La instalación de estructuras/seguidores solares para la generación de energía, por parte de pequeñas empresas hasta grandes productores de energía ha aumentado significativamente en los últimos 10 años, propiciando la necesidad de validación de las estructuras que soportan los paneles fotovoltaicos.
Eurocódigo, código de validación estructural de referencia a nivel mundial, no contempla, de manera implícita, el cálculo de este tipo de estructuras. Por ello, desde CADE se ha desarrollado una metodología de trabajo contrastada bajo el paraguas de los distintos códigos estructurales para el análisis y la validación de este tipo de estructuras.
El flujo de trabajo de CADE para la validación de estructuras que soportan los paneles fotovoltaicos es el siguiente, y depende de las necesidades/documentación de referencia aportada:
Contenido
Revisión y estudio de la información aportada por el cliente
En esta etapa se revisa toda la documentación aportada por el cliente relativa a las estructuras/seguidores solares, y posteriormente se emite un informe de conclusiones. Esta información sirve como punto de partida para la realización de los modelos 3D de las estructuras/seguidores, necesarios para llevar a cabo el análisis estructural.
Medición en campo para obtención de modelos geométricos
En caso de que no se disponga de planos generales y de detalle de las estructuras/seguidores, es necesario la realización de una visita al emplazamiento para llevar a cabo una toma de datos y mediciones de todos los componentes de la estructura. El fin último es obtener todos los datos acerca del diseño de dichas estructuras: tipos de perfiles, espesores, posiciones, sistemas de accionamiento, detalles de uniones atornilladas, sistemas de anclaje de los paneles.
Esta medición y obtención de datos de diseño sirve como punto de partida para la realización de los modelos 3D de las estructuras/seguidores, necesarios para llevar a cabo la validación estructural.
Determinación de cargas de viento según Eurocódigo
Existen varias posibilidades para la obtención de las cargas de viento:
- Cálculo de coeficientes de presión mediante túnel de viento: En caso de el cliente considere necesaria la determinación de cargas de viento a partir de ensayos de túnel de viento, desde CADE se procesan dichas cargas en base a los informes obtenidos mediante esta metodología.
- Cálculo de presiones sobre las estructuras/seguidores solares mediante análisis fluidodinámico (CFD)
Metodología de reconocido prestigio por la cual no solo es posible calcular los coeficientes de presión debido a una determinada carga de viento, sino también la posibilidad de realizar estudios sobre la configuración del campo fotovoltaico, determinación de valores óptimos de ángulos de inclinación o altura de la estructura con respecto al suelo, entre otros. - Cálculo de cargas de presiones mediante especificaciones de Eurocódigo 1: Para la obtención de cargas de viento mediante especificaciones de Eurocódigo 1 se considera la velocidad de diseño especificada por el código para la zona de emplazamiento, o en su defecto el cliente podrá especificar otras velocidades en función de si dispone de estudios de viento de la zona. Estos estudios deben ser contrastados.
En caso de que se requiriera la consideración de factores de ocultamiento para una mayor optimización estructural, estos se pueden obtener mediante análisis CFD.
Obtención de coeficientes orográficos
En caso de que no exista un estudio de los coeficientes orográficos, necesarios para la consideración de las cargas de viento, se realiza un estudio de detalle de dichos coeficientes. Se considera necesaria la realización de este estudio si:
- Lo requiere el cliente.
- Tras la revisión de los planos topográficos o tras la visita a planta se observa que el terreno presenta accidentes orográficos que puedan influir en la determinación de los coeficientes orográficos.
- Tras la revisión de los cálculos aportados por el cliente se observa que es necesario este estudio, ya que han asumido coeficientes poco conservadores.
Modelado y Simulación de comportamiento estructural del seguidor
En esta fase se realiza una modelización de la estructura solar para poder validar frente al código de diseño.
Para ello se realizan las siguientes tareas:
I. Modelizado de la estructura solar
Una vez que se tienen los datos geométricos de los seguidores/estructuras solares (obtenidos de los planos del fabricante o tras la realización de las mediciones en campo) se realiza un modelo 3D global, mediante la caracterización geométrica de todos los componentes de estas estructuras (pilares, tubos de torsión, pórticos, correas, paneles) con el fin de evaluar el comportamiento global de dicha estructura mediante el análisis por elementos finitos.
Para la realización de este modelo global se pueden dar dos situaciones:
- Se utilizan simplificaciones geométricas, de modo que los perfiles de la estructura se caracterizan mediante elementos viga, mientras que los paneles solares se caracterizaran mediante elementos tipo superficie. No se tienen en cuenta las uniones en detalle ya que se estudia la estructura desde un punto de vista global.
- Estudio global mediante modelo descrito en el apartado anterior y, de manera complementaria, modelos de detalle para evaluar el comportamiento de zonas críticas (uniones). Para ello, los modelos se realizan mediante el uso de elementos superficie/sólido que permiten la caracterización geométrica detallada de todos los elementos de la unión
En estos modelos de cálculo se implementan las características mecánicas de los paneles fotovoltaicos aportados por el cliente.
II. Análisis de cargas y combinaciones
Se tienen en cuenta en el análisis las cargas de nieve, sismo, viento y peso propio según las preinscripciones del Eurocódigo 1.
Las hipótesis de carga y sus correspondientes coeficientes de mayoración se obtienen de acuerdo a Eurocódigo 1.
III. Realización de un análisis estático del seguidor/estructura solar, mediante análisis por elementos finitos (FEM)
Se realiza un análisis por elementos finitos de la estructura completa para evaluar el comportamiento global de la estructura, a partir del modelo global realizado en apartado I.
El análisis se realiza con el software de cálculo ANSYS WORKBENCH en su última versión.
El objetivo es identificar los puntos críticos de la estructura y verificar que las estructuras cumplen los requisitos mínimos establecidos en el código.
Para ello se realizan los siguientes tipos de análisis:
- Análisis modal, para determinar las frecuencias propias del seguidor y sus modos de deformación asociados. El objetivo de este análisis será evaluar la rigidez de la estructura y utilizar estos valores para la determinación de las cargas estáticas y dinámicas.
- Análisis estructural estático, para evaluar el comportamiento global de la estructura / seguidor, considerando las cargas mecánicas que actúan sobre la estructura (peso propio, viento, nieve y sismo). Se pretende con este análisis determinar los estados de tensiones y deformación de los distintos componentes del seguidor, para posteriormente validarlos frente a las tensiones admisibles determinadas por Código.
- Análisis de pandeo lineal para determinar los modos de pandeo (pandeo global, abolladuras, alabeos, pandeos locales) de la estructura o de sus componentes y los factores de seguridad asociados a cada modo.
IV. Verificación de los principales elementos de la estructura
Una vez determinados los estados tensionales en cada componente y zona de la estructura, se obtienen los coeficientes de aprovechamiento en cada uno de ellos mediante la comparación de las tensiones de cálculo frente a las tensiones admisibles establecidas en el Eurocódigo 3.
De manera complementaria, se verifica que las deformaciones obtenidas tras los cálculos no superen los límites de deformación establecidos por el código para cada uno de los componentes de la estructura.
V. Verificación de las uniones o Secciones de eje
Se realiza un análisis por elementos finitos de cada una de las uniones consideradas, mediante la modelización detallada de todos los componentes de la unión, mediante el uso de los modelos de detalle descritos en I. Los modelos de detalle incluyen las piezas de unión, refuerzos y la tornillería. Se modelizan las mismas con elementos Shell y elementos solido a fin de caracterizar fielmente el detalle geométrico de dichas uniones.
Para la verificación de las uniones se utilizan las tensiones de cálculo obtenidas de los modelos de elementos finitos de los modelos de detalle, comprobando la integridad estructural de las piezas, y de manera complementaria, la verificación de la tornillería atendiendo a los criterios del Eurocódigo 3.
VI. Estudio de la estabilidad del seguidor frente a fenómenos aeroelásticos
Para la evaluación de la estabilidad del seguidor frente a fenómenos aeroelásticos se aplican los criterios de Eurocódigo 3, UNE-EN 1991-1-4 en el Anexo E.
- Galope torsional
- Flameo
- Divergencia torsional
- Desprendimiento de vórtices
- Vibración por bataneo
Implementación medidas correctoras
En caso de que una vez analizados, algunos de los componentes no cumplan los requisitos del código, se pone en conocimiento del cliente y se plantean las medidas de mejora necesarias para que dichos elementos cumplan las prescripciones establecidas por código.
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