Aprovechamiento del seguimiento solar inteligente: algoritmos avanzados para la protección contra el granizo

El granizo es un fenómeno atmosférico difícil de predecir y altamente destructivo debido al gran tamaño que pueden alcanzar las bolas de granizo que, junto a su alta velocidad, pueden producir impactos dañinos en la gran mayoría de las construcciones.

El granizo se produce debido a la existencia de corrientes convectivas de aire en las cuales el aire cálido hace ascender grandes masas de aire cargado de humedad a capas altas y frías de la atmosfera, produciendo que dichas masas de aire húmedo se enfríen muy rápidamente, solidificándose y dando lugar a las bolas de granizo. El tamaño de dichas bolas dependerá del acoplamiento entre las corrientes de aire caliente y frío, lo que da lugar a que el tamaño de dichas precipitaciones sea difícilmente predecible.

Las tormentas de granizo causan grandes destrozos a lo largo del mundo cada año debido a su fuerza destructora.

En el caso de las plantas solares, la alta dureza de los materiales utilizados para la construcción de la cara frontal de los módulos solares, que resulta ventajosa frente a daños como la abrasión, da lugar también a una alta fragilidad lo que hace que los módulos sean muy susceptibles a daños por impacto. Aunque cada vez es más habitual que los módulos se encuentren certificados (IEC 61215) frente a impactos de granizo de hasta 25mm de diámetro en su velocidad terminal, existen multitud de áreas en las cuales el diámetro medio del granizo es superior a este valor.

Esta problemática hace necesario proteger los módulos ante este tipo de eventos que potencialmente pueden ocasionar pérdidas económicas considerables.

La disposición de paneles con estructura fija no es capaz de desarrollar una estrategia de defensa eficiente frente a esta problemática como puede ver en la figura 2. Por el contrario, los seguidores solares sí disponen de la adaptabilidad necesaria para actuar frente a este tipo de eventos y reducir el potencial impacto en las instalaciones fotovoltaicas, donde los daños pueden ser igual de catastróficos que en las estructuras fijas como se observa en la figura 3.

Existen áreas del mundo poco o nada expuestas a este tipo de fenómenos, sin embargo, en otras zonas la frecuencia e intensidad de las tormentas de granizo hace que sea necesario tener en cuenta estos eventos y adoptar medidas para mitigar sus efectos. En la figura 4 y 5 se puede observar que la franja central de EEUU es una zona muy propensa a precipitaciones de granizo y además registra bolas de granizo muy por encima del diámetro para el que se certifican los módulos fotovoltaicos. Igualmente, en la figura 6 se muestran las áreas europeas más afectadas por precipitaciones de granizo por encima de los 20mm.

El daño en los módulos debido al impacto de las bolas de granizo se producen por una disipación de la energía cinética, debida a su masa y a su velocidad terminal en caída libre, sobre el cristal frontal del módulo.

Cualquier acción que disminuya la cantidad de energía que debe disipar el módulo por el impacto producirá una reducción del riesgo de que dicho módulo sufra daños por un evento de granizo.

Tomando la velocidad de la bola de granizo como un vector se deduce fácilmente que cualquier acción asociada a aumentar la inclinación entre dicho vector y el vector normal a la superficie del módulo da lugar a una reducción en el daño producido al módulo ya que se reduce la energía cinética asociada al impacto. La posición más favorable se da por tanto cuando la normal es perpendicular a la dirección del granizo. En la figura 7 puede observarse que, en el caso del módulo con una inclinación de 0º respecto al eje Y, el vector normal al módulo es coincidente con el eje Z, una precipitación de granizo con una inclinación de 90º respecto al eje Y disipará toda su energía en la superficie del módulo. Por otro lado, si el módulo cuenta con una inclinación de 55º el vector normal al módulo ya no será coincidente con la dirección de caída del granizo y por tanto no tendrá que disipar completamente la energía del impacto.

En condiciones ideales de atmosfera sin viento el vector velocidad del granizo solo tendrá componente vertical, sin embargo, los eventos de granizo, como se ha comentado al inicio del artículo, suelen ir asociados a fuertes corrientes de viento. Estas corrientes de viento influyen en el vector velocidad de las bolas haciendo que tengan asociada también una componente horizontal. Esta componente de velocidad horizontal implica que la posición más favorable para mitigar los efectos del granizo no sea totalmente vertical sino con cierto ángulo de inclinación respecto a la vertical.

En la figura 8 se observa como debido a la componente de velocidad horizontal de las precipitaciones de granizo, la inclinación del vector velocidad, en este caso 55º respecto al eje Y, puede llegar a ser completamente perpendicular al vector normal a la superficie del módulo. En este caso los daños en el panel serían mínimos ya que apenas se producirían impactos y de producirse la energía que debe disiparse es mínima.

Aunque los datos que existen sobre el ángulo de impacto de las precipitaciones de granizo son escasos, existen modelos numéricos capaces de calcular los ángulos de impacto en función de los parámetros habituales de las tormentas de granizo. En la figura 9 se muestran los datos de uno de estos modelos, pudiéndose observar que las precipitaciones de entre 25-50mm, que ya pueden producir daños en el módulo fotovoltaico y mucho más frecuentes que las superiores a 50mm como puede ver en las figuras 4 y 5, suelen mostrar una inclinación respecto a la horizontal de entre 55 y 70º.

Dado que las tormentas de granizo son un fenómeno meteorológico puntual y breve, la estrategia para minimizar los daños de éstas se basa en dos puntos principales:

Las tormentas de granizo son fenómenos meteorológicos rápidos con duración típica no superior a los 15 minutos.

Aunque existen multitud de servicios meteorológicos capaces de alertar ante eventos de granizo, así como la posibilidad de llevar manualmente la planta a una posición de protección frente a granizo por parte del operador de planta, la rapidez de los daños que pueden causar estar tormentas hace necesario un sistema dedicado de detección rápido y fiable. Por ello, nuestro sistema de protección contra granizo incorpora sensores específicos para su detección complementarios a las predicciones, lo que supone una ventaja significativa frente a sistemas basados en activaciones manuales, pues cuenta con un sistema de alerta temprana.

Una vez recibida la alerta, el algoritmo de Soltec regula la activación del modo protección ante granizo en función de la velocidad del viento, que además le permite revertir el seguidor a su posición de seguimiento una vez se detecte que ha pasado la alerta.

El sistema adopta a la mayor brevedad posible medidas que reducen la exposición de los módulos a los impactos de granizo. Dada la rápida evolución de este fenómeno, es necesario contar con mecanismos con una gran velocidad de movimiento, lo que supone una ventaja a la hora de evitar daños. En el caso de Soltec, nuestro motor rápido, con una velocidad de giro final de 20º/min, nos permite posicionar rápidamente el seguidor solar en la posición de defensa frente a granizo.

Esta posición se corresponde típicamente con el máximo ángulo de seguimiento contrario a la dirección del viento, como puede observarse en la figura 8. De esta manera, la cara frontal del panel queda menos expuesta a la trayectoria oblicua de las bolas de granizo y la cara trasera queda también protegida por no encontrarse en una posición completamente vertical.

Los seguidores que cuenten con una posición de defensa contra el viento similar a la posición de defensa frente a granizo, como es el caso de los seguidores de Soltec, contarán con una ventaja adicional, ya que como se ha comentado, las tormentas de granizo suelen ir asociadas a fuertes vientos.

Ante una tormenta de granizo, los módulos fotovoltaicos que se encuentren en posición de defensa frente a una tormenta de granizo , inclinados con su vector normal lo más perpendicular posible a la dirección de granizo, presentaran una superficie expuesta inferior a los módulos que no hayan adoptado una posición de defensa específica, lo cual se traduce en una reducción porcentual de los impactos de bolas de granizo. En caso de que la inclinación del vector velocidad del granizo sea igual a la inclinación adoptada en la posición de defensa, el porcentaje de impactos puede llegar a ser insignificante En el caso de Soltec, la inclinación de la posición de defensa de nuestro seguidor (55º, opcional 60º) coindice con la inclinación más habitual para el granizo entre 25-50mm, como puede verse en la figura 9, aportando también una buena protección para la inclinación más habitual del granizo por encima de 50mm. En las siguientes tablas se muestra la superficie de expuesta del módulo para diferentes inclinados de módulo y dirección de granizo.

Además, esa inclinación respecto a la caída del granizo se traduce en que el módulo tendrá que disipar menos de energía cinética de la bola de granizo, en las siguientes tablas se muestra el porcentaje de energía que deberá disipar el módulo debido al impacto de una bola de granizo de 25mm a velocidad terminal:

Esto se traduce en una reducción del riesgo de que los módulos sufran daños catastróficos debido al impacto de bolas de granizo sobre su cara frontal que puede entenderse como la combinación de una reducción de área y la combinación de una menor energía disipada. Esta combinación puede reducir el riesgo de daños por granizo entre un 50% para bolas entre 50 -75mm y daños prácticamente nulos en función de la inclinación del granizo.

Las plantas solares con seguidores ubicadas en zonas expuestas a tormentas de granizo deben incluir un algoritmo de defensa contra el granizo que permita evitar el mayor daño posible sobre los módulos. En el caso de Soltec, este algoritmo se basa en nuestra experiencia en combatir fenómenos meteorológicos adversos en plantas a lo ancho y largo del planeta.

Como ya se ha indicado a lo largo de este documento, los daños pueden ser catastróficos y pueden tener un impacto importante, no solo sobre el reemplazo de los módulos impactados, sino en la pérdida de producción de la planta. Por ello, es importante tener un sistema de defensa de detección temprana, dotado con sensores, y una rápida respuesta por parte de los seguidores que puedan posicionarse en la posición más ventajosa, que no siempre será la vertical, sino que dependerá también de la velocidad y la dirección del viento.

Aunque es difícil estimar el valor económico de las posibles pérdidas en caso de no posicionar los seguidores en un ángulo defensivo contra el granizo, pues dependerá de los daños causados, es más que necesario activar métodos de prevención ante fenómenos que dañen las plantas solares.