Las energías renovables y la energía solar fotovoltaica, de manera específica, se han convertido en una opción frecuente para el desarrollo de los países. Los parques solares fotovoltaicos se han construido para aprovechar esta energía, en estos se disponen paneles en arreglos de filas y columnas ocupando áreas de considerable dimensión. Si bien los códigos internacionales exponen criterios para determinar las presiones de viento sobre los paneles aislados (canopi), el estudio de varias normativas por López, A., León, E. D., Elena, V. B., y Cataldo, J. (1) indica que no se ha llegado a un consenso sobre los valores a considerar ni la forma de la distribución de presiones sobre los mismos. Por otra parte, los códigos y normas no contemplan la posición de los paneles dentro del parque, lo cual implica variaciones del flujo de aire por efecto de vecindad, la cual produce una variación de las presiones de viento sobre los paneles dependiendo de su ubicación. En este contexto, el uso de túneles de viento como herramienta de trabajo ha sido una de las alternativas más empleadas.

Los estudios de la carga de viento, o más específicamente, sobre la determinación del campo de presiones en los paneles fotovoltaicos colocados sobre el terreno, han sido una línea de investigación que ha tomado auge en los últimos 10 años, aunque desde la década de los 80 se registra el trabajo pionero de Miller y Zimmerman (2). Estudios recientes (3-15) desarrollados en túnel de viento con flujo no uniforme (turbulento) mediante la correcta simulación de la capa límite o a través de técnicas computacionales de fluidos (CFD, por sus siglas en inglés), han centrado su interés en la influencia de determinados aspectos en la obtención del campo de presiones sobre los paneles. Entre los aspectos estudiados se pueden mencionar las direcciones de incidencia del viento sobre las estructuras, las escalas geométricas de ensayo, la influencia del efecto de bloqueo de las estructuras en la sección de ensayo del túnel, las inclinaciones de los paneles, la separación entre filas y columnas en el caso de los parques, principalmente.

En cuanto a las direcciones de incidencia del viento sobre los paneles individuales y parques, varios estudios han llegado a conclusiones importantes. Stathopoulos, Zisis (4), desarrollaron su investigación sobre paneles individuales, estudiaron un intervalo de direcciones de viento de 0° (viento atacando por el borde más bajo del panel) a 180°, ver figura 1 (viento atacando por el borde más alto del panel) con cambios cada 15° y llegaron a la conclusión de que la dirección del viento que produce los mayores valores locales de presión sobre el panel es la de 135° (viento atacando por una de las esquinas más altas del panel).

Miller y Zimmerman (2), estudiaron en un túnel de viento para el caso de los parques cuatro direcciones de ataque del viento (0º, 45°, 135° y 180º) y demostraron que los efectos de protección sobre las filas de paneles que se encuentran por detrás de la primera que recibe el ataque del viento, resultaron iguales para las direcciones de 0º y 180º. Jubayer y Hangan (10), con el empleo del CFD, estudiaron también el efecto de los ángulos de incidencia del viento en parques fotovoltaicos para las mismas cuatro direcciones de viento (0º, 45º, 135º y 180º) que Miller y Zimmerman (2). Los autores concluyeron que, para las direcciones de 0º y 180º, las filas de la dos a la cinco se encontraron en la estela de la primera fila, lo que significa que hay un efecto de protección de esta sobre las restantes. Para las direcciones de viento 45º y 135º todos los paneles ubicados en las filas extremas en contacto directo con el viento de ataque, experimentaron vórtices de esquina, concluyendo que para estas direcciones no hay efecto de protección en los paneles extremos. La primera fila experimentó las cargas máximas de viento (presión o succión, en dependencia de la dirección de ataque) para las cuatro direcciones ensayadas (0º, 45º, 135º y 180º), en las filas de la dos a la cinco, las presiones locales del viento fueron mayores para las direcciones de 45º y 135º en comparación con las direcciones de 0º y 180º. Otra de las variables que estudiaron fue como se modificaba el campo de presiones de los paneles al variar la separación entre filas y columnas, quedando demostrado que la primera fila a barlovento protege a las otras filas lo que genera que las presiones sobre estas sean inferiores.

Las escalas geométricas de los modelos de los paneles fotovoltaicos construidos en túnel de viento para estudiar el campo de presiones actuantes, ha sido uno de los aspectos de investigación menos tratados; sin embargo, es un elemento muy importante en la obtención de una adecuada simulación de las condiciones a escala real. El trabajo desarrollado por Aly y Bitsuamlak (5) es el único que se encontró dentro de las referencias estudiadas que profundiza en el efecto de las variaciones de las escalas en los resultados experimentales obtenidos. Estos autores analizaron la carga de viento sobre paneles fotovoltaicos sobre el terreno para diferentes escalas geométricas a través de pruebas experimentales en un túnel de viento. Se estudiaron cinco escalas geométricas del panel, 1:50, 1:30, 1:20, 1:10, 1:5. Los resultados mostraron que las presiones medias no se vieron afectadas significativamente por el tamaño del modelo, mientras que la desviación estándar y la carga máxima sí experimentaron variaciones. Este trabajo también evidenció modificaciones considerables en el contenido espectral de la turbulencia del flujo del ensayo.

El número de Reynolds y el efecto de bloqueo fueron algunos de los factores más importantes que incidieron en la determinación de las escalas geométricas según Aly y Bitsuamlak (5). En el estudio realizado por Miller y Zimmerman (2) se demuestra que para estructuras afiladas donde el punto de separación del flujo es fijo, para números de Reynolds mayores de 2x10⁴ no se producen cambios significativos en los valores de los coeficientes aerodinámicos. En su estudio utilizaron un valor cercano a 5x104 en el túnel de viento, que garantizó una buena semejanza. Estudios más recientes como el de Kopp, Farquhar (16) y Pratt y Kopp (17) utilizaron un número de Reynolds de 1,9x10⁵ para estudiar un modelo con escala geométrica de 1/30 en un túnel de viento. Los autores plantean que con este número de Reynolds se garantizó una apropiada semejanza cinemática; sin embargo, según Aly y Bitsuamlak (5) para edificaciones bajas no hay tanta dependencia del número de Reynolds, como para las edificaciones altas modeladas en túnel de viento. Desde la perspectiva de la construcción del modelo y la obtención de los números de Reynolds, es deseable tener un modelo tan grande como sea posible; pero desde el aspecto de la simulación de la capa límite atmosférica, las grandes escalas de los modelos no son usuales, debido a que están limitadas por el tamaño del túnel de viento, debiéndose cumplir que la relación de bloqueo esté por debajo del 5% (18, 19), de lo contrario se necesitan aplicar correcciones a los resultados. La mayoría de los autores tratan de cumplir con este criterio de bloqueo inferior al 5%, aunque algunos autores como Banks (9), han aceptado en sus estudios hasta un 7% sin hacer correcciones.

En el caso del diseño de los parques fotovoltaicos la solución de cimentación es fundamental en el monto de la inversión debido a las succiones que ocasiona el viento sobre los paneles. Los aspectos antes mencionados que intervienen en la determinación de las presiones del viento, principalmente la inclinación del panel y su posición dentro de un parque fotovoltaico, influyen de manera directa en los valores de las reacciones de apoyo y repercuten en el diseño de la cimentación; máxime cuando la estructura de soporte es ligera y al estar sometida a fuertes cargas de viento, se producen succiones, como es el caso parques solares en Cuba.

Este trabajo se propone la obtención del campo de presiones producidas por el viento sobre un panel fotovoltaico dentro de un arreglo de paneles en un parque fotovoltaico en Cuba, con el empleo de un túnel de viento; así como el diseño de soluciones de cimentación de hormigón armado que tengan en cuenta esa diferenciación por posición del panel, tanto para suelos cohesivos como granulares. El trabajo se divide en tres partes: una primera donde se describe el ensayo realizado en túnel de viento para obtener las presiones del viento, una segunda donde se analizan los resultados del ensayo en el túnel y una tercera parte donde se aplican estos resultados en el diseño de variantes de cimentación de hormigón armado para un parque prototipo de 1 MW.

El modelo a escala reducida fue construido de acuerdo con los paneles a escala real seleccionados como prototipos, representativos de los utilizados en Cuba en los parques fotovoltaicos (figura 2). Las dimensiones generales de un panel son de 5,1 x 5,3 m, compuesto por 20 módulos solares individuales de 1 m x 1,325 m en un arreglo de 4x5 módulos. La estructura soporte de paneles tiene una inclinación de 15° con respecto a la horizontal (suelo) y está diseñada con perfiles UPN 80 que conforman las columnas y los elementos horizontales.

Después de un estudio de análisis dimensional y semejanza, así como funcional (que tuvo en cuenta las características de la instrumentación para no afectar las mediciones del flujo), fue seleccionada una escala geométrica de 1/20 que permitió colocar 12 paneles distribuidos en cuatro columnas y tres filas dentro de la sección de trabajo del túnel de viento como se observa en la figura 3. Se verificó el cumplimiento de las recomendaciones establecidas para este tipo de estudios sobre la relación de bloqueo inferior al 5% (18, 19). En este caso la relación de bloqueo fue de 4%. El material empleado fue acrílico de 5 mm para los paneles instrumentados y planchas de madera de igual espesor para los paneles restantes que no fueron instrumentados. La posición de los paneles instrumentados se varió en función de las exigencias del diseño de experimentos con el objetivo de evaluar la influencia de cinco variables, en las modificaciones del campo de presiones sobre el panel fotovoltaico dentro del parque.

Se realizó un diseño de experimentos factorial con tres variables de tres niveles (separación entre filas, separación entre columnas, posición en las filas en el parque) y dos de dos niveles (colocación en las columnas interior o exterior y la dirección de ataque del viento) (20).

Se realizó un diseño de experimentos factorial con tres variables de tres niveles (separación entre filas, separación entre columnas, posición en las filas en el parque) y dos de dos niveles (colocación en las columnas interior o exterior y la dirección de ataque del viento). En la figura 4 se presenta la nomenclatura asignada a cada una de las variables dentro del estudio.

En la figura 5 se observan los resultados del primer experimento. En él se analizó la influencia de la separación entre filas en el campo de presiones del parque. Se analizaron las tres separaciones entre filas propuestas: 1 m (figura 5 a), 2 m (figura 5 b) y 3 m (figura 5 c) para la dirección de ataque del viento de 0º, sin separación entre las columnas del parque, es decir, los cuatro paneles de la fila están unidos. Se definió el experimento de la siguiente manera: en la nomenclatura , es el modelo, el primer número es la posición de las filas, el segundo la separación entre filas y el tercero la separación entre columnas, en este caso igual a cero.

Como se puede apreciar de la figura 5 para los tres casos de separación estudiados, los mayores valores de presión están en la primera fila la cual ofrece protección a la segunda y a la tercera. Para el caso de la separación de 1 m (figura 5a) se produce, por la interacción entre el flujo con la primera fila de paneles, una separación de capa límite generando una estela, región de baja velocidad y elevada turbulencia, en la cual están sumergidos los paneles ubicados corriente abajo. Este fenómeno disminuye al aumentar la separación, como se ve expresado en las figuras 5b y 5c, donde las filas dos y tres presentan un comportamiento similar al de la primera en cuanto a la distribución de las presiones, pero con valores más pequeños. Es de destacar que los mayores valores de presión se obtuvieron en el borde inferior de los paneles, particularmente en la primera fila, excepto para los paneles de la segunda fila separados a 1 m, ya que, al estar tan próximos, quedan sumergidos en la estela que se produce por la separación de capa límite en la primera fila.

Para determinar cuánto se reduce la presión sobre los paneles detrás de la primera fila de ataque del viento, se calculó un único valor de coeficiente de presión, obtenido como el promedio de los resultados de todos los puntos instrumentados de la estructura ya que todos presentan la misma área tributaria, con el objetivo de establecer coeficientes de protección de la primera fila sobre la segunda y la tercera. La Tabla 1 resume los valores de los coeficientes de protección, obtenidos a partir de la ecuación [1].

De los valores expuestos en la tabla 1 se puede observar que, para la separación de 1 m, los valores de presión disminuyen entre un 30 y 65%, para la separación de 2 m entre un 33 y un 59% y para la separación de 3 m entre un 34 y un 57%.

De igual manera que para la dirección de 0º se procedió con la dirección de 180º quedando como resultado de protección los coeficientes expresados en la Tabla 2.

Se consideraron en esta sección los resultados del estudio experimental en túnel de viento y se emplearon los coeficientes de reducción por posición de las presiones sobre un panel dentro del parque con el objetivo de investigar la variación en las reacciones de apoyo en función de la ubicación.

Para llevar a cabo esta parte del estudio, fue seleccionada una separación entre las filas de los paneles de 2 m, debido a que esta longitud es la más racional de las utilizadas en Cuba; pues evita la sombra que un panel le crea al otro por la proximidad y por lo tanto produce una disminución de las pérdidas en la generación de electricidad. Esta distancia además proporciona una utilización coherente del área de terreno. No se consideraron separación entre las columnas de paneles del parque debido a que es la separación más empleada en los parques cubanos (20) (figura 6).

La tabla 3 muestra los valores de los coeficientes de reducción por posición dentro del parque del panel para 0° y 180° de incidencia del flujo del viento. Como se pude ver, la dirección de 0° ofrece mayor protección a las restantes las filas que la dirección de 180°, debido a la geometría del panel respecto al frente de ataque del viento.

Para el caso 1 figura 7 se afecta al coeficiente de forma, para todas las combinaciones de carga que presenten la dirección del viento de 180°, por 0,74, mientras que en la dirección de 0° no ocurrirán afectaciones debido a que la acción del viento actúa totalmente sobre los paneles. En el caso 2 ocurre igual que para el caso 1 con la diferencia de que está afectado además por las direcciones de viento de 45° y 135° (condición de borde).

El caso 3 es inverso al 1, se afecta al coeficiente de forma, para todas las combinaciones de cargas que presenten la dirección del viento de 0°, por 0,28. El caso 4 es el inverso a 2, se realiza el mismo análisis que en 1 y se incluyen además las direcciones de 45° y135°.

En el caso 5 no se afecta el coeficiente de forma para las direcciones de 45º y 135º ya que se consideran trabajando como un panel individual. Las combinaciones de cargas que presentan la dirección del viento de 0° se afectan por un coeficiente de reducción de 0,33, mientras que la dirección de 180°se afecta por un coeficiente de reducción de 0,74. Para el caso 6, similar al caso 5 para las direcciones de 0° y 180°, los paneles se consideran interiores y se produce una reducción de las presiones de valor 0,33 y 0,74 respectivamente.

Para el cálculo de las reacciones de apoyo de los paneles se trabajó con 3 filas y 6 direcciones de viento. Las filas se dividieron en 7 paneles acorde a la distribución de los apoyos del panel a la cimentación. Se incorporaron las direcciones de ataque del viento de 45º y 135º, ya que de acuerdo con los estudios previos (20, 4), aunque no son las direcciones que representan las condiciones más desfavorables para los paneles interiores de un parque, sí han de considerarse en el caso de los paneles de borde o esquina. Estos paneles de borde sometidos a los efectos del viento en esas direcciones se tratan como paneles individuales. La carga actuante sobre ellos fue obtenida de forma similar a un estudio previo realizado al panel aislado en el mismo túnel de viento (20). La carga de viento actuante se consideró de acuerdo con la norma cubana NC-285:2003 (22) pero contemplando los coeficientes de ráfaga, forma y reducción de área que se obtuvieron del análisis experimental, así como los coeficientes de reducción por posición para cada caso.

Para obtener las reacciones de apoyo de cada una de esas variantes, la estructura fue modelada, teniendo en cuenta las cargas y sus combinaciones según se establece en la Norma Cubana (23).

La figura 8 muestra los resultados con las combinaciones más desfavorables después de la modelación para cada uno de los seis casos definidos.

Una vez colocada todas las cargas se seleccionó la máxima reacción de apoyo en compresión y en tracción para cada una de las seis posiciones. Puede observarse que las máximas tracciones en los puntos de apoyo de los soportes se presentan para las direcciones del viento de 180° y 135° y las máximas compresiones para 0° de acción del viento.

La dirección del viento con respecto a la disposición geométrica del parque demuestra la validez de los coeficientes de protección, que se hacen más notables bajo los esfuerzos de tracción en la orientación de 0º, donde se refleja una clara disminución de las reacciones de apoyo para los casos protegidos en esa dirección (casos 3 y 6).

Las máximas tracciones tienen igual valor para los casos 2, 4 y 5 con una mínima diferencia de 0,53 kN con respecto al caso 3, por lo que se puede concluir que los casos 2, 3, 4 y 5 frente a las acciones del viento presentan igual comportamiento. De la misma manera pueden ser igualadas las máximas tracciones de los casos 1 y 6. De este análisis se dedujo que se debían diseñar dos grupos de cimientos en el parque prototipo teniendo en cuenta la posición: 1) los interiores hasta la fila dos y 2) los de borde e interiores restantes.

Con los resultados de las reacciones de apoyo se resolvió establecer una comparación en cuanto a volumen de hormigón (m³), encofrado (m²) y cantidad de acero (kg) empleada para llevar a cabo la cimentación de un parque fotovoltaico prototipo de 1 MW mediante dos vías: 1) realizar el mismo tipo de cimentación para todo el parque sin tener en cuenta los coeficientes de reducción por posición, denominada solución única de cimentación (SUC) y 2) diseñar los cimientos teniendo en cuenta los coeficientes de reducción, denominada solución con coeficientes de reducción (SCR). Se decidió además emplear tres variantes de cimientos: corridos (C), aislados (A) y pilotes cortos de hormigón armado (P).

En el diseño geotécnico, los cimientos se apoyaron en suelos con comportamiento cohesivo y granular. Todas las variantes fueron diseñadas para las solicitaciones de tracción, condición crítica en el diseño geotécnico en este caso y revisadas para las solicitaciones de compresión. Para el caso de los pilotes cortos, la capacidad de carga última a tracción depende fundamentalmente del diámetro y la longitud del mismo, para el análisis se seleccionó la profundidad mínima de cimentación por aspectos constructivos (1,2 m) y se obtuvo el diámetro garantizando un diseño seguro y económico. También para los pilotes cortos se realizó un diseño diferenciado para suelos con comportamientos cohesivo y friccional, considerando la variación de las propiedades físico mecánicas del suelo.

Para evaluar el comportamiento resistente de la cimentación se elaboró la tabla 4, donde se resumen las propiedades de los suelos granulares y para los suelos con comportamiento cohesivo puro se seleccionó la cohesión (c) = 35 kPa y se rediseñó luego para los valores de 50, 60, 80 y 100 kPa.

En las tablas 5 y 6 se muestra la cantidad de materiales para la solución de cimentación con pilotes cortos en función del tipo de suelo, considerando la acción de la fuerza máxima de tracción.

Los resultados presentados en las tablas 5 y 6, indican que el empleo de la solución SCR con respecto a la solución SUC tanto en suelos con comportamiento granular como cohesivo, para la solución de pilotes cortos, aporta un menor consumo de hormigón y acero. Para ambos suelos la relación de volúmenes de hormigón SCR/SCU es de 0.71, lo cual implica un ahorro sustancial de materiales.

Las dimensiones de la cimentación para las variantes de cimientos aislado y corrido, fueron calculadas garantizando las exigencias del diseño para las combinaciones de cargas considerando el empleo de los coeficientes de reducción y sin tenerlos en cuenta. Como resultado se obtiene que predominan los lados y peralto total que garantizan que no se produzca el fallo por arranque de los cimientos, siendo la tracción la condición crítica de carga. Los volúmenes de hormigón que corresponden a estas soluciones aparecen en la figura 9. El consumo de acero de refuerzo en estas soluciones en considerablemente mayor en relación a la solución de pilotes cortos.

La solución de cimentación con pilotes cortos es la de menor consumo de hormigón entre las variantes evaluadas. Su implementación redunda en un 88,32% menos de empleo de hormigón en comparación con la solución de cimiento aislado como solución única para todos los apoyos de los soportes del parque situado en suelos cohesivos y un 53,51% para el caso de suelos granulares. Es evidente que el uso de los coeficientes de reducción para el diseño de la cimentación de parques solares conlleva a un menor consumo de materiales minimizando los costos de construcción.

En el presente trabajo se realizó el estudio del campo de presiones producido por el viento sobre paneles fotovoltaicos de acuerdo a su posición dentro del arreglo de paneles del parque en túnel de viento. Se obtuvieron los coeficientes de reducción para las filas de paneles debido al efecto de protección de la primera hilera y luego de determinar las fuerzas de reacción en la cimentación se realizó un análisis comparativo de la solución de cimentación de acuerdo a las variaciones de las presiones de viento.

En cuanto a los resultados del estudio experimental en túnel de viento se concluye que los valores de presiones de viento sobre un panel fotovoltaico dependen de la posición relativa del panel dentro del mismo y disminuyen al encontrarse detrás de la primera fila a barlovento. La primera fila del parque ofrece un efecto de protección sobre las restantes para las dos direcciones de viento analizadas y que este efecto de protección disminuye a medida que aumenta la separación entre filas, lo cual está en correspondencia con los estudios internacionales. Las presiones de viento obtenidas sobre los paneles presentaron disminuciones entre un 20 y un 62% para la dirección de 180º y entre un 44 y 74% para la dirección de 0º para los paneles ubicados dentro del parque, protegidos por la primera fila.

En cuanto al diseño de soluciones de cimentación para un parque de 1 MW utilizando los resultados experimentales de las presiones del viento se concluye que la consideración de los coeficientes de reducción por posición de un panel dentro de un parque fotovoltaico, produce en el diseño de las cimentaciones, una disminución de la cantidad de materiales necesarias en comparación con el empleo de un único tipo de cimiento para todos los apoyos de las estructuras. Con las condiciones de suelos establecidas, la solución con pilotes cortos de hormigón, es la variante más económica en cuanto a cantidad de materiales a emplear.