Cálculo de Sombras y Distancia Mínima entre Filas de Paneles
En energía solar, una pequeña sombra no significa una pequeña pérdida; puede significar el colapso total de la producción. Debido a la conexión en serie, tapar una sola celda equivale a pisar una manguera de agua: el flujo se detiene en todo el circuito.
El cálculo de sombras es vital para determinar la distancia mínima entre filas de paneles, asegurando que, incluso en el Solsticio de Invierno (cuando el sol está más bajo y las sombras son más largas), la fila delantera no tape a la trasera.
Las sombras generan puntos calientes en las celdas. Estos puntos calientes dañan permanentemente las celdas solares. Como resultado, se reduce significativamente la vida útil de los paneles.
En esta guía usaremos el método del coeficiente k para garantizar un diseño libre de sombras.
Por todo esto, en el cálculo de la instalación fotovoltaica la determinación de las sombras de los paneles solares es un aspecto fundamental que se ha de tener en cuenta en el diseño y la instalación.
Contenidos
El Impacto de la Sombra: Hotspots y Diodos de Bypass
En una instalación residencial, una sombra "pequeña" (como la de una chimenea, una antena o un poste) no solo reduce la producción de energía; puede convertirse en un problema de seguridad física para tu tejado. La sombra no es simplemente "falta de luz", es un obstáculo que altera el comportamiento eléctrico de todo el sistema.
Factores que Crean Sombras en Viviendas
Para evaluar correctamente las sombras en una instalación fotovoltaica, es esencial comprender los factores que pueden contribuir a su formación:
1º) Elementos naturales
- Vegetación: los árboles, arbustos y otras formas de vegetación cercana pueden proyectar sombras sobre los paneles solares, especialmente si crecen con el tiempo y no se mantienen podados.
- Accidentes geográficos: montañas, colinas y otras características del terreno pueden bloquear la luz solar directa en ciertos momentos del día, dependiendo de la ubicación y orientación de la instalación.
2º) Elementos artificiales
- Edificaciones: los edificios cercanos son una de las principales fuentes de sombras en entornos urbanos. La altura, la forma y la orientación de estos edificios con respecto a la instalación solar son factores críticos a considerar.
- Estructuras propias de la instalación: componentes como chimeneas, antenas, torres de telecomunicaciones, e incluso otras filas de paneles solares en un sistema montado en suelo pueden proyectar sombras sobre los paneles.
- Infraestructura urbana: poste de luz, cables y otras infraestructuras pueden afectar la incidencia directa de la radiación solar en los paneles.
3º) Condiciones temporales
- Sombras estacionales: la posición del sol cambia a lo largo del año, lo que significa que las sombras que no están presentes en verano pueden aparecer en invierno debido al ángulo más bajo del sol en el cielo.
- Sombras diarias: durante el transcurso del día, el sol se desplaza de este a oeste, lo que puede generar sombras en diferentes momentos del día dependiendo de la ubicación de los obstáculos.
El Impacto Real: El Efecto "Hotspot" (Punto Caliente)
Cuando una célula solar se queda a la sombra mientras el resto del panel recibe sol pleno, ocurre un fenómeno peligroso: la célula sombreada deja de generar energía y pasa a comportarse como una resistencia eléctrica.
La energía generada por las células que sí están al sol intenta pasar a través de la célula sombreada. Como esta no la deja pasar fácilmente, la energía se disipa en forma de calor extremo.
La temperatura en ese punto puede subir tanto que llega a quemar el cristal, derretir las soldaduras o provocar la delaminación del panel. Estos son los famosos hotspots, que dejan marcas de quemaduras visibles y pueden llegar a perforar la parte trasera del panel (backsheet), creando un riesgo de incendio.
La Solución de Emergencia: Diodos de Bypass
Para evitar que los paneles se quemen cada vez que pasa una nube o cae una hoja, los fabricantes instalan diodos de bypass. Su función es actuar como una "vía de servicio" o un atajo para la electricidad.
Si una parte del panel se sombrea, el diodo detecta la resistencia y desvía la corriente por un camino alternativo, saltándose (haciendo un bypass) a las células afectadas.
Aunque el diodo salva al panel de quemarse, al activarse anula una sección entera del panel (normalmente un tercio). Por tanto, una sombra pequeña que tape solo una célula puede hacer que pierdas el 33% o incluso el 50% de la potencia de ese panel de golpe.
Estrategias para Minimizar el Impacto de las Sombras
Una vez identificadas las fuentes de sombras, se deben implementar estrategias que minimicen su impacto en la instalación solar.
1º) Diseño óptimo de la disposición de los paneles: asegurar que los paneles estén orientados e inclinados adecuadamente y que haya suficiente separación entre filas de paneles para evitar sombras mutuas, especialmente durante el invierno cuando el sol está más bajo en el horizonte.
2º) Uso de microinversores: en lugar de utilizar un inversor central que puede verse afectado por la sombra en una parte del sistema, los microinversores permiten que cada panel funcione independientemente. Esto significa que si un panel está sombreado, no afectará a la producción de los otros paneles.
3º) Gestión de la vegetación: mantener la vegetación circundante bien podada para minimizar las sombras, especialmente en instalaciones donde los árboles y arbustos pueden crecer y eventualmente proyectar sombras sobre los paneles.
4º) Reubicación o modificación de obstáculos: en algunos casos, es posible reubicar o modificar los obstáculos que causan sombras, como antenas o estructuras menores, para reducir su impacto en la instalación solar.
Distancia Mínima entre Paneles o Posibles Obstáculos
Existen varios métodos y herramientas para la evaluación y determinación de sombras mediante los cuales se pueden establecer las distancias mínimas entre paneles y diferentes obstáculos. Entre ellos, se encuentran el análisis manual con diagramas solares, el software de simulación solar, análisis in situ con heliodón o mediante drones y fotogrametría.
Con estos métodos se pueden diseñar sistemas que capturen la mayor cantidad de energía solar posible. No obstante, suelen requerir cierta experiencia, de conocimientos técnicos, pueden ser caros, etc.
La distancia mínima “d“, en metros, entre paneles solares o posibles obstáculos dependerá de la altura (h) del panel y de la latitud del lugar (coeficiente k). Se calcula con la siguiente fórmula:
siendo:
h = altura del obstáculo o panel contiguo. Es la distancia vertical entre el plano horizontal inferior del montaje del panel y el plano horizontal superior del obstáculo o panel contiguo (en metros)
k = coeficiente que depende de la latitud del lugar
En la figura anterior se puede observar la altura “h” a tomar:
● Panel izquierdo: la altura "h" se mide desde el plano inferior del panel hasta el punto más alto del panel central. En realidad, restamos el desnivel, puesto que disminuye el efecto de la sombra.
● Panel central: la altura "h" se mide desde el plano inferior del panel hasta el punto más alto del edificio.
Valor del Coeficiente k en Función de la Latitud
El coeficiente "k", que depende de la latitud, considera la trayectoria solar a lo largo del año. Permite determinar la distancia mínima necesaria para evitar el sombreado en el día más corto del año.
La latitud de un lugar determina la trayectoria aparente del sol en el cielo a lo largo del año y, por tanto, el valor de k:
– Latitudes bajas (cercanas al ecuador): el sol está más alto durante todo el año, por lo que se requiere una menor separación entre paneles (menor valor de k).
– Latitudes altas (cercanas a los polos): el sol está más bajo en invierno, por lo que se necesita una mayor separación para evitar el sombreado (mayor valor de k). La fórmula para determinar el coeficiente “k” es la siguiente:
A partir de esta fórmula se ha obtenido la siguiente tabla del coeficiente k para varias latitudes:
| LATITUD | k | LATITUD | k |
|---|---|---|---|
| 30º | 1,664 | 41º | 2,747 |
| 31º | 1,732 | 42º | 2,904 |
| 32º | 1,804 | 43º | 3,078 |
| 33º | 1,881 | 44º | 3,271 |
| 34º | 1,963 | 45º | 3,487 |
| 35º | 2,050 | 46º | 3,732 |
| 36º | 2,145 | 47º | 4,011 |
| 37º | 2,246 | 48º | 4,331 |
| 38º | 2,356 | 49º | 4,705 |
| 39º | 2,475 | 50º | 5,145 |
| 40º | 2,605 |
Valor de la Altura h en Función de la Inclinación del Panel
Se observa que la altura h del módulo varía en función de la inclinación β y de la medida del panel a. Así, el cálculo de la altura h, en función de la inclinación β será:
Ejercicios Resueltos de Cálculo de Sombras
A continuación, se presentan 3 ejercicios resueltos de cálculo de sombras en paneles solares:
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