencia de la instalación basándose en supuestos matemáticos arbitrarios, como el principio de 1 kWp por 1.000 kWh de consumo energético anual. No hay que preocuparse excesivamente por posibles pérdidas por "sobredimensionar" la instalación.

En la mayoría de los países europeos y para todos los sistemas de facturación (excepto la medición neta), cuanto mayor sea la potencia de la energía fotovoltaica, mejor . Para un consumo anual de 40.000 kWh, puedes seleccionar una instalación con una capacidad de 30, 40, 50, 60 o incluso 70 kWp. No sería un error. ¿Por qué?

• Una instalación más grande supone un menor coste unitario por cada kWp.
• Los módulos pierden alrededor del 10% de su potencia en 25 años.
• Ampliar la instalación supone un coste adicional importante.
• Para todos los modelos de facturación (excepto la medición neta), los excedentes de energía anuales aportan beneficios financieros.
• La instalación se ensucia y pierde eficacia. Económicamente, es mejor invertir en módulos adicionales que gastar dinero regularmente en limpiarlos. En condiciones típicas, la limpieza cada cinco años parece óptima.
• No conocemos a nadie que diga "tengo demasiado PV". Conocemos a muchos que dicen "Debería haber comprado más fotovoltaico".
• El consumo de energía aumenta constantemente. La construcción de una instalación "sobredimensionada" tiene en cuenta el futuro aumento de la demanda.

Por ello, aconsejamos elegir una potencia de instalación lo mayor posible , teniendo en cuenta limitaciones como:

• presupuesto
• espacio disponible
• potencia de conexión

Los métodos matemáticamente precisos para determinar la potencia más conveniente de la instalación no son el tema de este artículo y no son del todo posibles. Sin embargo, es muy importante superar el mito de las instalaciones "sobredimensionadas".

A menudo, los clientes dejan espacios vacíos en la estructura, lo que no resulta rentable.

Pendiente de módulos fotovoltaicos en instalaciones más pequeñas

Si estima que menos de 50 kWp de módulos fotovoltaicos serán suficientes para satisfacer sus necesidades, ¡tenemos buenas noticias! Las instalaciones de este tamaño se pueden implementar en una sola fila , por lo que no tiene que preocuparse de que una fila de módulos proyecte sombra sobre la fila de atrás. En tal caso, elegir la pendiente óptima es bastante sencillo.

La pendiente óptima depende de la latitud y las condiciones climáticas características de la región. En Europa, según un artículo científico basado en datos de satélite, oscila entre 20° y 50°:

La inclinación óptima de los módulos fotovoltaicos según la región según los datos de dos sistemas. A la izquierda tenemos PV-GIS, a la derecha ECEM. Fuente -  Yves-Marie Saint-Drenan, Un enfoque para la estimación de la energía fotovoltaica agregada generada en varios países europeos a partir de datos meteorológicos , ResearchGate .

Ángulos de inclinación óptimos para ubicaciones seleccionadas según la fuente antes mencionada:

• Gdansk - 36°
• Sicilia - 33°
• Edimburgo - 40°

Pendiente de módulos fotovoltaicos y distancia entre filas en instalaciones de mayor tamaño

En instalaciones más grandes (normalmente superiores a 50 kWp, pero esto depende del espacio de montaje disponible) es necesario planificar la instalación en varios soportes colocados uno detrás del otro.

Estas filas proyectan sombras , por lo que deben colocarse a cierta distancia entre sí. Cuanto mayor sea el ángulo de inclinación de los módulos, mayor será la distancia requerida. Por el contrario, cuanto mayor es la distancia, más superficie ocupa la instalación . Una instalación optimizada mantiene un equilibrio entre estas variables.

Foto. Sombra proyectada por hileras de módulos en una gran instalación:

¿Qué se puede hacer para aprovechar de manera óptima el área de la parcela y reducir las pérdidas por sombra?

En primer lugar, reducir la inclinación de los módulos fotovoltaicos . Las diferencias en la producción anual no son muy grandes, y esta reducción permite disminuir la distancia entre hileras. La siguiente tabla muestra un ejemplo de relación entre el ángulo de inclinación, la producción anual (excluyendo la sombra) y la distancia requerida entre hileras:

 Basado en el libro de Bogusław Szymański "Instalaciones fotovoltaicas"

Como se muestra en el ejemplo anterior, el ángulo de inclinación que maximiza la producción anual empeora significativamente la utilización del espacio. Reducir el ángulo a 20° disminuye notablemente la distancia y mantiene una alta productividad.

Por lo tanto, en la práctica, en las latitudes de Francia, Alemania y Polonia, los ángulos de inclinación de los módulos fotovoltaicos no superan los 25°.

Tanto la baja inclinación de los módulos como los grandes espacios entre los conjuntos se pueden ver en el siguiente vídeo de un parque fotovoltaico de 10,4 MW en Estonia

Cálculos de distancia entre módulos

Al definir la función objetivo como la ausencia de sombra durante el mediodía del 22 de diciembre (es decir, el día del solsticio de invierno), la distancia entre filas se puede calcular utilizando las siguientes fórmulas:

Foto. Cálculos de distancia entre módulos fotovoltaicos.

β - ángulo de inclinación de los módulos fotovoltaicos

α - ángulo de incidencia en los días menos soleados del año.

• α = 90° - latitud - 23,45°

d - altura de la columna del módulo

x - distancia entre el final de una fila y el comienzo de la siguiente

• x = pecado(β) × d / tg(α)

y - distancia entre filas

• y = d × sen(180° - β - α) / sen(α)

La aplicación de la fórmula anterior permite evitar casi por completo las sombras. No obstante, reducir la distancia entre filas puede ser beneficioso para una mejor utilización del espacio. Esto es más significativo cuanto más al norte se sitúa la instalación. Esto significa aceptar ciertas pérdidas de producción . Afortunadamente, desde hace varios años existen en el mercado tecnologías que limitan estas pérdidas.

Orientación y Tipo de Módulos

Los módulos fotovoltaicos se dividen en varias secciones mediante diodos de derivación . El sombreado profundo hace que toda la sección se desconecte. Esto se hace para la protección celular.

Los módulos antiguos con celdas enteras, todavía encontrados, estaban completamente desconectados cuando su parte inferior estaba a la sombra. El montaje horizontal ayudó a limitar las pérdidas. La generación actual de módulos fotovoltaicos (los llamados de medio corte) divide el módulo en 6 secciones parcialmente independientes. Están adaptados para montaje tanto vertical como horizontal.

La relación entre el tipo y la orientación de los módulos y las pérdidas de sombra se describe en el siguiente gráfico.

 
En el dibujo: Parte del módulo fuera de uso por sombreado según módulo y orientación.

A - células enteras verticalmente - pérdidas 100%

B - pérdidas horizontales de células enteras 66%

C - pérdida horizontal a medio corte 66%

D - pérdida vertical de medio corte 50%

Los óvalos indican los circuitos en el módulo definidos por los diodos en derivación. Los óvalos rojos son circuitos inutilizados por la sombra.

Dimensiones de los paneles fotovoltaicos

En el mercado encontramos módulos fotovoltaicos tanto de mayor tamaño como de menor tamaño. Las diferencias pueden ser bastante significativas. Sin embargo, por regla general, elegir módulos más grandes (más potentes) significa un coste de instalación menor por su potencia (PLN/kWp).

Cabe recordar que: 

• Los módulos más grandes generan mayor corriente , lo que requiere la selección de un inversor adecuado. La corriente generada por los módulos de mayor tamaño supera las capacidades de los inversores más pequeños, destinados a instalaciones de menor tamaño. Para instalaciones <10 kWp se deben elegir módulos fotovoltaicos de menor tamaño.
• Los módulos más grandes son menos duraderos , lo que significa que sólo deben adquirirse de fabricantes verificados.

Estructura para paneles fotovoltaicos - precio de diferentes configuraciones

Las estructuras fotovoltaicas estándar se dividen en función de:

• el número de  soportes

Los sistemas de un solo soporte son más económicos, pero al mismo tiempo menos rígidos y estables. No deben utilizarse en terrenos con baja capacidad de carga.

un soporte	Dos soportes
Construcción en tierra T2V	Construcción en tierra N2V

• Disposición vertical u horizontal de los módulos
  La elección se reduce a menudo a consideraciones estéticas. El coste de construcción es similar, y con módulos a medio corte la instalación es más resistente a las sombras independientemente de la orientación.

diseño vertical	diseño horizontal
Estructura del suelo N3V	Estructura del suelo N3H

• Número de filas
  El número de filas, junto con la orientación, afecta a la altura de la columna del módulo, lo que a su vez afecta a la potencia de una única mesa de instalación.

Una fila	Dos filas
Estructura de tierra T1V	Estructura de tierra N2V
tres filas	Cuatro filas
Estructura del suelo N3H	Estructura del suelo N4H

Cómo elegir el material para la estructura

La estructura está fabricada en acero inoxidable , aluminio y acero estructural normal recubierto de zinc y magnesio.

Nuestro producto estrella en Altamira son las estructuras de hormigón pretensado ( N2V-STR , N3V-STR , N3H-STR , N4H-STR , N5H-STR ), es decir, un material compuesto similar al hormigón armado, pero con la diferencia de que se tensan varillas de acero. antes de verter el hormigón. Las columnas de hormigón pretensado se hunden en el suelo mediante un martinete (que el hormigón normal no podría soportar) y a ellas se unen elementos estructurales de acero estándar.

El uso de hormigón pretensado permite optimizar los costes de inversión sin reducir los valores de utilidad.

Acero estructural	Hormigón pretensado
Estructura del suelo N4H Garantía: Construcción de acero S350 - 25 años Recubrimiento (Magnelis®) ZM430 - 25 años	Estructura de suelo N4H-STR El hormigón pretensado es aproximadamente un 30% más barato Garantía: Hormigón pretensado y acero S350 -30 años Recubrimiento (Magnelis®) ZM430 - 25 años

 A continuación se muestra un vídeo que muestra cómo se ve el hincado de pilotes en estructuras de hormigón pretensado.

Cómo hacer coincidir la estructura fotovoltaica con el sustrato

Existen tres formas principales de fijar la estructura al sustrato.

Los más populares son los sistemas apisonados . Asequibles, sencillos y rápidos de instalar, funcionan bien donde el suelo no es pantanoso ni excesivamente suelto.

En terrenos de menor capacidad portante, los perfiles atornillados se comportan mejor. Se pueden utilizar donde se necesita una mayor resistencia a la extracción.

Las cimentaciones de hormigón se utilizan en terrenos pantanosos, muy sueltos o donde existe riesgo de colisión con infraestructuras subterráneas (cables o tuberías).

Cómo evaluar la calidad, es decir, certificados y estándares para estructuras de soporte

La seguridad de uso sólo está garantizada por una estructura realizada de acuerdo con las normas aplicables en un país determinado. A veces, a los clientes les preocupa si los productos de la empresa X o Y están realmente bien hechos. Afortunadamente, crear estructuras de acero es un arte que se ha perfeccionado a lo largo de los años y contar con los certificados adecuados es una protección adecuada para el inversor. 

Lista de certificados europeos básicos:

• Ejecución de estructuras de acero y aluminio:
  - EN 1090-1+A1 - Principios de evaluación de la conformidad de componentes estructurales
  - EN 1090-2+A1 - Requisitos técnicos para estructuras de acero
  - EN 1090-3 - Requisitos técnicos para estructuras de aluminio

• Acciones sobre estructuras:
  - EN 1991-1-3 - Carga de nieve
  - EN 1991-1-4 - Acciones del viento

Los equivalentes nacionales que traducen las normas europeas comienzan con la designación correspondiente. Por ejemplo, el equivalente polaco de EN 1090 es PN-EN 1090. El equivalente alemán es DIN-EN 1090 y el británico es BS-EN 1090.

Certificados adicionales, aplicables a algunas estructuras:

• EN 1992-1-1 - estructuras de hormigón y hormigón pretensado
• EN 1993-1-1 - normas que definen la resistencia de las estructuras de acero
• EN 1993-1-3 - suplementaria para perfiles y láminas
• EN 1993-1-5 - suplementaria para estructuras chapadas

Resistencia a la corrosión

Las estructuras utilizadas en entornos hostiles deben ensayarse según la norma EN ISO 9227. 

Cuando se trata de estructuras de acero recubiertas con una capa protectora, también se evalúa la resistencia a la corrosión del recubrimiento. La clase de corrosividad mínima para estructuras fotovoltaicas es C3 según EN ISO 12944-2. En zonas con mayor contaminación del aire, se debe buscar un producto con una clase de resistencia C4, y en el caso de una contaminación muy alta, C5.

El revestimiento que utilizamos, Magnelis®, tiene una clase de resistencia a la corrosión de C5 .