Presentat en el World Congress on Engineering 2013, a Londres

Fig. 1: Els càlculs en aquest estudi s'han realitzat utilitzant Solid Works Flow Simulation, de Dassault.

La finalitat de l'estudi és doble: d'una banda, es tracta d'estudiar l'efecte de la posició de cadascun dels panells solars en el conjunt de la instal·lació pel que fa a la càrrega suportada per l'efecte del vent; en segon lloc, es tracta d'un estudi preliminar orientat a proposar alguna forma de protecció contra el vent en les instal·lacions PV, mitjançant la instal·lació d'un panell protector situat en l'adreça dels vents dominants. Per a això s'ha recorregut a una metodologia de ‘experimentació virtual, mitjançant un programari de càlcul CFD, sobre un model concret.

El model estudiat està compost per una matriu de 5 x 5 seguidors solars, sobre una superfície plana. Els panells són de 7 x 4.5 m, amb una elevació de 45º. L'altura del centre dels panells és de 2 m (Fig. 2). La protecció proposada consisteix en una làmina de 40 m de longitud, amb una inclinació de 45º: com es pot veure en la figura, cobreix completament les files centrals de panells, però només parcialment les files més exteriors.

Fig. 2: La matriu de panells PV (dimensions en mm).

Els càlculs s'han realitzat utilitzant Solid Works Flow Simulation, de Dassault. Aquest programari permet la resolució de la fluidodinámica en el domini escollit, podent obtenir fàcilment els esforços suportats per les superfícies dels panells PV. El domini computacional estudiat és de 200 x 70 x 15 m. El mallado dóna 1.2 milions d'elements, amb un refinat automàtic. S'ha simulat vent de cara i de cua (respecte als seguidors solars) per a una velocitat de 100 km/h (27.8 m/s). S'han calculat els esforços suportats pels panells situats en diferents posicions.

Els paràmetres que s'han tingut en compte són la posició del panell en el conjunt, l'altura del panell protector i la seva distància respecte a la matriu de panells PV. S'han estudiat quatre posicions diferents, tal com s'indica en la figura 3. La primera posició situada en el primer lloc de la fila més exterior, no ben coberta pel panell de protecció. La posició 2 està en el primer lloc de la fila central, la posició més propera al panell de protecció. La posició 3 és una posició centrada en la matriu de panells. Finalment, la posició 4 està en la cantonada final de la matriu: malament protegida pel panell de protecció però protegida pels seguidors situats davant d'ella.

Com pot veure's en la figura 4, un vent de cara de 100 km/h representa unes càrregues molt considerables sobre els panells PV. Però aquestes càrregues són molt diferents segons la posició que cada seguidor solar ocupa dins del camp. Un panell interior a la matriu (posició 3) suporta un moment de cabotejo quatre vegades menor que un panell situat en el front (posició 1 i 2).

El segon objectiu de l'estudi és realitzar una estimació preliminar de la influència d'un panell protector sobre les càrregues degudes al vent. La distància mínima entre aquest panell i el conjunt dels seguidors solars depèn de la seva geometria i de la latitud de la instal·lació.

Com pot veure's en la figura 5, per al model estudiat i una latitud entorn dels 40º, la distància no ha de ser molt inferior als 10 m. A aquesta distància de 10 m, un panell de protecció amb una elevació de 45º, i amb amplàries d'entre 3.5 i 5.0 m, els resultats de les simulacions redueixen el moment de cabotejo (Z-Torque) a valors per sota de 10 kNm (Fig. 6), la qual cosa significa una reducció del 90% respecte als valors calculats sense aquesta protecció. L'amplària del panell de protecció no sembla tenir un efecte massa significatiu sobre els resultats, en el marge de valors considerat.

Els moments entorn dels eixos X i I són molt similars, la qual cosa és raonable, ja que representen dos components d'un mateix moment (XY) que s'exerceix entorn de l'eix perpendicular a la superfície dels panells solars. Aquest moment és gairebé nul per als panells situats en posicions ben cobertes, però té un valor significatiu per a les posicions situades en la fila més exterior de la matriu (1 i 4). Això és a causa que la protecció solament parcial, al costat de la situació exterior, produeix una distribució asimètrica de les càrregues sobre el panell, la qual cosa es tradueix en un moment que tendeix a fer girar el panell amb un moviment de ‘guiñada’.

També s'ha simulat el mateix cas, situant en aquesta ocasió el panell de protecció a 15 m de distància. Els resultats obtinguts indiquen que la protecció empitjora, ja que els valors del moment de cabotejo aconsegueixen fins a 35 kNm per a la posició menys protegida (1).

Les simulacions realitzades per a un vent de cua de 100 km/h també llancen resultats interessants. Sense cap protecció, els moments calculats sobre els panells PV en les diferents posicions aconsegueixen els 14 kNm en les posicions 1 i 2, que són ara les pitjors posicions per estar en l'arrencada del deixant que deixa el vent. Introduint un panell de protecció situat a 10 m de distància de la matriu de seguidors solars, s'obtenen valors inferiors a 5 kNm (Fig. 7).

El conjunt d'aquests càlculs sembla indicar que la introducció de panells de protecció per als camps solars pot ser una actuació interessant per reduir els costos de manteniment de les instal·lacions amb una inversió relativament baixa. També indica que els esforços exercits sobre les diferents posicions dins de la matriu de panells són importants. Això podria tenir-se en compte a l'hora de dissenyar els seguidors solars per a diferents posicions. Però per a això haurien de tenir-se resultats més concloents que els que poden desprendre's d'aquest treball, que solament pot considerar-se una aproximació preliminar. Encara falta contrastar els càlculs realitzats amb dades experimentals, així com estudiar altres configuracions per trobar maneres de generalitzar els resultats.

Referències

• Hernández, S., Méndez, J., Nieto, F. and Jurado, JA., (2009) Aerodynamic analysis of a photovoltaic solar tracker, EACWE 5, Florence (It).
• Mohapatra, S., (2011) Wind tunnel investigation of wind lloeu on a ground mounted photovoltaic tracker, M.sc. Thesis, Colorit State University (Co, USA).
• Pfahl, A., Buselmeier, M. and Zaschke, M., (2011) Wind loads on heliostats and photovoltaic trackers of various aspect ràtios, Solar Energy 85, 2185–2201.
• Wang, S., Sun, I., Wang Q., Wang Q. and Wei M., (2011) Limit Requirements Simulation of Sundial Solar Tracking Machine, Chinese Journal of Mechanical Engineering.
• Shademan, M. and Hangan, H., (2010) Wind loading on solar panels at different azimuthal and inclination angles, The Fifth International Symposium on Computational Wind Engineering (CWE2010), Chapel Hill (NCa, USA).