El impacto de los fenómenos meteorológicos extremos en las instalaciones de energía solar térmica y fotovoltaica

Las instalaciones de energía solar al tener parte de sus componentes al exterior están expuestas, al igual que muchos otros elementos de nuestra vida cotidiana, a los fenómenos meteorológicos extremos.

Es importante conocer que efectos pueden tener estos y que medidas se toman para contrarrestar sus posibles repercusiones negativas. Conocerlas puede ayudar a exigir dichas medidas en de nuestras instalaciones.

Lluvia torrencial

La lluvia torrencial se presenta habitualmente en los sistemas tormentosos y en las borrascas profundas y pueden tener diversa intensidad y duración.

En los sistemas de energía solar térmica y fotovoltaica, la lluvia torrencial, en si misma, no tiene ningún efecto negativo en cuanto a la integridad del equipo. Por el contrario la lluvia resulta beneficiosa ya que ayuda a limpiar el polvo y las impurezas acumuladas en las superficies de los captadores. Este lavado ayuda a que la radiación solar incida más limpiamente y haya una mayor eficiencia del sistema. Una lluvia torrencial hará la limpieza más vigorosa.

Por otro lado en los días calurosos una tormenta corta (con lluvia torrencial o no) rebaja la temperatura de los paneles fotovoltaicos provocando que cuando vuelva a salir el Sol estos trabajen con un mejor rendimiento.

Es preciso, no obstante, que exista un buen drenaje en el área en que estén situados los captadores solares para evitar posibles inundaciones que pudieran provocar corrosiones y posibles deterioros del equipo.

El granizo

El granizo es un tipo de precipitación sólida que se produce en las tormentas muy intensas en el cual el agua cae en forma de bolas de hielo de dimensiones y peso variables. El granizo resulta muy negativo para las cosechas por los daños mecánicos que produce en las plantas y a los frutos. Una granizada muy intensa puede provocar también grandes daños en zonas urbanas en tejados, ventanas, cristaleras y coches.

granizo

Energía solar térmica– En realidad es poco probable que una granizada llegue a romper el vidrio de un colector solar. Las granizadas con la intensidad suficiente como para romper un colector solar son muy poco habituales y en el caso de que ocurra causarán también daños importantes en otras estructuras de la casa y de las zonas urbanas.

Para minimizar el riesgo de rotura de un colector solar por granizada, se debe adquirir aquellos cuyo vidrio sea templado. Un vidrio templado de 6 mm de grosor es capaz de resistir el impacto de una bola de acero de 500 gramos dejado caer desde una altura de 2 metros.

Energía solar fotovoltaica– Los paneles solares fotovoltaicos, antes de ser puestos a la venta, son sometidos a una serie de pruebas muy rigurosas para asegurar que poseen una gran resistencia mecánica. Una de estas pruebas consiste en arrojarles bolas de hielo por medio de un cañón de aire simulando lo que sería una granizada extremadamente severa, ante lo cual han de resistir sin romperse. La superación de esta prueba garantiza que los paneles solares aguantarán cualquier tipo de granizada.

El viento fuerte

El viento es el movimiento del aire que se produce entre dos áreas de la tierra con distintas presiones atmosféricas para compensar el desequilibrio. El aire se dirigirá desde las áreas de altas presiones hacia las de bajas presiones. Suele asociarse a la llegada de borrascas, tormentas y perturbaciones en general aunque también esta presente en áreas desérticas debido a las bajas térmicas que se producen con el calor. También podemos encontrar vientos locales como en las costas y en los valles

Energía solar térmica y fotovoltaica– En ambas tecnologías el viento puede producir idénticos problemas debido a la semejanza estructural que tienen los colectores solares térmicos y paneles fotovoltaicos. Ambos presentan una forma aplanada que es la más adecuada para captar la radiación solar pero que sin embargo también los hace muy sensibles a la acción del viento. El “efecto vela” que se puede producir en los captadores puede resultar peligroso si no se toman las medidas precisas. Un viento lo suficientemente fuerte puede llegar a hacer volar el captador con la consiguiente pérdida del componente y el peligro de ocasionar daños materiales y personales.

El viento más peligroso para el panel solar es el que se dirige hacia el ecuador. (Viento proveniente del Norte en el hemisferio Norte y del Sur en el hemisferio Sur) Esto se debe a dos factores:

La fuerza que ejerce el viento sobre un objeto depende de la superficie que se oponga a él. Al estar los colectores orientados hacia el ecuador será el viento que se dirija hacia esa dirección el que mas fuerza ejerza sobre los colectores ya que incidirá perpendicularmente sobre ellos.

viento ecuatorial y de otra procedencia

(1) El viento con dirección al ecuador es el que ejerce más fuerza dado que incide perpendicularmente en toda la superficie del captador (2) En el caso en el que el viento tenga una dirección distinta la fuerza se reparte por la superficie inclinada.

En la imagen la franja roja representa la porción de viento con fuerza máxima que incide en cada captador en función de la inclinación con respecto a él que tiene. Empíricamente se observa que cuando el viento incide perpendicularmente es cuando ejerce más fuerza

Al incidir este viento por la parte trasera del colector, ejercerá una fuerza de tracción sobre los anclajes que es la que resulta peligrosa. Cuando el viento proviene del ecuador y aunque incida también sobre el captador perpendicularmente, en este caso la fuerza actúa a compresión, transmitiéndose en su estructura a los soportes y de ahí al suelo disipándose en gran medida

esquema efecto viento polar en colector

Viento con dirección al ecuador que incide en la parte trasera del colector y genera un impulso a tracción que resulta peligroso

 efecto viento ecuatorial en colector

Viento con dirección al polo más próximo que genera un impulso a compresión el cual se transmite al soporte y de ahí al suelo

Para evitar que el viento en algún momento pueda llevarse volando los captadores es preciso que la estructura de soporte ejerza una fuerza hacia el suelo (mediante pesos) igual a aquella que el viento sea capaz de ejercer sobre los captadores. Es decir habrá que lastrar la estructura con un peso que al menos iguale a la fuerza máxima histórica que haya tenido el viento en la zona en la que se encuentre la instalación. También será preciso emplear tornillería de primera calidad resistente a la corrosión. Un técnico adecuadamente preparado deberá tener en cuenta estos factores y lastrar la estructura adecuadamente

Los calentadores solares termosifónicos al tener el tanque cargado de agua llevan incorporado el peso suficiente para soportar vientos muy fuertes.

Los rayos

Los rayos son descargas eléctricas que se producen en las nubes de tormenta. Los rayos portan inmensas cantidades de energía con lo que pueden causar graves daños sobre los objetos en los que caigan.

rayo

Las instalaciones solares al tener sus captadores solares generalmente en los tejados tienen posibilidades potenciales de recibir la caída de rayos debido a que el rayo siempre busca el camino más corto hasta la tierra que en este caso son los objetos altos.

Es extraordinariamente excepcional que un rayo llegue a caer en un captador solar pues si es estadísticamente muy escasa la probabilidad de que caiga un rayo en un lugar determinado, en caso de que ocurra, antes lo hará en un pararrayos o en un árbol. En cualquier caso si se considera que existe riesgo real de caída de un rayo en el equipo se recomienda la instalación de un pararrayos junto a los captadores y dotar de una tierra física a estos para hacer mínimos los daños en el caso de que llegue a ocurrir

Independientemente de la posible caída de un rayo una instalación solar fotovoltaica deberá contar con una tierra física por tratarse de una instalación eléctrica

La nieve

La nieve es un tipo de precipitación sólida que se produce cuando la temperatura del ambiente está por debajo de los 0 grados en la superficie. El agua cae en copos formados por cristales de hielo.

La nieve precipita en las áreas frías del planeta: En áreas próximas a los polos, en zonas templadas en invierno y en regiones orográficamente elevadas (cordilleras, mesetas)

paisaje nevado

Energía solar térmica y fotovoltaica– La nieve en si misma (sin tener en cuenta el frío que trae asociado) no supone ningún peligro para la integridad de los captadores solares.

Si puede en cambio suponer una merma en su eficacia en algunos casos ya que la nieve tiene la peculiaridad de que se acumula sobre el lugar en el que cae (al ser sólida no drena). Así si la nevada es muy intensa y prolongada se puede dar el caso de que nos encontremos con una capa de nieve de varios centímetros de espesor que cubra la parte inferior de los captadores. Esto puede provocar que la parte enterrada no trabaje y el rendimiento en conjunto del captador disminuya proporcionalmente a la cantidad de panel que esté enterrado. Con el tiempo la parte del captador que recibe la luz solar calentará el conjunto entero y derretirá la nieve, sin embargo habremos perdido un valioso tiempo de captación justo en la época en que es más necesario.

Para evitar esto basta con colocar unos soportes que eleven el captador a un nivel superior al que se tengan datos estadísticos que puede llegar la nieve.

Por otro lado la nieve alrededor del captador, siempre que el captador quede despejado, puede suponer una ventaja, ya que la nieve al ser blanca refleja la luz del Sol y ese mayor nivel de luminosidad puede mejorar el rendimiento.

La nieve viene asociada al frío. Los problemas que puede ocasionar el frío en las instalaciones solares térmicas y fotovoltaicas se analiza en el apartado de “Frío Intenso”

Calor extremo

El tiempo caluroso esta provocado por la llegada de la radiación solar intensa a la superficie de la tierra. Las zonas más calurosas del planeta son por consiguiente las zonas que reciben más radiación solar como son; las zonas intertropicales, las subtropicales, y las templadas en verano.

Energía solar térmica. La incidencia del calor extremo en las instalaciones de energía solar térmica dependerá del área climática en donde se encuentren y del dimensionado de la instalación que se haga en consecuencia

En zonas Intertropicales y subtropicales con un nivel de radiación y temperaturas más uniforme a lo largo del año, el dimensionado de los colectores y del acumulador, si están bien realizados, guardarán un equilibrio entre si que evite los sobrecalentamientos en todas las estaciones. Sólo pueden existir problemas si se deja de utilizar por una serie de días. En caso de salir de viaje y que vaya a quedar sin uso conviene cubrir los colectores.

En las zonas templadas y frías, con un nivel de radiación que varía mucho a lo largo del año, dependerá del uso para el que esté proyectada la instalación.

Si el uso de la instalación es preferentemente para el verano no existe problema ya que en el dimensionado se habrán previsto los niveles de radiación altos. Pero si el dimensionado esta pensado para un uso de la instalación para todo el año o para el invierno se habrán instalado un número de colectores grande para captar una cantidad de energía del Sol suficiente en invierno (cuando irradia poco). Este gran número de paneles captarán mucha energía en los momentos de intenso calor del verano, cuando hay mucha radiación solar, y si no se toman las medidas adecuadas provocaran sobrecalentamientos. Estos sobrecalentamientos (con temperaturas del agua que pueden llegar a los 150 grados centígrados) pueden arruinar la instalación dado que muchos materiales que la componen no resisten esas temperaturas

Existen varios métodos para controlar los sobrecalentamientos que un instalador cualificado debe de haber previsto como son: colocación cerca de los colectores de objetos que produzcan sombras sólo en verano, los disipadores de calor, emplear el excedente de calor en verano para calentar el agua de una piscina o incluso cubrir algunos colectores para que no trabajen.

Energía solar fotovoltaica– Los paneles solares fotovoltaicos así como el material eléctrico están preparados para soportar temperaturas muy altas sin que sufran daño alguno. El único inconveniente que existe con el calor extremo es que los paneles solares fotovoltaicos pierden eficacia progresivamente cuanto más alta de 25º C es su temperatura.

Frió extremo

El frío extremo se produce en áreas en que la radiación solar llega en poca cantidad. Suele producirse en áreas próximas a los polos, en climas templados durante el invierno y en áreas montañosas.

Energía solar térmica– El frío es uno de los elementos que más daño puede causar en una instalación de energía solar térmica si no se toman las medidas adecuadas para contrarrestarlo

El volumen del agua aumenta cuando pasa del estado líquido al sólido, es decir cuando se congela. Las instalaciones de energía solar térmica están llenas de agua en sus circuitos. El aumento del volumen del agua por el congelamiento provoca fuertes tensiones en las tuberías que terminan por romperlas provocando fugas múltiples y arruinando la instalación

Existen algunos procedimientos para evitar este efecto como son: emplear resistencias eléctricas para mantener el agua del interior de las tuberías por encima el punto de congelación o mantener la bomba encendida bombeando una pequeña cantidad de agua caliente del día anterior. Sin embargo estos sistemas resultan costosos o no rentables energéticamente para los fríos intensos. El método más empleado consiste en usar un fluido mezcla de agua y anticongelante que circule por los colectores y por el interior de las tuberías expuestas al frío. Este líquido circula por un circuito primario estanco que traspasa el calor a otro circuito secundario lleno de agua a través de un intercambiador de calor. En el circuito secundario es donde se encuentra el acumulador y de ahí sale el agua para el uso final.

Dependiendo del nivel de frío extremo al que se pueda llegar en un lugar, la proporción de agua y anticongelante de la mezcla variará. Así en lugares donde sea potencialmente posible (según anales climatológicos de temperaturas mínimas) llegar a los -20 Grados centígrados, será necesario usar en la mezcla una proporción de anticongelante mayor que en lugares donde la temperatura mínima registrada sea de -14 grados centígrados

Energía solar fotovoltaica– Los paneles y el equipo eléctrico asociado son inmunes a la acción del frío extremo, no así las baterías que pueden legar a congelarse y a echarse a perder.

Existe una relación importante entre el nivel de carga que tenga una batería y la temperatura a la que se congela. Así cuanto más descargada esté una batería su punto de congelación más se acercará a los cero grados siendo por tanto más fácil que se congele. Una batería totalmente cargada resiste una temperatura de hasta -60 grados centígrados sin congelarse.

Para evitar los efectos negativos del frío extremo en las instalaciones de energía solar fotovoltaica un técnico adecuadamente formado deberá dimensionar convenientemente la batería para evitar que el nivel de descarga sea excesivamente bajo en los momentos en los que el frío es más intenso. También existe la posibilidad de mantener la batería en un compartimiento con calefacción o al menos en uno en el que no se den temperaturas bajo cero.



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