Paneles solares y viento: producción, daños, instalación

El viento es uno de los factores ambientales más importantes para los sistemas solares fotovoltaicos (FV). Puede tener un efecto positivo en el rendimiento al enfriar los módulos, pero los vientos fuertes también pueden suponer graves riesgos de daños físicos si las instalaciones no están debidamente diseñadas.

¿Cómo afecta el viento a los paneles solares?

El viento puede mejorar la producción de los paneles solares principalmente gracias a su efecto de enfriamiento. Los módulos solares fotovoltaicos funcionan mejor a temperaturas más bajas y el calor excesivo reduce su voltaje y eficiencia proporcionalmente a su coeficiente de temperatura (-0,24%/ºC a -0,34%/º).

Cuando el viento sopla sobre un panel, elimina el calor y reduce la temperatura de funcionamiento del panel, aumentaba la producción de energía en aproximadamente un 7 % respecto a la misma situación sin viento. Por ejemplo, investigadores en Marruecos descubrieron que incluso con un viento suave (alrededor de 5-6 m/s) se reducía la temperatura de un panel en algo más de 12 ºC, lo que aumentaba la producción de energía en aproximadamente un 7 % respecto a la misma situación sin viento.

En general, un rango de velocidades de viento de 1 a 5,8 m/s provoca caídas de temperatura del módulo de 1 a 14 °C y ganancias de eficiencia de hasta un 6,5% aproximadamente.

Es interesante saber que la dirección del viento también puede tener un efecto positivo en la producción de los paneles solares. Un estudio realizado en el Reino Unido por la Universidad de Lancaster descubrió que cuando el viento sopla desde el sur, puede aumentar la producción de una granja solar hasta en un 20%-43 % (respecto a la misma situación sin viento), debido a la forma en que fluye el aire.

Por lo tanto, en países como España o Portugal donde hace mucho calor y sol, una ligera brisa puede ayudar a mantener algo más frescos tus paneles fotovoltaicos y que produzcan un poco más de energía que si no hubiera viento.

¿Qué daños puede causar el viento a los paneles solares?

Los paneles solares están fabricados para soportar el viento, pero cuando los vientos son fuertes o las instalaciones están mal hechas, existe la posibilidad de que se produzcan daños de algunas de las maneras que detallamos a continuación.

• Fallos de inclinación y montaje: El daño por viento más común es debido a la inclinación excesiva (exposición al viento). Los vientos por encima de unos 90-100 km/h (25-28 m/s) suelen considerarse el punto en el que los problemas de levantamiento y montaje se convierten en un potencial problema importante. El viento que sopla sobre la superficie del panel y especialmente por debajo de él (en el caso de los paneles de tejado, a través del hueco entre el panel y el tejado) crea una presión hacia arriba. Esta presión puede incluso arrancar el panel de su soporte de montaje o incluso arrancar el propio soporte del tejado. En casos realmente extremos, incluso los paneles bien anclados han permanecido sujetos mientras el viento arrancaba secciones del tejado que había debajo. Es importante destacar que el eslabón más débil no suele ser el cristal o el marco del panel, sino el sistema de montaje y su fijación al edificio. La mayoría de los módulos solares se someten a pruebas de resistencia a vientos fuertes, por lo que si hay algún daño, suele estar más relacionado con una mala fijación del panel a la estructura de soporte o el anclaje al tejado.

• Tensión estructural y agrietamiento del vidrio y células: Los vientos fuertes flexionan y hacen vibrar los paneles solares. Si el viento es muy fuerte, el vidrio del panel puede agrietarse o las células pueden sufrir microroturas. Por lo general, los vientos que superan los 100-120 km/h (aproximadamente 28-33 m/s) se consideran lo suficientemente fuertes como para suponer un riesgo real de tensión estructural o agrietamiento en el cristal del panel y las celdas. Las ráfagas de viento en línea recta (vientos fuertes que no son catalogados como huracanes) agrietan el cristal templado de los paneles. El problema es que una vez que el cristal se agrieta, puede entrar agua y arruinar el panel eléctricamente. Incluso también si el panel no sale volando, el marco del panel puede doblarse o torcerse bajo la carga del viento, lo que acabará por provocar daños internos. Este tipo de daño puede no ser visible de inmediato (microgrietas), pero reduce la producción o terminará por provocar fallos con el tiempo.

• Impactos de escombros voladores: Las tormentas de viento suelen arrastrar escombros y suciedad que pueden golpear los paneles. Por lo tanto, hay que tener cuidado con cosas como ramas, gravilla u otros objetos lanzados por los fuertes vientos, que pueden suponer un riesgo de impacto y dañar el panel. El viento con suficiente fuerza para levantar y lanzar escombros sueltos (ramas, fragmentos de tejados, etc.) con una velocidad muy dañina se da aproximadamente por encima de los 90-100 km/h (25-28 m/s). En ese sentido los paneles utilizan vidrio templado, que es muy resistente siempre que supere los 3-4 mm de grosor. Después del paso de un viento fuerte, es una buena idea revisar si hay daños, y si ves algún módulo roto, es mejor reemplazarlo por seguridad.

• Daños eléctricos y de otro tipo: El viento a veces puede desconectar el cableado o los conectores si no están bien sujetos y conectados. También puede hacer que los cables sueltos se agiten y se terminen rompiendo por desgaste. Incluso vientos de solo entre 60 y 80 km/h (17-22 m/s) pueden hacer que los cables o conectores se agiten o vibren si no están bien sujetos, lo que provoca desgaste del aislamiento, desconexiones de los conectores o abrasión y desgaste contra el marco del módulo. En casos de que un panel se desprenda de una cadena, esto puede ejercer tensión en el cableado o romper la serie del string por lo que se podrían dañar eléctricamente el resto de equipos del sistema fotovoltaico, lo que se llama BOS (Balance of System, todos los equipos componentes fotovoltaicos excepto los paneles fotovoltaicos).

Los paneles solares modernos son generalmente muy resistentes al viento, por lo que no es un aspecto por el que preocuparse demasiado. Muchas marcas certifican que sus módulos soportan cargas de viento de 2400 Pa o más (unos 210-225 km/h). Es más el hecho del montaje y sujeción a la estructura de soporte y anclaje lo que suele ocasionar más problemas. Otra cosa es como las células se comportan y si sufren microfisuras.

¿Qué es el “efecto vela” y por qué es peligroso?

Cuando el viento golpea un panel solar, especialmente en un ángulo en el que puede pasar por debajo del panel, el panel actúa como una vela, atrapando el viento y generando fuerzas de elevación y arrastre. Este “efecto vela” puede ser bastante peligroso porque puede ejercer mucha presión sobre los soportes del panel y terminar por arrancarlos. Los módulos solares son planos, por lo que la diferencia de presión causada por el viento que fluye es similar a cómo funciona el ala de un avión o una vela. Pero aquí, la fuerza está empujando pero también levantando el panel al tener inclinación. Cuanto más rápido es el viento, mayor es la fuerza de elevación (aumenta con el cuadrado de la velocidad del viento).

$$F=\frac{1}{2}\times \rho \times V^2\times A\times C$$

ρ es la densidad del aire (aproximadamente 1,225 kg/m³ al nivel del mar),
V es la velocidad del viento (en m/s),
A es el área del panel que da al viento (en m²),
C es un coeficiente de forma o presión (adimensional).

Si el sistema de montaje y las fijaciones al tejado no son lo suficientemente robustos para contrarrestar esa fuerza, el panel (o todo el sistema de montaje) puede salir volando. Cuanto más rápido es el viento, mayor es la fuerza de elevación (aumenta con el cuadrado de la velocidad del viento).

El efecto vela puede conducir a un fallo en cadena. El efecto vela es más fuerte en paneles con más inclinación y en paneles de los extremos de una cadena donde el viento puede entrar libremente por los lados. Otro problema añadido es que este efecto vela puede conducir a un fallo en cadena. Una vez que un panel o sección de la estructura comienza a levantarse, esta expone más superficie al viento, lo que provoca una reacción en cadena en la que se terminan desprendiendo varios paneles.

Los paneles montados en el suelo, especialmente en grandes plantas de generación en terreno abierto, pueden actuar como velas. Si no están debidamente anclados (por ejemplo, con pilotes profundos o un lastre fuerte), los paneles montados en el suelo pueden caerse o sufrir daños en el marco a causa del viento.

¿Cuánto viento pueden soportar los paneles solares?

Los fabricantes de módulos fotovoltaicos los certifican para cargas de viento elevadas, y las normativas europeas garantizan que las instalaciones se diseñen para las condiciones de viento locales.

En Europa, los paneles se someten a pruebas según la norma IEC 61215 para cargas estáticas de 2400 Pa (frontal) y 2400 Pa (trasera), o incluso superiores. Las zonas del interior pueden utilizar una velocidad del viento de (90-100 km/h), mientras que las zonas costeras o montañosas pueden utilizar más de 110 km/h.

Cuando traducimos esto en presión sobre un panel, vemos que un viento de 100 km/h puede suponer una presión de alrededor de 600-800 Pa (Pascal), y las ráfagas más fuertes pueden superar con creces los 1000 Pa. Por eso, la mayoría de los módulos solares estándar se prueban para soportar un mínimo de unos 2400 Pa, lo que equivale a una velocidad del viento de 225 km/h que golpea el panel.

Por lo tanto un panel certificado de buena calidad puede soportar vientos de alrededor de 225 km/h cuando se instala correctamente.

De todos modos hay que resaltar que las normativas europeas de resistencia al viento no especifican una velocidad de viento universal para los paneles solares, pero sí dicen que las instalaciones deben diseñarse de acuerdo con los requisitos de la normativa local. El Eurocódigo y los códigos de construcción nacionales están para garantizar que el sistema de estructura y el método de fijación estén diseñados para resistir las cargas de viento específicas de su ubicación (incluidos los factores de seguridad) pero no se especifica nada para los paneles solares.

Por ejemplo, en una región de fuertes vientos en la costa española, es posible que la instalación fotovoltaica deba soportar ráfagas de 150 km/h o más en más de una ocasión a lo largo de su vida útil. Es responsabilidad del instalador/ingeniero asegurarse de que todo el sistema (anclajes de techo, pernos, marcos, grapas, etc.) pueda soportar eso.

Aunque 2400 Pa es una referencia para paneles solares comunes, algunos se fabrican aún más resistentes. Hay paneles que pueden soportar hasta 4000 Pa de carga de viento (e incluso 7000 Pa de carga de nieve) sin sufrir ningún daño. Hay que tener en cuenta que 4000 Pa es equivalente a un viento de unos 290 km/h, nada menos. Estos paneles son perfectos para lugares que suelen verse afectados por fuertes temporales o que están muy expuestos a los elementos.

¿Cómo instalar paneles solares en zonas con viento?

Para instalar paneles solares en zonas con viento es aconsejable seguir algunas de las siguientes recomendaciones.

• Utilizar estructuras de soporte de perfil bajo: Mantener los paneles más cerca del tejado (coplanar) y utilizar soportes con bordes lisos e inclinados ayuda a que el viento fluya en lugar de “agarrarse” a los paneles. Algunas sistemas de montaje en rack para vientos fuertes también incluyen deflectores o faldones que impiden que el viento se meta debajo de los paneles. Esto reduce el efecto vela. En lugares con mucho viento, se pueden instalar refuerzos adicionales si el diseño previo lo estima conveniente en función del historial de viento de la zona.

• Anclar los paneles de forma segura: Para las instalaciones en tejados en zonas de mucho viento, es una buena idea atornillarlos a las vigas del tejado o utilizar suficientes anclajes, en lugar de depender únicamente de lastres. Los sistemas lastrados muy comunes en tejados planos pueden utilizarse en zonas de viento moderado, pero en lugares muy ventosos pueden necesitar lastre extra y correas de sujeción adicionales. Un consejo útil es colocar cualquier conjunto lastrado lejos de los bordes y esquinas del tejado, y aumentar el lastre (o añadir amarres) para los paneles de los bordes que están más expuestos al viento. Los bordes y esquinas del tejado experimentan la mayor presión del viento, por lo que es una buena idea añadir un 50 % más de lastre o puntos de anclaje adicionales para los paneles cercanos al perímetro del tejado.

• Elegir sistemas de estructura de montaje de alta calidad y certificados para vientos fuertes: no todas las estructuras de soporte de paneles solares y abrazaderas (grapas) son iguales; en zonas ventosas, es mejor invertir en un sistema de montaje que haya sido probado o clasificado para vientos fuertes (más de 140 km/h). Utiliza siempre materiales resistentes a la corrosión para todas las grapas de sujeción y los soportes. Utiliza pernos de acero inoxidable, aluminio anodizado y estructuras de soporte de acero galvanizado en caliente. Recuerda que si una grapa de sujeción falla, ese panel podría soltarse y provocar un efecto dominó. Por lo tanto, cada tuerca y cada tornillo cuentan. También es aconsejable utilizar arandelas de seguridad para que las vibraciones no aflojen las sujeciones con el tiempo.

• Configuración de la implantación: dejar algunos huecos entre los paneles, en lugar de tener una sola superficie, permite equilibrar la presión y puede reducir el levantamiento general porque el viento puede fluir entre los espacios. Si utilizas varias filas de paneles, y están demasiado juntas, el viento puede canalizarse por debajo de la siguiente fila.

• Seguir el manual de instalación: Sigue siempre las distancias máximas de sujeción, etc., para la carga del viento, indicadas en el manual del fabricante del módulo. De lo contrario, en caso de incidencias, no serán cubiertas por las garantías.

¿Cómo calcular la fuerza del viento sobre los paneles solares?

Para saber la fuerza del viento sobre paneles solares se puede calcular utilizando la ecuación de presión del viento de la dinámica de fluidos, que es la siguiente.

$$F=\frac{1}{2}\times \rho \times V^2\times A\times C$$

Siendo:

ρ es la densidad del aire (aproximadamente 1,225 kg/m³ al nivel del mar),
V es la velocidad del viento (en m/s),
A es el área del panel que da al viento (en m²),
C es un coeficiente de forma o presión (adimensional).

Para una placa plana como un panel solar, si el viento lo golpea de frente, C tiene un valor de alrededor de 1,0.Básicamente, la presión dinámica es:

$$\frac{1}{2}\times \rho \times V^2\times A\times C$$

Y la fuerza (F) es esa presión multiplicada por el área del panel.

Veamos un ejemplo con 2 paneles de tamaños y potencia habituales.

1. Un panel de 420 W, de dimensiones aproximadas de 1,730 m × 1,118 m, lo que da un área A = 1,93 m2.

2. Un panel de 600 W, de dimensiones aproximadas de 2,278 m × 1,134 m, lo que da un área de A = 2,58 m2.

Paso 1: Vamos a considerar un escenario de velocidad del viento fuerte de 150 km/h (41,7 m/s).

Paso 2: Calculamos la presión dinámica.

$$q=\frac{1}{2}\times \rho \times V^2=0.5\times 1.225\text{kg/m³}\times \left(41.7\text{m/s}\right){}^2=1062\text{Pa}=1062\text{N/m²}$$

Es decir, a la velocidad del viento de 150 km/h (41,7 m/s), este ejerce una fuerza de 1,06kN por metro cuadrado de superficie del panel (1 Pa = 1 N/m2).

Paso 3: Multiplicamos la superficie del panel por la fuerza calculada, suponiendo que el panel está elevado para el peor de los casos. Esto podría provocar microfisuras en las células si la estructura no está bien dimensionada.

Para el panel solar de 420W tendríamos:

F = 1,06 kN/m2 × 1,93 m2 = 2,04 kN (2048 N) de fuerza total.

Para entenderlo, esta fuerza es como el peso de una masa de 204 kg (ya que 1 kg ejerce 9,81 N de fuerza debido a la gravedad). Así que, aproximadamente, 200 kg de fuerza empujando el panel. Esta fuerza se distribuiría por el panel y se transferiría a sus puntos de sujeción y provocaría una deformación que podría provocar microfisuras en las células.

Para el panel de 600W tendríamos:

F = 1,06 kN/m2 × 2,58 m2 = 2,73 kN (2742 N).

Sería entonces como una fuerza de 274 kg que se distribuye por el panel y que puede afectar a las sujeciones y provocar microfisuras en las células.

Relacionado con esta presión es la prueba a la que se someten los paneles solares para superar el mínimo de 2.400 Pascales. Esa presión sería la equivalente a un viento de unos 225 km/h y en el caso de un panel como el de 420W supondría soportar 472 kg de fuerza. Por eso los paneles solares se ensayan con sacos de arena que suman los 450-500kg de peso, para simular el equivalente de los 2.400 Pascales.

¿Se necesita un permiso especial para instalar placas solares en una zona ventosa?

En España la mayoría de las instalaciones solares en tejados pequeños y medianos, no requiere de una licencia de construcción completa; en su lugar, normalmente se presenta una Declaración Responsable ante el ayuntamiento local. Se trata básicamente de una declaración firmada de que la instalación cumplirá con todos los códigos y reglamentos aplicables. La seguridad estructural del viento es uno de esos requisitos del código. Por lo tanto, aunque no se necesite un permiso especial solo porque la zona es ventosa, el instalador debe asegurarse de que se comprueba el diseño para la resistencia al viento como parte del cumplimiento del código de construcción estándar (el CTE, Código Técnico de la Edificación).

Por ejemplo, si planeamos una gran instalación solar en un tejado en una zona de fuertes vientos, el ayuntamiento podría solicitar un informe técnico básico. Esto significa que un ingeniero deberá calcular la carga de viento según el código y verificar que los paneles y los soportes puedan soportarla. Incluso para sistemas más pequeños, aunque es posible que no se presente formalmente un cálculo detallado, el instalador es responsable de construirlo según el código, lo que implica que debe soportar las velocidades de viento locales.