Nº 49: Proyecto Estructural con sistemas de paneles Solares Fotovoltaicos Parte II

Durante muchos años los ingenieros no tuvieron claro cómo definir las acciones del viento sobre los sistemas de paneles solares fotovoltaicos sobre los techos. Con todo lo avanzado en la metodología del proyecto eólico, subsistían incertidumbres sobre su aplicación a diversas configuraciones de sistemas de montaje y aplicaciones específicas en las edificaciones. Tener en cuenta las acciones relacionadas con los movimientos del viento es de suma importancia en los proyectos estructurales con sistemas de paneles solares fotovoltaicos. Leer el Cuaderno 49 es esencial para una comprensión más profunda de circunstancias que van desde acciones y cargas del viento hasta ensayos en túnel de viento,  tornados y huracanes, así como vórtices cónicos contra rotantes, probabilidad anual de excedencia, periodo medio de retorno y metodología del proyecto estructural. Nuevos  reportes dan pretexto para futuros nuevos Cuadernos, que incluyen los sistemas con paneles solares fotovoltaicos sobre terreno y algunos aspectos pendientes que se mencionan en la evolución histórica de esta tecnología.

FOTOVOLTAICOS  Parte II: Acciones del Viento

                                                                  Dedicado a Norma, Andrés  y Pina

a)

b) 

Figura 1. Evolución del mercado de los paneles solares fotovoltaicos en los Estados Unidos [Figura a)  Cain et al (2016), b) Cain et al, (2015)]

Palabras claves o descriptores: Acciones y cargas del viento, ensayos en túnel de viento, paneles solares fotovoltaicos (PV),  tornados y huracanes, vórtices cónicos contra rotantes, probabilidad anual de excedencia, periodo medio de retorno, metodología del proyecto estructural.

INTRODUCCIÓN

El objetivo del presente Cuaderno es familiarizar al lector con la teoría y la práctica del proyecto estructural de paneles solares fotovoltaicos (abreviado PV de aquí en adelante) en lo que a las acciones del viento concierne. Las acciones gravitacionales y sísmicas fueron tratadas en el Cuaderno 48, pero los nuevos  Reportes SEAOC dan pretexto para futuros nuevos Cuadernos, que incluyan los sistemas PV sobre terreno y algunos aspectos pendientes que se mencionan en la evolución histórica de esta tecnología cuya metodología de proyecto empieza a consolidarse a partir de 2012. Los temas no desarrollados en este Cuadernos se suplen con la correspondiente información bibliográfica y en los Anexos.

Figura 2. Terminología  de los sistemas de paneles solares fotovoltaicos (PV, abreviatura en ingles de photovoltaic ). Ver Anexo 49189.

El abaratamiento de los costos (Figura 1) y una mejor comprensión de la acción del viento sobre los paneles solares sobre techos (Figura 6), hizo posible que a partir de 2012 las normas estructurales  incorporarán  requisitos para el proyecto estructural de los paneles solares en los techos de las edificaciones en respuesta al consumo de la energía solar como alternativa al uso de las fuentes convencionales de energía eléctrica. Aunque  la cantidad de luz solar directa se reduzca durante días nublados o lluviosos, sigue estando presente la energía solar difusa que puede ser captada por los paneles solares y transformada en energía, también cuando esté lloviendo.

Se ha constatado que los paneles solares pueden resistir huracanes de Categorías 2 (154 a 177 km/h)  y 3 (178-209 km/h), incluso hasta 4 (131 a 155 km/h) en la Escala Saffir – Simpson [Anexo 49160].

PASADO, PRESENTE Y FUTURO DE LAS NORMAS ESTRUCTURALES PARA SISTEMAS DE PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS

Durante muchos años los ingenieros no tuvieron  claro cómo definir las acciones del viento sobre los sistemas de paneles solares fotovoltaicos sobre los techos. Intentaron aplicar adecuadamente las  normas de viento, si bien los sistemas PV  no tienen

semejanzas con los edificios y escenarios para los que se concibieron códigos como ASCE 7 [Anexo 49123].

Se reconoce a los investigadores   Colleen O’Brian y Stephen Barkaszi entre los primeros en proponer una metodología conforme a la normativa disponible. En una  publicación del Solar American Board for Codes and Standards titulada Wind Load Calculations for PV Arrays [Anexo 49540], aportaron la orientación teórica y varios cálculos reales para  sistemas de  PV instalados en el techo. Abogaron por el uso de la metodología MWFRS de ASCE 7-05 que utiliza la estructura PV como el principal sistema resistente a la fuerza del viento, que resulta demasiado conservador para un sistema fijado al techo mediante balastos.

En 2011, Gregory Kopp, Joe Maffei y Christopher Tilly publicaron Configuraciones de sistemas solares en la azotea y carga de viento, una introducción al uso de pruebas de túnel de viento como base para un diseño conforme al código según ASCE7  [Anexos 49540 y 49123], documentando por primera vez cómo se podían medir y establecer adecuadamente las acciones del viento sobre los sistemas de PV en techos. Esta guía recomendó el Método 3 de ASCE 7, y que las acciones del  viento deben establecerse mediante pruebas en túnel de viento de capa límite atmósferica (ABL, Atmospheric Boundary Layer;  Ver en Anexo 49118 (diapositiva 12)  ensayo de túnel de viento en la University of Western Ontario). Los autores también abogaron  por el uso del enfoque de Componentes y Cerramientos (Ver Figura 12) para tener en cuenta correctamente el efecto de las acciones del viento y el promedio del área adecuada (Ver Apéndice  A del Anexo 49172].

En 2012, la Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC) emitió los Reportes PV-1 y PV-2 [Anexo 48152 del Cuaderno  48  y el   Anexo  49172, del presente Cuaderno, respectivamente], sistematizando por primera vez recomendaciones formales  de cómo deberían ser los proyectos de los sistemas solares fotovoltaicos para resistir las acciones sísmicas y eólicas. Estos informes representan un paso trascendental al establecer un método de proyecto prescriptivo en  lenguaje de ASCE 7 pero específico para los sistemas PV. La única forma aprobada de reducir los coeficientes de presión es el ensayo en túnel de viento, pero el  Comité de Sistemas Solares Fotovoltaicos de SEAOC reglamentó que los valores experimentales a usar en proyecto no podrían  ser menores del  50% de los normativos, sin una revisión independiente calificada; el uso de los coeficientes ASCE 7 no conduce a cargas por debajo de 49 kgf/m2 (500 Pa). La prueba de un sistema de PV  sólo es válida para esa configuración: la posición del panel en el techo, el espacio entre los paneles, la presencia y el tamaño del parapeto en fachadas, la relación de aspecto del edificio, etc., por lo que es necesario un conjunto de pruebas con el fin de proporcionar acciones del viento que puedan utilizarse para una amplia gama de formas y tamaños de edificios.

Con todo lo avanzado en la metodología del proyecto eólico,  subsistían incertidumbres

sobre su aplicación a diversas configuraciones de sistemas de montaje y aplicaciones específicas en las edificaciones. Maffei et al (2014) entregaron recomendaciones y un enfoque práctico muy detallado  para la aplicación de las metodologías establecidas en ASCE 7-10 y SEAOC PV-2. Este esfuerzo también apuntó a una de las áreas más grandes de incertidumbre en la realización del análisis estructural en un sistema de techo de poca  pendiente cual es ¿cómo debe establecerse el área tributaria para el análisis estructural?. Esto tiene implicaciones importantes en la metodología de Componentes y Cerramientos (Figura 12), porque el área tributaria determina el coeficiente a aplicar para obtener la presión del viento de proyecto. Los autores desarrollaron un modelo analítico para examinar la rigidez altamente no lineal que se desarrolla cuando múltiples paneles intentan levantarse y distribuir las fuerzas en el arreglo.

También describieron las pruebas empíricas utilizadas para calibrar su modelo de simulación estructural. Las pruebas de túnel de viento inadecuadas (por ejemplo, probar sistemas montados en el techo sin colocarlos en el techo de un edificio) pueden producir coeficientes que son demasiado bajos; en algunos casos, pueden indicar una ausencia completa de levantamiento, que es algo que nunca se ha visto para los sistemas fotovoltaicos probados correctamente en un túnel ABL, y simplemente no es creíble.

Las ventajas y desventajas  comparativas de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, del inglés Computational Fluid Dynamics), como  alternativa al modelado de túnel de viento,  se abordan con más detalle en  Kopp y Barks  (2012) y Kopp y Maffei (2011). El uso de la CFD no figura actualmente en ASCE 7 como un método aceptable para obtener las acciones del viento de proyecto, pero no es descartable que esta situación eventualmente cambiará.

Figura 3.  Ejemplo de la comparación entre los resultados de un ensayo de túnel de viento y los valores normativos [Anexo 49361].

Gracias a los trabajos mencionados, está bien establecido y aceptado en la industria fotovoltaica que las acciones del viento deben establecerse utilizando pruebas de túnel de viento de capa límite realizadas con geometrías específicas para el panel y el sistema de montaje que se está utilizando. Desafortunadamente, todavía hay algunas dudas en la forma en que se debe realizar una evaluación adecuada del túnel de viento que pueda conducir a resultados no conservadores y posiblemente catastróficos porque la norma ASCE 49 Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures  se desarrolló sin tener en cuenta las pruebas de  PV, y por ende existe la falta de claridad sobre cómo realizar estudios de túnel de viento de capa límite para arreglos de PV  montados en techos. Los requisitos adicionales normalizados en  la Sección 31.6 de SEAOC PV2 -2012  y en el Capítulo 31 de ASCE 7-16 resuelven parcialmente estas limitaciones, sin  embargo, todavía hay diferencias de opinión sobre cómo realizar tales estudios para mantener la consistencia del riesgo, pues coeficientes por debajo del 50% de los valores establecidos por ASCE pueden conducir  a  errores no conservadores del  mismo orden de magnitud que la incertidumbre de la medición.

Para que los resultados de un estudio de túnel de viento sean aplicables a una amplia gama de condiciones de instalación, el modelo de la edificación debe ser lo suficientemente grande como para generar un ambiente de flujo real. Modelos a escala 1:25 a 1:50 que tienen aproximadamente cuatro veces la altura del modelo  capturan los vórtices en las esquinas y la reconexión de flujo que gobierna la zonificación del techo (Figura 6). El estudio de túnel de viento también debe proporcionar recomendaciones para las distancias de remetimiento (setbacks) de los equipos sobre techos, áticos, terrazas y otras particularidades del edificio. Las pruebas realizadas a escalas mucho más pequeñas pueden dar lugar a imprecisiones [http://solarprofessional.com/articles/design-installation/wind-load-analysis-for-commercial-roof-mounted-arrays].

Finalmente  destacar la importancia  del análisis estadístico de las presiones máximas obtenidas en los ensayos. Ni ASCE 7  ni ASCE 49 se pronuncian  a pesar de su importancia que puede poner en riesgo algunos sistemas.

Alternativamente a  los esfuerzos descritos anteriormente para definir metodologías y estándares para un proyecto estructural que cumpla con los Códigos  del International Code Council, ICC, Evaluation Services Acceptance Criteria AC 428 for Modular Framing Systems Used to Support Photovoltaic (PV) Panels) y UL 2703 Standard for Mounting Systems, Mounting Devices, Clamping/Retention Devices, and Ground Lugs for Use with Flat-Plate Photovoltaic Modules and Panels de  Underwriters Laboratories,  se trabajó en el establecimiento de certificaciones y clasificaciones para sistemas de montaje,  imitando los estándares de panel correspondientes en UL1703 Standard for Flat-Plate Photovoltaic Modules and Panels. UL2703 se concibió en 2011 originalmente como un esquema para la investigación, y se ratificó como un estándar vinculante en julio de 2016. Este estándar describe pautas y pruebas para verificar que los sistemas de montaje funcionen adecuadamente con respecto a la unión eléctrica, la corrosión y la carga mecánica. Aunque UL2703 no establece cuáles deberían ser las acciones del viento en una estructura, esboza una prueba de carga mecánica para simular las cargas que la estructura recibiría del viento, la nieve y las cargas permanentes, y una clasificación mínima que la estructura debe aprobar.

Aunque es muy  deseable y útil  contar con criterios de seguridad y certificaciones para garantizar la seguridad de los sistemas PV, el estándar adolece de ambigüedad. Existe una amplia gama de sistemas de montaje para diversas aplicaciones  y de  intentos de estandarizar su aplicación a todos ellos. Esto se ha mejorado a medida que se publican nuevas versiones, no obstante todavía hay varias lagunas significativas, y la interpretación de la norma puede variar sustancialmente por parte de Laboratorios de Pruebas Reconocidos Nacionalmente (Nationally Recognized Testing Laboratories, NRTL).

CIRCULACIÓN DEL VIENTO SOBRE TECHOS CON SISTEMAS DE PANELES PV

En las Figuras 4 a 6 se observa el fenómeno de separación del flujo de aire en techos con sistemas PV,  y que se ha incorporado en los procedimientos SEAOC y ASCE y en las  investigaciones de procedimientos más adecuados para la industria fotovoltaica, como lo muestran los principales cambios en sus respectivas normas.

Figura 4. Separación y reencuentro del flujo del aire  sobre un techo con PV [Anexo 49172.  En el Anexo 49354 la separación del flujo del aire en techos con paneles diferentes condiciones  times y  para  techos a dos aguas, ver  el Anexo 49118].

Figura 5. Ensayo en túnel de viento. El viento lateral sopla de derecha a izquierda (flechas blancas) y produce sobre el techo las presiones de empuje y succión  (vista cenital del techo que se muestran en el lado inferior izquierdo de la figura). A la vez que genera presiones internas en la edificación (flechas verticales, azul y verde  [Anexo 49348 ].