La importancia de las pruebas de viento a la hora de elegir un proveedor de seguidores solares

Por Chase Anderson, Director de Desarrollo de Productos, Terrasmart | 8 de junio de 2023

Las condiciones climáticas desafiantes se están convirtiendo en la nueva normalidad para los desarrolladores de energía solar y los propietarios de activos, lo que requiere nuevas medidas para gestionar los riesgos y garantizar la rentabilidad.

Comprender la importancia de las pruebas de viento y cómo los diferentes tipos de fuerzas del viento afectan el diseño y la producción del seguidor puede ayudar a los productores de energía a asegurar la tecnología de seguimiento de un solo eje adecuada para su sitio y región.

Una variedad de elementos afectan la forma en que el viento afecta a los seguidores solares en cada sitio individual, que van desde fenómenos meteorológicos locales y topografía hasta la influencia de otras estructuras u objetos cercanos. Debido a que no hay dos sitios fotovoltaicos iguales, cada uno exige personalizaciones específicas del sitio, lo que agrega complejidad al diseño de estos proyectos.

Si los perfiles de viento no se tienen en cuenta correctamente en el diseño de un rastreador, los propietarios de activos pueden enfrentar una cadena de eventos, incluidos gastos de reparación y tiempo de inactividad, así como menores rendimientos de energía y, en última instancia, no alcanzar los objetivos financieros.

Observar los matices técnicos involucrados en el diseño para diferentes tipos de vientos y comprender cómo las pruebas adecuadas del rastreador pueden influir en las características de diseño del rastreador, como los ángulos de almacenamiento y la amortiguación, impulsan la aerodinámica estable para el rendimiento a largo plazo.

La evaluación cuidadosa de las condiciones de viento de un sitio permite hacer las preguntas correctas desde el principio.

La variabilidad en la velocidad, la turbulencia y la dirección del viento pueden tener efectos inesperados en los seguidores solares y el entorno que los rodea. Comprender los efectos del viento ayuda a los desarrolladores y EPC a tener en cuenta las incertidumbres y optimizar el rendimiento.

Los efectos del viento se pueden clasificar en tres categorías principales: estáticos, dinámicos y aeroelásticos.

El diseño del seguidor debe centrarse en contrarrestar estos efectos para lograr la estabilidad aerodinámica, según la empresa de ingeniería canadiense RWDI, que se especializa en pruebas de viento. Cada componente de la estructura de un seguidor debe evaluarse para garantizar una resistencia optimizada a las cargas de viento. Es necesario tener en cuenta una serie de fallas potenciales, que incluyen:

La comprensión de los efectos del viento no solo es fundamental para el diseño del equipo, sino que saber cómo capear las ráfagas de viento también puede optimizar el rendimiento de un rastreador. Conocer vientos anómalos en una parte específica de un sitio fotovoltaico, por ejemplo, significa que se podría usar una barrera contra el viento para reducir la velocidad y la turbulencia del viento, mejorando la estabilidad y la precisión del rastreador. Se podrían implementar sensores sofisticados para detectar variaciones del viento y ajustar la posición de un rastreador para optimizar la producción de energía. También es posible reducir el perfil de un seguidor, aumentar su rigidez o diseñarlo con materiales específicos que resistan las cargas de viento y los efectos aeroelásticos.

Las pruebas en túnel de viento juegan un papel fundamental en el desarrollo de seguidores solares. Los modelos a pequeña escala se utilizan para evaluar cómo un nuevo rastreador podría manejar cualquier cantidad de condiciones de viento, lo que revela las limitaciones de diseño al principio del desarrollo. Después de los ajustes al diseño, se puede producir un rastreador rentable y de tamaño completo que minimiza el riesgo.

La simulación del terreno contra el viento es uno de los componentes críticos de las pruebas en túnel de viento. Este tipo de simulación replica las obstrucciones del mundo real que podrían afectar las fuerzas del viento, como árboles y edificios o incluso otras filas de rastreadores en el sitio.

La simulación del comportamiento contra el viento incluye diferentes curvas de elevación, rugosidad superficial modificable, barreras móviles y representaciones de varios eventos de viento, incluidos fenómenos como huracanes y tornados.

El ángulo de almacenamiento y las cargas de viento estáticas y dinámicas asociadas deben considerarse cuidadosamente al diseñar un seguidor solar resistente al viento. Una estrategia de mitigación útil es la amortiguación, que disipa o controla la energía vibratoria o las oscilaciones en un sistema.

Los amortiguadores son una parte clave del desarrollo de una estrategia de almacenamiento óptima, especialmente para los seguidores solares a 0° de almacenamiento, que son susceptibles a las fuerzas de torsión que provocan movimientos giratorios y de torsión a lo largo del eje de un tubo de torsión. Durante el desarrollo de un rastreador 1P resistente al viento, se probaron diferentes ángulos de inclinación en un túnel de viento para desarrollar una estrategia de almacenamiento óptima. La prueba demostró que los ángulos de inclinación más bajos proporcionaron menos cargas estáticas en la estructura y menos fuerza en el sistema en general. Un ángulo de inclinación de 0° proporcionó el valor de coeficiente más bajo, ya que la carga lateral era cercana a cero.

Los ángulos de inclinación más altos colocaron tensiones adicionales en la estructura, lo que requirió más cimientos o mayores tamaños de cimientos y tubos de torsión para soportar fuerzas laterales adicionales. Por el contrario, se encontró que una estrategia de almacenamiento de 0° implementada con el grado correcto de sobreamortiguación y rigidez para resistir la deformación requiere menos cimientos.

El diseño ideal para un almacenamiento de 0° debe equilibrar la rigidez, la amortiguación y el peso para controlar los costos del rastreador, proteger los activos y mantener la eficiencia. Si bien almacenar en ángulos de inclinación elevados puede ser seguro, puede generar mayores cargas de viento en los cimientos y otras partes de la estructura, lo que requiere sistemas más rígidos o diseños sobreamortiguados para mitigar las fluctuaciones dinámicas que causan inestabilidad aerodinámica.

La amortiguación adecuada, que restringe las vibraciones y las oscilaciones, es crucial para garantizar la estabilidad de un sistema de seguimiento solar. Determinar la cantidad y el tipo correctos de amortiguación depende de una variedad de factores, como el ángulo de replegado del diseño, la longitud del ala y la masa de la estructura.

Una vez más, la prueba es clave aquí. Un sistema que está subamortiguado puede volverse inestable, lo que requiere mitigaciones costosas, como amortiguadores adicionales para hacer frente a las fuerzas de torsión que, de lo contrario, podrían causar daños o incluso fallas en el rastreador.

Para el seguidor solar 1P discutido en la sección anterior, que tenía una estrategia de almacenamiento de 0° y una longitud de ala de 30 a 40 m, se encontró que de dos a cuatro amortiguadores por fila eran suficientes para crear una estructura amortiguada correctamente.

Debido a que las pruebas de calidad son esenciales para determinar la configuración correcta, asegúrese de elegir un proveedor de soluciones de seguimiento con experiencia en amortiguadores que pueda cumplir con las especificaciones, el presupuesto y los plazos del proyecto.

La prueba de un diseño de rastreador no se puede hacer de forma aislada. Es esencial realizar pruebas en varias filas para equilibrar la rigidez y la amortiguación para maximizar el rendimiento y mitigar los riesgos a largo plazo. El posicionamiento, el blindaje y los vórtices de viento pueden afectar el rendimiento aeroelástico de diferentes segmentos de un panel solar de varias maneras.

Las pruebas de filas múltiples giran la mesa para simular las pruebas de viento desde múltiples ángulos para determinar el impacto del viento estático y dinámico en el perímetro y las filas centrales de un sistema. Los grifos de presión pueden determinar las cargas máximas de viento estáticas y dinámicas para proporcionar los valores de coeficiente necesarios para diseñar ángulos de almacenamiento optimizados de 0°. Los valores también ayudan a determinar la cantidad ideal de cimientos y la altura de arreglo más rentable.

Si bien un ángulo de almacenamiento de 0° era ideal para el seguidor 1P de ejemplo, con todas las filas comportándose de la misma manera que el viento soplaba sobre los paneles en el almacenamiento, las zonas del perímetro recibieron cargas más altas en una posición de almacenamiento previo antes de impactar las zonas centrales a favor del viento.

Es importante verificar los efectos aeroelásticos para mantener la eficiencia, evitar el desgaste mecánico, reducir el tiempo de inactividad y disminuir la eficiencia. La prueba de varias filas mejora el diseño general de un sistema y permite ajustes de estrategia para garantizar que las zonas perimetrales no afecten negativamente a las filas centrales del arreglo.

La prueba de arranque, tirando y soltando un rastreador para simular una ráfaga de viento y evaluar su comportamiento dinámico, valida la rigidez y la relación de amortiguación de un rastreador. El proceso también incluye pruebas de amplitud alta y baja y una prueba de agitación. Los resultados se comparan con los resultados de las pruebas aeroelásticas de viento para equilibrar el diseño.

Es esencial incorporar los ángulos de rotación indicados en los cálculos de la prueba de arranque para predecir rotaciones potenciales de hasta 15° con precisión. Una prueba de arranque que tenga en cuenta los ángulos más bajos puede ser más fácil de simular, pero podría afectar la precisión.

Las pruebas de arranque adecuadas garantizan que un rastreador funcionará como se espera en condiciones de viento reales, lo que evita costosos tiempos de inactividad. Elija un proveedor de soluciones de seguimiento con amplia experiencia en pruebas de arranque y un equipo de ingeniería experimentado capaz de validar los informes de viento aeroelásticos existentes.

Al evaluar las tecnologías de seguimiento, tenga en cuenta a los fabricantes con pruebas exhaustivas en el túnel de viento que pueden proporcionar datos sólidos para respaldar estas preguntas:

¿Ha realizado el fabricante del seguidor pruebas exhaustivas en túnel de viento estáticas, dinámicas y aeroelásticas de varias filas en los últimos años? ¿Pueden demostrar que el diseño de su seguidor cumple con las tolerancias especificadas en estas pruebas?

¿Pueden demostrar que su diseño cumple con las tolerancias especificadas en estas pruebas, incluida la frecuencia natural, la amortiguación, la altura del arreglo, la longitud de la cuerda, la longitud del rastreador y el GCR?

¿Cuál es la velocidad crítica del viento que el sistema puede soportar durante el funcionamiento y almacenamiento normales? ¿Hay cálculos específicos que demuestren cómo se calculan estas velocidades utilizando datos del informe de viento aeroelástico?

¿Puede el fabricante del rastreador proporcionar evidencia de que su diseño tiene en cuenta todas las presiones especificadas y las combinaciones de carga específicas del túnel de viento más allá de los requisitos del código de construcción estándar?

Si el diseño del fabricante del rastreador no utiliza amortiguadores, ¿pueden verificar que su rastreador no experimente efectos aeroelásticos adversos durante el funcionamiento normal y la estiba?

Chase Anderson se unió a Terrasmart en 2012 como parte del equipo de soporte de campo de ingeniería donde visitaba regularmente los sitios de proyectos en el noreste. Desde entonces, ha sido fundamental en el avance de la investigación y las pruebas de Terrasmart sobre el análisis de carga de viento y nieve. Como empresa integrada de almacenamiento, instalación, eBOS y software, Terrasmart ha instalado 20 GW de capacidad solar en 4900 proyectos en algunos de los sitios más difíciles del país.