Cálculo de Sombras

El cálculo de sombras en una instalación solar es fundamental. Permite evaluar de manera precisa las posibles sombras que pueden afectar el sistema. Así se evitan problemas de rendimiento y se reduce la degradación de los paneles. En última instancia, se maximiza la producción de energía.

Las sombras, ya sean causadas por estructuras cercanas, vegetación o incluso por otras partes de la misma instalación solar, pueden reducir significativamente el rendimiento de los paneles solares.

Cualquier obstrucción que bloquee la luz solar, aunque sea de forma parcial o temporal, puede afectar negativamente el rendimiento del sistema.

Incluso sombras pequeñas, que cubren una parte del panel, pueden reducir la producción de energía de toda la instalación. Esto se debe al efecto de las sombras en las celdas solares conectadas en serie.

Una celda sombreada actúa como una resistencia, reduciendo la producción de energía. Este efecto no se limita a la celda sombreada, sino que impacta en toda la cadena. En consecuencia, disminuye el rendimiento general del panel solar.

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.

Por todo esto, en el cálculo de la instalación fotovoltaica la determinación de sombras es un aspecto fundamental que se ha de tener en cuenta en el diseño y la instalación.

Factores que Contribuyen a la Formación de Sombras

Para proceder al cálculo de sombras en una instalación solar, 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.

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 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.

No obstante, podemos calcular la distancia mínima “d“, en metros, entre paneles solares o posibles obstáculos. Esta distancia 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 panel u obstáculo contiguo: distancia vertical entre el plano horizontal de montaje y el plano del extremo del panel u obstáculo (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:

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 (b) y de la medida del panel (a). Así, el cálculo de la altura (h), en función de la inclinación (b) 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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