Estudio de caso: cuando los rastreadores se vuelan, no se puede culpar al viento

Fuente: https://www.pv-magazine.com/

Si la industria tiene suficiente conocimiento y experiencia para lidiar con los efectos de los fuertes vientos, ¿por qué los rastreadores todavía se dañan y destruyen? Pilar Sanchez Molina de pv magazine analiza un ejemplo reciente en España con Asier Ukar de PI Berlin.

Comenzamos con un estudio de caso del “mundo real”: en una planta solar de 70 MW en España, de 20 a 30 módulos se desprenden de los seguidores cada pocas semanas. La planta está situada en la “zona de vientos C”, una de las más ventosas de la clasificación española, como veremos en breve.

El fabricante del rastreador asegura 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 metros por segundo para esa zona. Es la presión máxima que los anclajes del módulo son capaces de soportar debido al viento.

La presión máxima depende de varios factores: las dimensiones del módulo, la longitud de las filas o paneles de riel, y si se utilizan grapas o tornillos. La presión máxima que acepta el fabricante varía según el diseño del sistema, pero suele ser de 2400, 2100, 1800 pascales o menos.

El proveedor de ingeniería, adquisiciones y construcción que compró los rastreadores culpó al sistema de anclaje. El fabricante del módulo aprobó el diseño, pero el rastreador no se nombra específicamente en el manual de instalación. El contratista de EPC dijo que solo unos pocos módulos se han volado, pero la realidad es que, en teoría, toda la planta está expuesta a daños potenciales por el viento.

“El problema no es solo que algunos paneles se vuelen, sino que los que no se han arrancado (todavía) están sufriendo fatiga mecánica en las uniones de anclaje, debilitándolos y aumentando la probabilidad de que empiecen a arrasar en masa. en el futuro”, dijo Asier Ukar, consultor senior y director general de PI Berlin SL

Ukar ha analizado el caso y ha accedido a compartir sus conclusiones con pv magazine . Dijo que lo peor es que esto sucedió después de la garantía EPC. En este proyecto, quedan algunos meses hasta el final del período de garantía, y después de intentos fallidos de llegar a un acuerdo, comienza un período de arbitraje.

Este es un caso que les resultará familiar a no pocos lectores. Como la prevención suele ser mejor que encontrar una cura, Ukar identifica los factores de diseño a tener en cuenta en casos similares.

Análisis estático

“Debe pedirle al fabricante que garantice el método de anclaje específico utilizado para un módulo en particular y para las cargas del proyecto en particular”, dijo Ukar.

Por ejemplo, puede anclar un módulo de 2384 mm x 1096 mm (obleas de 210 mm) con cuatro tornillos a una correa de 400 mm, suponiendo una presión máxima de 2400 Pa. Pero eso no es lo mismo que anclar un módulo de 2256 mm x 1133 mm (obleas de 182 mm) grapadas a un fleje de 1.400 mm, asumiendo la misma presión.

Es común encontrar que el triángulo “presión-anclaje-correa” no se refleja correctamente en el manual de instalación del módulo. Sin una certificación clara, las responsabilidades comienzan a diluirse.

“Casi nunca se refleja claramente porque no importa. Si el cálculo es muy transparente, el propietario puede ver que el diseño es débil y demanda refuerzo, lo que implica un aumento de precio y entonces el fabricante de seguidores pierde competitividad”, dijo Ukar.

La Península Ibérica se divide, según el Eurocódigo, en tres zonas de viento: A, B y C. La zona C comprende las zonas más ventosas, como Tarifa o Jerez. En este ámbito, el Código Técnico de la Edificación (CTE) dicta que un seguidor debe resistir vientos de 29 metros por segundo (104 km por hora), registrados a 10 metros del suelo durante 10 minutos. Dado que tanto el seguidor como el anemómetro siempre están situados en cotas inferiores, es necesario corregir dicha velocidad, generalmente a la altura de este último, para hacer una comparación de “manzanas con manzanas”.

La ley exponencial de Hellmann se usa para hacer esta corrección. Según el tipo de terreno se utiliza un coeficiente u otro, distinguiendo entre “lugares llanos con hielo o hierba”, “zonas rurales” o “terrenos muy accidentados o ciudades”. El coeficiente “α” variará por tanto entre 0,08 y 0,25, siendo la velocidad de diseño del seguidor mayor o menor en función del tipo de terreno elegido. Si un fabricante de seguidores asume un terreno más accidentado de lo que realmente es, trabajará con una velocidad de diseño más baja y, por lo tanto, cualquier velocidad superior a este valor podría clasificarse como “extraordinaria”. La correcta clasificación del terreno la debe hacer el fabricante del seguidor, y es un tema clave.

Esta observación también se extiende al cálculo de la presión dinámica mediante el uso de un coeficiente de exposición apropiado. Es decir, la presión que debe soportar la estructura dependerá de la fuerza que ejerza el viento sobre la superficie de los módulos. Y esta fuerza, de nuevo, depende del tipo de terreno, y en concreto de su grado de rugosidad, que también está claramente tabulado por normativa y dividido en cinco clases desde terrenos que van desde “junto al mar” hasta terrenos “en centros comerciales de gran tamaño”. ciudades.” Análogamente al caso anterior, la elección de un grado de rugosidad superior al real favorece los cálculos del fabricante del seguidor.

Otro tema importante es el límite plástico de los anclajes, es decir, la presión máxima que pueden resistir antes de deformarse. Para ello se utilizan cálculos de elementos finitos, que constituyen una parte fundamental de todo cálculo estático. En estos cálculos se debe verificar que el límite de materiales no sea superado por las fuerzas resultantes del cálculo estático. Esto no sucede automáticamente. No es raro observar cálculos de elementos finitos que muestran áreas de unión entre la correa y el tornillo o grapa en naranja oscuro o rojo, lo que indica claramente un riesgo de fatiga y posterior rotura en condiciones de funcionamiento.

Por último, y antes de pasar a la parte dinámica, es fundamental entender que algunos fabricantes de seguidores realizan el cálculo estructural en posición operativa (no de defensa) con valores temporales de la velocidad de tan solo tres segundos cuando realmente es el tiempo necesario para el rastreador adopta la posición de defensa es mucho más largo (del orden de 30 segundos). Obviamente, esto implica un claro riesgo estructural.

Finalmente, antes de pasar al estrés dinámico, es fundamental entender que algunos fabricantes de seguidores realizan el cálculo estructural en la posición operativa (no replegada) con valores temporales de la velocidad de tan solo 3 segundos cuando realmente, el tiempo necesario para el seguidor. moverse a su posición de almacenamiento es mucho más largo, a menudo alrededor de 30 segundos. Esto implica un claro riesgo estructural.

Análisis dinámico

Los cálculos dinámicos son “otro mundo”, según Ukar. El cálculo dinámico no tiene tantas pautas ni reglas preestablecidas como sí ocurre con el cálculo estático.

“Aquí estamos hablando de fenómenos dinámicos como el famoso galope o aleteo torsional, que son más difíciles de predecir y dependen de numerosos factores”, dijo.

Para modelar adecuadamente el comportamiento dinámico de un rastreador, se requieren instrumentos y parámetros de prueba adicionales. Uno de estos recursos son las maquetas ensayadas en túnel de viento, que sirven para obtener información sobre el comportamiento dinámico de la estructura. Es un secreto a voces que ningún fabricante de seguidores realiza una prueba de túnel de viento para cada proyecto debido al tiempo y al coste.

En consecuencia, los resultados de estudios previos suelen ser “reutilizados” para proyectos futuros, lo que lleva a la consiguiente falta de “personalización”. Esto se puede apreciar cuando el fabricante del seguidor aporta, como parte del dossier de cálculo dinámico, estudios de hasta tres años de antigüedad, muchas veces realizados sobre modelos anteriores y con geometría de pilotes, voladizos y dimensiones de módulos diferentes a los que aplican al proyecto en cuestión. .

En cuanto a la rigidez torsional, se deben analizar las premisas asumidas por el fabricante para reducir el espesor en el “torque tube”. Si todo está tan claro, ¿por qué siguen apareciendo casos de daños por viento?

Aunque los fabricantes de rastreadores tienen conocimientos más que suficientes para diseñar rastreadores robustos, las presiones de los precios los obligan a asumir riesgos para ser competitivos. Esto a veces conduce a diseños basados ​​en imprudencias.

“El sector debe estar dispuesto a absorber un incremento en el coste de los seguidores de… [hasta] 0,03 € (por vatio), dependiendo de la ubicación geográfica y el tipo de módulo utilizado, si realmente se pretende tener sistemas con estructura garantías a 30 años”, dijo Ukar.