Un aspecto central vinculado al propósito de disminuir los costos relacionados específicamente con la parte constructiva y de instalaciones FV pasa en nuestras condiciones por la resistencia de los sistemas FV a los fuertes vientos, sobre todo de huracanes, por lo que se impone hacer un análisis de riesgos y costos al respecto, teniendo muy en cuenta las especificidades de la FV que deben ser utilizadas para lograr un óptimo en esta relación.
El análisis lo haremos sobre la base de distintas probabilidades de daño al sistema SF.
Probabilidades de riesgos.
Cuando existen distintos factores de probabilidades de ocurrencia porcentual, la probabilidad final es la que se obtiene de multiplicar las diversas probabilidades, que va resultando cada vez más pequeña. Veamos a continuación distintos elementos que propician disminuir las probabilidades de daño, teniendo en cuenta, además de los cálculos estructurales de resistencias probables, las muy importantes características tecnológicas inherentes de los sistemas FV que tributan a un análisis más integral y que permiten concluir mas certeramente sobre la disminución de daños por vientos y huracanes, aspectos que desarrollamos a continuación.
Probabilidad 1.
Los inversorres por lo general estan muy protegidos, al igual que el cableado y otros componentes del sistema FV que sufren muy poco. Los módulos FV pueden sufrir algo al paso de huracanes, sobre todo por impactos y torceduras de las estructuras, pero en forma repartida. No todas las componentes del sistema FV tienen mayores probabilidades de riesgo. Los elementos más vulnerables son el módulo y la estructura soporte. No todo el sistema FV esta sometido a la misma probabilidad de daños, por lo que el % de daño total al sistema FV disminuye.
Probabilidad 2.
Con relación a los módulos, los productores garantizan una resistencia de 2400 pascales de presión perpendicular, o sea: La resistencia de los módulos se corresponde con una presión originada por la velocidad del viento de 228 km/h (vientos máximos de un huracán de categoría 4), en dirección perpendicular al módulo.
Es necesario comprobar este requisito tanto en módulos ensamblados nacionalmente como en los importados debido a posibles reclamaciones. Las mediciones de presiones perpendiculares a los módulos FV son bastantes sencillas, se realizan por métodos mecánicos y no precisan necesariamente de métodos mas caros como por ejemplo la utilización de túneles de viento.
Debido a la gran resistencia comprobada del módulo al viento, los aspectos de fijación y de estructura son los que influyen mas en las resistencias de carga pertinentes y que se hace importante optimizar para garantizar los riesgos vs costo, fundamentalmente depende de:
- fijación del módulo a la estructura metálica soporte.
- resistencia de la propia estructura.
- fijación de la estructura al suelo o cubierta de la instalación del sistema FV.
esto hace que recaiga en la parte del diseño de las estructuras soporte una parte de este aseguramiento, siempre vs costo, que después será ejecutada por los instaladores.
Probabilidad 3.
Hacer las “filas” de instalaciones FV con 2 en lugar de 4 módulos transversales, o sea disminuir el espacio transversal sometido al viento, para que la resistencia mecánica del sistema FV al viento disminuya sustancialmente. Además es importante recalcar que una de las características de las estructuras FV están ubicadas cerca del suelo, a diferencia por ejemplo de las torres de transmisión eléctrica del Sistema Electroenergético Nacional (SEN) o de las eólicas, donde con la altura, baten con mas frecuencia los fuertes vientos.
Probabilidad 4.
Hacer las filas de módulos mas largas, recomendación que hicimos hace tiempo. Pueden ser hasta de muchas decenas de módulos y llegar a mas de 100 metros. Ello contribuye al posible ahorro de estructura y a la resistencia ante rachas de vientos fuertes debido al limitado alcance del ancho de estas rachas, y a la ayuda a la resistencia mecánica por la parte de la estructura aledaña no sometida a dichas rachas.
Probabilidad 5.
De instalar el módulo con inclinación a 15° (en lugar de los grados de latitud correspondientes) se obtiene una mayor resistencia del sistema a los vientos. Pero además:
- la diferencia de energia solar captada es pequeñísima.
- se privilegia la generación en el verano
- disminuye la altura del poste posterior.
- se estrecha la calle entre filas de módulos. (disminución de área total del sistema)
- posible ahorro de cableado
Probabilidad 6.
Mundialmente la mayoría de los sistemas FV se instalan para resistir vientos hasta de unos 150 -170 km/h para que no resulte en daño alguno. Esto no significa que para vientos de mayor velocidad, el sistema FV necesariamente se destruya, ya que el comportamiento es porcentualmente probabilístico, o sea, va aumentando paulatinamente a partir de % pequeños de probabilidad de daños con el aumento del viento superior a los 150 -170 km/h.
Probabilidad 7.
En la determinación del riesgo hay que tener en cuenta la probabilidad de la ocurrencia (recurrencia) del paso de huracanes en la isla, o sea, por los sistemas FV. Veamos, en 207 años han azotado a Cuba unos 15 huracanes de gran intensidad. Para las áreas más vulnerables el período de retorno en años de ciclones de categorías 2 y 3 es de:
- Pinar del Río: 17 años,
- Isla de la Juventud: 21 años,
- Artemisa + Mayabeque: 15 años,
- La Habana: 21 años,
- Matanzas: 21 años.
El periodo de retorno en años de ciclones de categorías 4 y 5 es de:
- Pinar del Río: 34 años,
- Isla de la Juventud: 41 años,
- Artemisa + Mayabeque: 51 años,
- La Habana: 51 años,
- Matanzas: 51 años.
Este carácter también probabilistico se debe tener muy en cuenta.
El occidente del país necesita una gran generación de energía eléctrica, y por supuesto también FV. El hecho que esta zona sea algo más vulnerable a huracanes no debe ser una limitante. Compárese la recurrencia con los 25 años de vida útil del los sistemas FV.
Probabilidad 8.
Una característica propia de las instalaciones FV (en el hemisferio norte) es que se instalan con orientación hacia el sur con el ángulo de inclinación correspondiente. Debido a ello, cuando el viento sopla del sur lo que hace es empujar más hacia el suelo al sistema. Por otro lado cuando el viento sopla desde el este o el oeste tampoco origina muchos daños. Es cuando el viento sopla desde el norte que se produce el efecto “vela” que trata de “empujar” el sistema hacia arriba a la vez que el viento que pasa por encima del módulo desde el norte lo succiona también hacia arriba en forma similar a las alas de los aviones. O sea que de las 4 coordenadas de direcciones del viento, solo una, la que procede del norte es la más peligrosa.
Probabilidad 9.
Otra posibilidad que disminuye en gran medida la probabilidad de daños es construir edificaciones e industrias necesarias tan altas como se quiera pero solamente por el lateral norte del sistema FV pues “rompen” los vientos del norte y no causan sombra al sistema FV. Además, también se pueden construir montículos, cercas, parabanes, superficies desviadoras de viento, entre otras, desde el norte por donde sopla el viento en la dirección de empuje debajo del módulo hacia arriba y desde arriba por succión.
La edificación rompe el viento norte y permite simplificar estructura
Probabilidad 10.
La zona de vientos máximos que define la categoría de un huracán está en un área mucho más pequeña que la del diámetro del huracán, en una zona cercana a las paredes del vórtice del ciclón (en color rojo en la próxima imagen), Es decir, tiene que pasar esta zona específica del ciclón como área de más daño.
Fuertes vientos en rojo
Probabilidad 11.
Ya nos referimos a que el viento que sopla desde el norte es el más dañino, pues bien, debido a la circulación del viento en un huracán en contra de las manecillas del reloj, el mayor daño solo se produce cuando la zona oeste cercana al vórtice del ciclón es la que pasa exactamente por la zona donde esta enclavado el sistema FV (en color amarillo en la imagen). Cuando pasan las zonas sur, norte o este del huracán por el sistema FV en cuestión, la probabilidad de daño disminuye notablemente.
Vientos del norte en amarillo
Probabilidad 12.
El hecho de desarrollar un programa FV en el cual se planifica distribuir las instalaciones FV conectados a la red a lo largo y ancho de todo el país en un gran número (por ejemplo Alemania tiene > 1 500 000 conectados a red y Australia > 1 000 000) hace que un ciclón al afectar una zona del país, el daño en términos probabilísticos, es solo para una pequeña parte de todas las instalaciones.
Probabilidad total final integral.
De acuerdo con la multiplicación de todas las probabilidades antes mencionadas de daños FV azotados por ciclones resulta una probabilidad final muy pequeña.
Las estructuras no deben sobredimensionarse, sino optimizar su diseño mediante un cálculo apropiado de costo-riesgo para resistir los vientos que por probabilidad deben afrontar. Este tema es de gran atención actualmente a nivel mundial para continuar abaratando las estructuras soportes metálicas FV que han ido disminuyendo de más de $0.30 USD/Wp para tender a menos de $0.15 USD/Wp.
Disminuir el costo de la estructura FV en $0.10 USD/Wp representa el ahorro de un millón de USD por cada 10 MW FV instalados. Existen variantes actuales que tienden llevar el costo de las estructuras metálicas a cerca de $0.10 USD/Wp, para los módulos actuales con eficiencias del 15 %, y que en un futuro próximo será de $0.08 USD/ Wp con los módulos del 20 % de eficiencia, eficiencia que se debe lograr para módulos de silicio multicristalino en los próximos años.
Otros aspectos.
Las instalaciones de poca potencia (~ decenas de kWp), en techos o en suelo, los módulos se pueden quitar y resguardar si es necesario. Aproximadamente 4 módulos componen un sistema de 1 Kw. y 20 módulos 5 Kw. En instalaciones o parques pequeños de hasta 50 kW de potencia FV, compuestos de unos 200 módulos, una brigada las puede quitar y resguardar en varias horas de trabajo.
Experiencia internacional en daño por huracanes
Los daños que se reportan en regiones de países sometidos a azotes de huracanes y tifones y gran cantidad de sistemas FV fijos, no son sustanciales. En el Caribe, incluyendo Cuba, con menos sistemas FV instalados, la experiencia es similar.
Los países donde también azotan huracanes y que poseen una mayor cantidad de sistemas FV instalados, muchos de ellos en zonas de huracanes tifones y tornados, son: China 77 000 MW, EEUU 20 000 MW, Japón 18 000 MW, Australia 4 000 MW, países que continuarán creciendo más rápidamente en instalaciones FV.
Actualmente se están montando por empresas de experiencia, fundamentalmente de Francia, EEUU y España, una mayor cantidad de sistemas FV en el Caribe y zonas cercanas, todas azotadas por huracanes en: República Dominicana, Puerto Rico, México, Honduras, Guadalupe, Islas Caimán, Martinica, Islas Vírgenes, entre otras.
En la imagen anterior se muestra la instalacion FV localizada el Fuerte Jefferson de los EEUU, Parque Nacional Dry Tortugas de EEUU a 108 km al oeste de Cayo Hueso (24°37′43″N 82°52′24″O), muy cerca del occidente de Cuba, por donde la ocurrencia de huracanes es considerable. Notese en la imagen la sencillez del anclaje al suelo y las estructuras metálicas sencillas. Mike Jester, gerente de esta instalación declaró después del paso de un huracán: “Me impresionó el rendimiento del sistema. Nunca se vino abajo durante la reciente temporada de huracanes con vientos de hasta 190 km/h.”
Laurie Stone de Solar Energy Internacional, en la revista Home Power # 86 (diciembre 2001 – enero 2002), con relación a los sistemas remotos instalados en Cuba comentó: “Muchos de estos sistemas han sobrevivido tres huracanes sin daño alguno”.
Conclusión
La generación distribuida de la FV por todo el país, con una ocupación total insignificante del área nacional, tiene una carácter localizado ante los desastres por lo que disminuye la probabilidad de una catastrofe general FV.
El encarecimiento real por hacer las estructuras innecesariamente más robustas y resistentes a las velocidades de los vientos constituye un gasto mucho, pero mucho mayor que el costo de los daños probables ocasionados por el paso de huracanes, lo que conspira contra un desarrollo mas ambicioso FV nacional.
Se deben hacer los cálculos para que el sistema FV dominado por el aspecto de la estructura resista vientos de 150 KM/h y se logren en los próximos años en base a la experiencia adquirida, costos por estructura (sin contar el costo de la mano de obra de instalación) < $0.10 Wp.
De hacer más robustas las estructuras distribuidas por todo el territorio nacional para resistir vientos de categoría 5, cosa que no se hace en ningún diseño estructural por tener siempre un carácter probabilistico, el costo real sería mucho mayor que los daños probables que haría un huracán a su paso por una parte de las instalaciones FV, lo que limitaría financieramente un mayor desarrollo de la FV en el país.
El posible azote de huracanes hay que tenerlo en cuenta, pero no debe constituir una limitante para desarrollar un programa nacional FV que puede llegar a alcanzar una penetración a muy largo plazo de incluso un 30% de la generación eléctrica del país, tema también de gran atención mundial actual que hemos abordado en otros trabajos.
Muy bueos post sobre la energía FV. He aprendido mucho.