Los seguidores solares de un solo eje son las estructuras más utilizadas actualmente en la industria fotovoltaica. Estas estructuras están compuestas por un eje longitudinal llamado “torque tube”, en el cual se sujetan los paneles solares y que rota gracias a un sistema motor para orientar los paneles siguiendo el recorrido del sol durante el día.
La industria ha aumentado la ratio producción energética/coste reduciendo los costes estructurales al disminuir la rigidez de las estructuras, pero esto provoca que los seguidores solares sean más susceptibles a las acciones del viento y, en particular, a sufrir fenómenos aeroelásticos autoexcitados. Esto es, a partir de una determinada velocidad de viento, el seguidor solar experimenta movimientos oscilatorios descontrolados que pueden derivar en su colapso estructural.
Por ello, investigadores del Instituto Universitario de Microgravedad Ignacio Da Riva (IDR/UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) llevan años ofreciendo servicios de cálculo experimental y consultoría a las principales empresas fabricantes de estas estructuras.
Recientemente, han llevado a cabo un estudio titulado: “Stability analysis of two-dimensional flat solar trackers using aerodynamic derivatives at different heights above ground” (“Análisis de estabilidad de un seguidor solar plano para diferentes alturas respecto al suelo usando derivadas aerodinámicas”) que, publicado en Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, ha tenido un notable impacto tanto a nivel industrial como en la comunidad científica en el campo de la ingeniería del viento.
Uno de los autores de este paper es Juan Andrés Cárdenas, doctorando de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (ETSIAE). A través de su tesis este “Estudio experimental de la inestabilidad autoexcitada de seguidores solares planos en condiciones bidimensionales”.
La investigación ha comenzado con un estudio teórico a partir del estado del arte de los fenómenos autoexcitados conocidos, muchos heredados de los estudios de inestabilidad de puentes. Adaptada la formulación y tras un estudio de análisis dimensional, se han diseñado los ensayos experimentales para validar estudios aeroelásticos seccionales.
“Los ensayos realizados en las instalaciones del IDR/UPM en el Campus de Montegancedo, precisaron de dos túneles aerodinámicos. Por un lado, el túnel AB6, pues sus características geométricas permiten garantizar que el flujo de aire en la cámara es bidimensional. En este túnel se realizaron los ensayos principales, una campaña extensa y sistemática en la que se modificaron las características geométricas del seguidor solar que más afectan al problema, el ángulo de ataque y la altura del seguidor solar con respecto del suelo. Por otro lado, en el túnel ACLA16, se han validado los resultados obtenidos en los ensayos principales”, explican desde el IDR/UPM.
Como resultado de todas estas investigaciones se ha obtenido una base de datos de los coeficientes aerodinámicos no estacionarios obtenidos experimentalmente de un seguidor solar para diferentes alturas respecto del suelo y diferentes ángulos de ataque, además de un procedimiento semiempírico que permite estimar la velocidad crítica de un seguidor solar para cualesquiera características estructurales y geométricas. “Esto permite a la industria realizar una primera aproximación de la velocidad crítica que puede soportar un seguidor solar para cualquier característica estructural sin tener que realizar un ensayo experimental específico. Es, por tanto, una útil herramienta para reducir costes asociados al diseño”, sostiene Juan Andrés Cárdenas.
Otra de las conclusiones de este trabajo muestra qué configuraciones geométricas podrían ser las más favorables para soportar condiciones adversas de viento.
La publicación en abierto de todos estos resultados ha tenido una gran aceptación, siendo recogida en medios especializados como la revista PV- Magazine, que le ha dedicado un reportaje completo tanto en su edición global como en su edición española, y recibiendo la aprobación del sector de las energías renovables, ya que permite, en palabras de la industria, “poner orden y uniformar” el estudio de la inestabilidad autoexcitada de seguidores solares que hasta ahora se basaba en estudios puntuales.
Apertura a otras investigaciones futuras
Estas investigaciones se enmarcan en dos proyectos de mayor magnitud, ESOLIA y SOLTAE, junto con la Universidad de Oviedo (Grupo de Investigación de Ingeniería Fluido-Dinámica, Fórmula Windy, de la Escuela Politécnica de Mieres) y la Universidad de Princeton.
A su vez los avances alcanzados, están abriendo nuevas oportunidades de colaboración a nivel internacional del IDR/UPM con la James Cook University de Australia o la Universidad de Shijiazhuang Tiedao de China.
En el futuro, los investigadores pretenden dar el salto de la configuración seccional en que se han hecho estos estudios, a la estimación de la velocidad crítica de los seguidores solares teniendo en cuenta efectos tridimensionales. Asimismo, a analizar configuraciones hasta ahora no estudiadas como el uso de amortiguadores distribuidos a lo largo de su estructura. Además, otras líneas de trabajo futuras apuntan a extender la metodología desarrollada a seguidores que se encuentren en la estela de otros (por ejemplo, en las filas interiores de un campo) o a analizar mediante visualización de flujo el comportamiento del viento alrededor de un seguidor solar mientras se encuentra oscilando para estudiar el origen físico de la inestabilidad.