Estructuras solares resistentes a huracanes: cargas de viento, acero y corrosión

Cuando se habla de solar en una zona de huracanes, la conversación suele girar en torno a los paneles. Las lecciones de ingeniería de 2017 apuntan a otro sitio: la estructura, las abrazaderas y los pernos. Esta guía se apoya en un informe de febrero de 2023 del Programa Federal de Gestión de la Energía del Departamento de Energía de EE. UU., que estudió arreglos dañados por los huracanes Irma y María y la reconstrucción de uno de ellos. Somos fabricantes de acero, así que lo leemos desde el lado de la estructura. Para costos y diseño del sistema, mira nuestra página de instalación de paneles solares. Este artículo trata de la estructura.

Una cautela sobre el alcance. El informe estudia un arreglo en suelo de St. Croix, más otros arreglos de GSA, y dice que sus lecciones son ampliamente aplicables. También indica que quedan muchas incógnitas, incluida la supervivencia en los huracanes de categoría 5 más severos (DOE FEMP). Trátalo como evidencia sólida, no como una receta de diseño para tu sitio.

¿Qué falló en el arreglo de St. Croix, y por qué?

El arreglo fue una pérdida total con vientos muy por debajo de sus valores de diseño. El informe enumera los fallos principales: vigas de calibre ligero y sin arriostrar, con poca rigidez, que se torcían con el viento, y una fijación de sujeción demasiado débil para mantener unidas grandes secciones de la estructura. Al flexionarse las vigas, las abrazaderas se separaron a palanca, y los tornillos autorroscantes de los arriostramientos, que estaban corroídos, se arrancaron (DOE FEMP).

Eso inició una cascada: la estructura colapsó y los módulos quedaron sueltos. Entre los factores contribuyentes estaban las abrazaderas compartidas, los códigos de ingeniería civil antiguos, los coeficientes de seguridad bajos, una gran superficie y una inclinación empinada de 25 grados. El equipo eléctrico también resultó dañado, con cajas mal elegidas entre las causas.

¿Por qué no bastó cumplir el código?

Porque el código no se escribió para estructuras ligeras, anchas y abiertas. El informe dice que ASCE 7 se desarrolló para edificios y se ha aplicado a arreglos fotovoltaicos, y que ASCE 7-16 no tiene en cuenta los efectos dinámicos sobre los arreglos. La mayoría de los cinco sistemas estudiados parecían cumplir el código, pero algunos fueron pérdida total y otros perdieron hasta el 50% (DOE FEMP).

La brecha es la carga dinámica. El viento sobre filas de paneles crea turbulencia que hace mover la estructura, y ese movimiento puede excitar la frecuencia natural y causar resonancia. El informe recomienda la guía SEAOC PV2-2017 además de ASCE 7 y dice que se debe exigir al fabricante del soporte que incluya las cargas dinámicas en los cálculos.

¿Qué cambió la reconstrucción?

La reconstrucción se centró en las partes críticas del arreglo y las reforzó, en lugar de diseñar cada componente a resistencia de huracán (DOE FEMP). Es un principio útil: gasta donde el fallo se propaga en cascada.

La cautela del informe sobre la inclinación importa: 12 grados eran propios de la geometría de ese proyecto, y el ángulo óptimo necesita modelarse para cada arreglo. La inclinación también afecta a la producción de energía, así que es un compromiso, no una elección gratuita.

¿Qué significa esto para el acero y la corrosión?

Significa que el galvanizado y las fijaciones son decisiones estructurales, no detalles de acabado. Los tornillos autorroscantes corroídos de los arriostramientos del arreglo que falló se arrancaron bajo carga. La reconstrucción especificó soporte y fijaciones galvanizados en caliente con un requisito de anticorrosión de 30 años, y grados de fijaciones resistentes a la corrosión y a la vibración para sobrevivir a un entorno de agua salada (DOE FEMP).

Eso encaja con cómo se comporta el acero en la costa. Nuestra guía de recubrimientos marinos para acero del Caribe cubre el zinc y los sistemas de recubrimiento, y nuestra guía de conexiones atornilladas vs soldadas explica por qué las uniones y fijaciones son los puntos débiles. Para estructuras fabricadas a medida, nuestro servicio de acero estructural cubre el lado del acero, y grados de acero estructural explica qué significan las designaciones del material.

¿Cuánto cuesta reforzar?

Algunas partidas cuestan mucho más y otras muy poco. Las fijaciones resistentes a la vibración costaron aproximadamente de 1 a 4 dólares por juego frente a 0.10 a 0.20 de la ferretería estándar, lo que el informe sitúa en unos 10 a 40 dólares por kW en sistemas con atornillado pasante. El soporte galvanizado en caliente con requisito de 30 años también añadió costo. Los módulos con las clasificaciones de viento publicadas más altas costaron unos 1 dólar por vatio frente a 0.40, aunque parte de esa brecha es calidad general (DOE FEMP).

El informe también encontró formas de recortar la factura. Usar los datos de túnel de viento ya existentes del fabricante del soporte permitió reducir la cantidad de acero, y reforzar solo las partidas críticas redujo mucho el costo total del proyecto. Los precios son cifras de EE. UU. de un proyecto del gobierno, así que trátalos como proporciones.

¿Cómo se comprueba que la instalación está bien?

Audita las fijaciones antes de aceptar el sistema. El informe señala que las fijaciones son un punto de fallo común y que las comprobaciones de fijaciones y las auditorías de par de apriete no forman parte de la norma de auditoría solar habitual, IEC 62446. Recomienda que el agente de puesta en marcha confirme que el 100% de las fijaciones especificadas están instaladas en las conexiones correctas y que audite el par de apriete de al menos el 1%. Si el 10% o más de esa muestra está flojo o sobreapretado, se reinstalan todas las fijaciones (DOE FEMP).

¿Qué deben tener en cuenta los propietarios de Sint Maarten?

Las normas locales no harán este trabajo por ti. El Código de Práctica de septiembre de 2021 para la Clase de Construcción 0 de Sint Maarten, que cubre edificios sencillos, dice que los tornillos deben resistir el calor, la lluvia fuerte, los huracanes, la sal y la contaminación del aire. No encontramos en él disposiciones específicas para fotovoltaica (Código de Práctica de Sint Maarten). Eso hace del contrato el lugar donde escribir los requisitos de arriba.

El clima es el mismo cinturón de huracanes que el de las Islas Vírgenes de EE. UU., y el panorama de corrosión es parecido, que es nuestra lectura de por qué el informe se aplica. Si planeas un arreglo o una estructura de cubierta, cuéntanos el sitio y hablamos de la estructura.

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