En las siguientes líneas se
quiere hacer una breve clasificación de las instalaciones fotovoltaicas, en
función de diferentes parámetros. Toda esta clasificación es desde el punto de
vista de la parte mecánica de la instalación, dejando de lado los aspectos
eléctricos del mismo. Se ha realizado una explicación somera de cada apartado,
sin entrar a detalles técnicos para que sea de fácil comprensión por parte del
lector.
SUMINISTRO DE LA ENERGÍA GENERADA
Atendiendo al lugar que se
inyecta la energía eléctrica generada, se diferencia entre instalaciones
aisladas o instalaciones conectadas a red. Las instalaciones aisladas fueron
las primeras en surgir, en la que una casa o nave industrial conseguía generar
energía eléctrica a través de paneles solares para abastecer sus requerimientos
de electricidad.
Del crecimiento, cada vez mayor,
de la necesidad de producir energías renovables, surgieron diversos estudios en
los que se estudiaban los diferentes tipos de paneles solares, desde el punto
de vista de rendimientos y vida útil. Se crearon grandes instalaciones para el
estudio, los denominados huertos solares. El crecimiento de los huertos solares
creó la necesidad de transportar la energía generada a cierta distancia del
lugar de su generación. En ese momento surgieron las instalaciones conectadas a
red. Dónde esta energía generada se conecta a la red a través de subestaciones,
y se distribuye a diferentes zonas.
LOCALIZACIÓN DE LOS PANELES SOLARES
Los paneles solares se pueden ver
instalados en diferentes casuísticas. Las primeras instalaciones con paneles
solares son las denominadas instalaciones aisladas. Una pequeña cantidad de
módulos se instalaban en una casa o nave industrial para generar energía. En
este tipo de ubicaciones se materializan las instalaciones en fachada o en
cubierta.
En fachada, se instalan en
aquella cara que tiene su orientación al sur (en las localizaciones en el
hemisferio norte). En las cubiertas se pueden instalar de diversas formas. Con
una única orientación al sur a un agua u orientados este-oeste a dos aguas. La
selección de un tipo u otro depende del tipo de cubierta que se disponga.
Las instalaciones en el suelo son
los denominados huertos solares o parques solares. Hay personas que diferencian
entre ambos por el tamaño de la instalación, siendo los parques solares los de
mayor tamaño. Los huertos solares se denominaron de ese modo, porque
inicialmente se instalaban en zonas de cultivo. Las siguientes clasificaciones
se centrarán en estos tipos de instalaciones.
El crecimiento del número de
parques solares hizo la necesidad de buscar nuevas superficies dónde poder instalar
los módulos. De esta búsqueda surgieron las instalaciones en aguas calmadas,
como lagos. Los paneles se fijan a una estructura metálica que está sobre un
sistema de flotación.
ESTRUCTURA FIJA O SEGUIDOR
Dependiendo del movimiento de los
paneles solares se pueden distinguir dos tipos de instalaciones: de estructura
fija o seguidor solar (tracker).
La estructura fija se orienta en
la dirección que se obtenga una mayor cantidad de horas de sol. Esta
orientación es al sur, en el hemisferio norte y al norte, en el hemisferio sur.
Los seguidores solares se
clasifican según sus grados de libertad: seguidor a un eje y seguidor a dos ejes. El aumentar los grados de libertad del sistema, permite
que los paneles solares tengan un mayor número de horas de sol y que los rayos
solares incidan de manera más perpendicular a los paneles. Conforme se aumentan
los ejes de giro de una instalación, se aumenta la capacidad de producción de
la planta (a mismas potencias instaladas).
TIPO DE CIMENTACIÓN
Dependiendo del tipo de
cimentación que se utilice, existen diferentes tipos de instalación. Las más
comunes son las cimentaciones con hinca o poste. Estas fueron las primeras
instalaciones en suelo. El sistema utilizado fue copiado de los sistemas de
anclaje al terreno de las barreras de seguridad de las carreteras. Consiste en
un perfil metálico introducido en el terreno mediante golpeo con una máquina
denominada hincadora. Las hincas más comunes son el tipo C, tipo U, tipo omega
o para mayores requerimientos de esfuerzos el tipo IPE o similares (UPN, IPN,
etc.) La fabricación de los primeros se realiza mediante conformado en frío de
bobinas metálicas (acero o aluminio normalmente). El segundo tipo, de mayor
sección, se fabrica mediante laminado en caliente.
Una variante de esta cimentación,
para terrenos menos consistentes, son los denominados tornillos. Consiste en un
tubo circular con una hélice para facilitar la introducción en el terreno y su posterior
resistencia. El tornillo se introduce mediante rotación. Normalmente se suele
utilizar un tipo similar de máquina hincadora, en el que simplemente se cambia
el cabezal de martillo por golpeo por uno de rotación. Este tipo de cimentación
se suele usar para terrenos más blandos y de menor resistencia mecánica. Dentro
de los tornillos se diferencian tornillos de hélice continua con aleta estrecha
y tornillos de una o dos hélices de aleta ancha. Estos últimos son para los
terrenos más desfavorables respecto a su capacidad portante.
En ocasiones, debido a las
condiciones del terreno, no se puede usar la cimentación tipo hincado. Esto suele
ocurrir, por ejemplo, en terrenos que son vertederos. En primer lugar, los
vertederos son rellenos de material heterogéneo que no ha sido compactado ni
consolidado. Esto hace que las hincas o tornillos no produzcan las reacciones
necesarias para el anclaje de la estructura. Otras veces es debido a la
contaminación de esos rellenos. En muchas ocasiones son instalaciones ubicadas
en zonas que se han vertido materiales tóxicos, por ejemplo, el amianto. El
hincado de las hincas o el atornillado de los tornillos podría producir que se
expulsaran al ambiente partículas de este material tóxico, que pudiera entrar
en contacto con las personas, sobre todo, durante la construcción de la
instalación. Otras veces, las instalaciones se localizan en área protegidas o
en zonas con posible presencia de restos arqueológicos. De esta necesidad
surgió la zapata y el tipo gavión.
Las zapatas de hormigón han sido
ampliamente utilizadas en la cimentación de obras civiles, y de este
conocimiento se han adaptado a las instalaciones solares. El uso de este tipo
de cimentación es el principal en los seguidores solares a dos o tres ejes, en
los que se requieren mayores reacciones. En las instalaciones fijas y
seguidores a un eje se intenta evitar este tipo, debido al encarecimiento de la
instalación.
Una variante más económica que la
zapata fue la implementación de la cimentación con gaviones. Este sistema
consiste en una caja o encofrado perdido de diferente material, normalmente
láminas metálicas o mallazos. El interior de los gaviones, a modo de
contrapeso, se rellena con diferente material. Dependiendo del material se
encarece la cimentación. Se suele usar desde material de rechazo de escombreras
hasta hormigón.
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Los materiales más comunes en las
estructuras de fijación de los paneles solares son el acero, el aluminio y el
hormigón. Los tres se utilizan para la cimentación. Para la superestructura los
más usados son el acero y el aluminio. El aluminio se suele utilizar de forma
más generalizada en fachadas y cubiertas, debido principalmente a su reducción
de peso frente a una estructura de acero. El acero es el material más usado
actualmente en las instalaciones en suelo.
RECUBRIMIENTO DE PROTECCIÓN DE LOS MATERIALES
En primer lugar, se deben
distinguir dos tipos de ambientes diferentes dependiendo de dónde se encuentre
el material. Por tanto, se tendrá un ambiente corrosivo del terreno para la
estructura que se encuentre enterrada y un ambiente aéreo, para la estructura
en contacto con la atmósfera.
El material utilizado para la
construcción debe asegurar la vida útil para la que ha sido diseñada la
instalación. En parques solares, normalmente se suele estar hablando de vidas
útiles entre 15 y 25 años.
En el hormigón se utilizan los
espesores de recubrimiento propios para evitar la oxidación de las armaduras.
En el aluminio, se utiliza el
recubrimiento generado por un proceso electroquímico denominado anodizado, que
posee excelentes propiedades de resistencia a los agentes químicos, dureza y
baja conductividad eléctrica, en definitiva, mejora la resistencia a la
corrosión.
En el acero se suelen utilizar
dos tipos de recubrimientos, por un lado, las pinturas anticorrosivas y por
otro, el galvanizado en caliente. El segundo tipo ha sido el recubrimiento más
utilizado en los últimos años, en los que el espesor requerido se mide en
micras. El espesor del galvanizado debe ser, al menos, para permitir que
durante la vida útil de la estructura nunca se quede el metal sin micras de
protección frente a la oxidación.
En los últimos tiempos ha surgido
un nuevo recubrimiento denominado magnelis®. Esta variante tiene una
característica y una ventaja frente al galvanizado en caliente. La principal característica
es su capacidad de autorreparación. Cuando se pierde el recubrimiento, el
magnelis®,
con el paso del tiempo, genera de nuevo una pátina de protección. Esto ha hecho
que se puedan comprar bobinas de materia prima de acero con recubrimiento
magnelis®,
por ejemplo, para los perfiles de acero conformados en frío, y hacer su
fabricación en un solo paso. Anteriormente, una vez conformado el perfil a
partir de una bobina de acero en negro, se tenía que proceder a su
galvanización en caliente. Esto consigue una ventaja económica del magnelis®
frente al galvanizado en caliente.
TIPOS DE UNIONES
En las estructuras solares se
suelen tener dos tipos de uniones, las soldadas y las atornilladas. Las uniones
soldadas se suelen realizar previamente a la construcción de la obra, en el
taller de fabricación para poder obtener mejores resultados. Además, cualquier
soldadura en obra hace que se tenga que hacer un tratamiento frente a la
corrosión después de soldar.
Las uniones atornilladas son las
más extendidas en las instalaciones solares, debido a su facilidad y
versatilidad en el montaje. En estas estructuras se suelen usar uniones
atornilladas pretensadas. El conjunto de tornillería (tornillo, tuerca y
arandelas) deberá ser sometido a un par de apriete previo a que entre en carga
la estructura. Esto ocurrirá cuando se instalen los paneles solares, ya que
comienzan a actuar las cargas de viento y nieve sobre la estructura.
Previamente, sin los paneles, el peso muerto de la estructura es relativamente
bajo respecto a las otras cargas mencionadas. El par de apriete dependerá del
material de recubrimiento de la tornillería, por ejemplo, si es acero
galvanizado o acero inoxidable. Esto es debido al diferente coeficiente de
rozamiento que tienen en el acero los recubrimientos de galvanizado en
caliente, dacromet®, geomet®, deltaprotekt® que en el acero inoxidable.
Los recubrimientos mencionados tienen un menor coeficiente de rozamiento que el
acero inoxidable, lo que produce que se pierda menor esfuerzo en el rozamiento
(tensiones tangenciales), transmitiéndose mayor fuerza de presión en la unión
(tensiones normales). Es decir, las uniones con tornillería inoxidable
requerirán normalmente de mayor par de apriete para las mismas cargas en la
unión (a misma métrica de la tornillería).
Existen otros tipos de uniones,
que suelen fijar la unión mediante algún tipo de anclaje mecánico por presión o
rozamiento. Este tipo es el menos habitual de todos los descritos
anteriormente.
FIJACIÓN DE LOS PANELES SOLARES
Para la instalación de los
paneles solares se deben seguir siempre las recomendaciones del fabricante. En
los manuales de los paneles vienen especificados las formas permitidas para la
fijación, para conseguir la garantía del producto. Existen dos tipos de
fijaciones principales, la primera es mediante una unión atornillada entre la
estructura y el marco del panel por el interior. En el manual de montaje se
indican los agujeros destinados a la fijación. La segunda es mediante una grapa,
pero fijada al marco por el exterior. En el manual de montaje viene detallado
el área de anclaje permitido para la fijación con grapa. Ambos sistemas son
ampliamente utilizados y validados por los fabricantes de paneles. La elección
de uno u otro método dependerá de cada cliente y de la disponibilidad del tipo
de fijación del proveedor de la estructura soporte.
El marco de los paneles suele ser
de aluminio, mientras, por su parte, la estructura puede ser de acero. En estas
ocasiones, al ser dos materiales diferentes, se debe instalar entre ellos un
material aislante para evitar que se forme un par galvánico entre las dos superficies
metálicas en contacto. Si están en contacto el aluminio y el acero, en
presencia de un electrólito como el agua, se crea una diferencia de potencial, formándose
una pila galvánica en la que el ánodo sufre corrosión.
Toda la estructura metálica debe
ir aterrizada para evitar los posibles riesgos eléctricos que se pudieran
generar en la instalación, operación y mantenimiento. Los paneles solares
también deben ir aterrizados, para lo que existen diversos sistemas. En el
marco del panel viene un hueco con el símbolo de tierra, en el que se pueden
instalar los sistemas de aterrizado. Los más comunes son los lugs atornillados
al hueco del marco. Una vez atornillado se debe conectar el lug a la estructura
mediante un cable desnudo de cobre. Este tipo de sistema es muy costoso en
tiempo durante el montaje de los panales solares, ya que se añade un paso más
al procedimiento de instalación. Debido a esto, se han generalizado dos métodos
integrados en el sistema de montaje, dependiendo si la fijación se hace
mediante tornillería al marco o mediante grapa panel. Si se fija al maco
mediante tornillos, se instalan unas arandelas planas que tienen unos dientes
que, al momento de presionar al marco se inserta en el mismo. Esto produce la
continuidad eléctrica desde el panel, por la arandela, por el tornillo, a la
tuerca y finalmente a la estructura. El otro sistema está integrado en la grapa
panel, instalándose un pincho, que conecta el panel por su parte superior o
inferior, a través de la parte metálica de la grapa, a la estructura.
