Conocer la distancia mínima para evitar sombras entre filas de paneles fotovoltaicos o entre estas y elementos estructurales (e.g. pretiles, chimeneas) es fundamental para poder conocer las zonas donde es viable el montaje de los módulos y por lo tanto la potencia máxima que es posible instalar.
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MÉTODO DE CÁLCULO
La distancia mínima a respetar para evitar sombras depende de la latitud del emplazamiento, de la inclinación del terreno o cubierta y de la altura del elemento considerado. La fórmula propuesta para su cálculo es la expuesta a continuación, la cual es una adaptación de la recogida en el punto 5 del Anexo III documento «Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red (PCT-C-REV – julio 2011)» redactado por el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía:
d = h / [tan(61 – Φ) + sen(±α)] ≡ [m]
| Parámetros de cálculo de la distancia mínima |
|---|
| d ≡ Distancia mínima a respectar entre filas o entre un obstáculo y una fila ≡ [m] |
| h ≡ Altura del obstáculo o de la bancada respecto su base ≡ [m] – -) Si el obstáculo es una bancada, entonces h dependerá de la inclinación y longitud del panel: h = l · sen(β) → l ≡ Longitud del módulo ≡ [m], β ≡ Inclinación del módulo ≡ [º] – -) Si la fila sombreada está elevada respecto a la cubierta (e.g. pérgola), hay que reducir h: h* = h – z ≡ [m] → z ≡ Cota de la bancada o fila de paneles respecto la propia cubierta ≡ [m] |
| Φ ≡ Latitud del emplazamiento donde se halle la planta fotovoltaica ≡ [º] – En la península Ibérica la latitud oscila aproximadamente entre los 36º y 44º. |
| α ≡ Desnivel Norte-Sur del suelo o cubierta entre las filas o entre un obstáculo y una fila ≡ [º] – -) Si la fila afectada se halla por encima del obstáculo, entonces α toma valores positivos (ejemplo A). -) Si la fila afectada se halla por debajo del obstáculo, entonces α toma valores negativos (ejemplo B). |
Cabe aclarar que esta distancia realmente no logra evitar sombras durante todo el año, pero garantiza al menos 4 horas de sol en torno al mediodía del solsticio de invierno, de tal modo que las pérdidas por sombras se vuelven despreciables.
Por último, indicar que la distancia calculada es en proyección horizontal (vista de planta), para conocer la distancia a medir sobre la propia cubierta inclinada hay que dividir el valor obtenido entre el coseno del ángulo de inclinación:
Distancia real a medir = d / cos(α) ≡ [m]
ZONA AFECTADA
Es importante tener en cuenta que la distancia calculada hace referencia a la que hay que dejar libre justo al Norte de un obstáculo. Para conocer la zona realmente afectada por sombras alrededor suya habría que usar programas de cálculo especializados.
No obstante, como método simplificado para elementos que no ocupen mucha superficie -como pueden ser antenas, compresores, chimeneas o pretiles- se propone utilizar el siguiente esquema/criterio para estimar el área afectada por sombras:
a ≡ Espacio al Oeste del obstáculo = ½ · h / [tan(61 – Φ) + sen(±θ)] ≡ [m]
b ≡ Espacio al Este del obstáculo = ½ · h / [tan(61 – Φ) + sen(±θ)] ≡ [m]
Si el punto [1/2] está más abajo que el obstáculo, θ será negativo, en caso contrario, positivo.
En el ejemplo expuesto abajo (Figura 3), habría que tomar – θ para el punto [1] y + θ para el punto [2].
θ ≡ Desnivel entre los puntos [1/2], es decir, la inclinación Oeste-Este si la hubiese ≡ [º]
Φ ≡ Latitud del emplazamiento donde se halle la planta fotovoltaica ≡ [º]
Al igual que antes, estas distancias calculadas son sobre planta (proyección horizontal), el valor real a medir sobre la cubierta se obtiene dividiendo el valor obtenido entre el coseno de del ángulo de inclinación:
Distancia real a medir = a|b / cos(θ) ≡ [m]
SOLUCIONES TÉCNICAS
En el caso de no poder respetar la distancia mínima calculada, se pueden utilizar las siguientes soluciones técnicas para reducirla o al menos minimizar las pérdidas de generación causadas por las sombras que no puedan evitarse:
- Aumento de la altura de la bancada: una solución a veces válida para evitar sombras de elementos estructurales es el aumentar la cota de la fila respecto al obstáculo que cause la sombra, esto se puede lograr con estructuras tipo pérgola, mediante la instalación de los paneles como viseras/toldos en las paredes/pretiles disponibles o sencillamente usando lastres de mayor altura.
- Reducción del ángulo de inclinación: un modo de reducir la distancia entre filas es disminuyendo el ángulo de inclinación, el cual en el caso de la península Ibérica puede bajarse sin destacables pérdidas de producción hasta los 10-15º, si bien esto provocará que se concentre la generación en los meses de primavera-verano. Aproximadamente, a 15º la distancia mínima es la mitad que a 30º pero implica unas pérdidas 4-7% al año y solo disminuye el espacio requerido en un 10-15%, ya que cuanto menor es la inclinación mayor es el espacio ocupado por la bancada.
- Minimizar el efecto de las sombras: esto puede lograrse con un buen diseño de las ramas y mediante la utilización de optimizadores de potencia o microinversores. Estos dos equipos permiten que cada panel disponga de su propio MPPT y pueda operar de manera independiente al resto, evitando así que la sombra que afecte a un módulo perjudique a los demás paneles. Esta solución solo el válida para sombras que incidan sobre pocos paneles y no permite la reducción de distancia entre filas de paneles.
PROGRAMAS DE CÁLCULO
Como se ha indicado anteriormente, determinar el alcance y efecto de las sombras sobre un sistema fotovoltaico no es para nada sencillo, por lo que a menudo se recurren a programas de cálculo de simplifiquen esta labor.
Dos aplicaciones web que recomiendo para llevar a cabo simulaciones en cubiertas son SolarEdge Designer y OpenSolar, estos programas no requieren del abono de cuotas ni pago inicial, ambas siendo además relativamente fáciles de usar.
CASO PRÁCTICO
Un usuario desea conocer el máximo número de paneles fotovoltaicos que caben en la cubierta de su negocio, que se halla a una latitud de 37º, dispone de dos aguas a 15º con orientación Norte/Sur y tiene dos obstáculos que pueden provocar sombras, una chimenea y la propia fachada/pretil, la cual sobre sale respecto la propia cubierta.
Las dimensiones del edificio y del módulo fotovoltaico elegido se exponen a continuación, cabe indicar que entre panel y panel habrá un margen de 3 [cm] para la colocación de las grapas que fijan los módulos a la estructura soporte, la cual será de tipo coplanar en el agua Sur y triangular a 30º (respecto el suelo) en el agua Norte.
PASO 1: Distancia entre filas de paneles.
La distancia a respetar entre las filas de paneles del agua Sur es nula debido a que se colocan de manera coplanar a la cubierta, pero los del agua Norte deberán respetar la distancia calculada a continuación, que se ha determinado tanto para la posición horizontal (dH) como la vertical (dV):
dH = h / [tan(61 – Φ) + sen(α)]= [1,046 · sen(30º)] / [tan(61º – 37º) + sen(- 15º)] = 2,81 [m]
dV = h / [tan(61 – Φ) + sen(α)] = [1,690 · sen(30º)] / [tan(61º – 37º) + sen(- 15º)] = 4,53 [m]
Distancias reales a medir en cubierta (1/cos(α)) de 2,91 y 4,69 [m] respectivamente.
PASO 2: Zona afectada por la chimenea.
La chimenea tiene un metro de altura y el desnivel a su Este/Oeste es nulo (θ = 0º), las dimensiones estimadas de la sombra proyectada por ella sobre la cubierta son las siguientes:
dC = h / [tan(61 – Φ) + sen(α)] = 1 / [tan(61º – 37º) + sen(15º)] = 1,42 [m]
aC = ½ · h / [tan(61 – Φ) + sen(±θ)] = (0,5 · 1) / [tan(61º – 37º) + sen(0º)] = 1,12 [m]
bC = ½ · h / [tan(61 – Φ) + sen(±θ)] = (0,5 · 1) / [tan(61º – 37º) + sen(0º)] = 1,12 [m]
La medida real de aC a medir en cubierta será de 1,47 [m].
PASO 3: Zona afectada por la fachada.
La zona afecta por la fachada vendrá determinada únicamente por el parámetro bF, ya que tiene orientación Norte-Sur y solo se ve sombreado el espacio al Este suya, en la cumbrera la distancia a respetar será nula debido a que en este punto la fachada y la cubierta se hallan al mismo nivel:
bF = ½ · h / [tan(61 – Φ) + sen(±θ)] = (0,5 · 1,3) / [tan(61º – 37º) + sen(0º)] = 1,46 [m]
PASO 4: Plano de planta con las sombras.
En la siguiente imagen se indican y acotan las zonas de la cubierta afectadas por las sombras, los valores de las diferentes cotas son los que se han ido calculando en pasos anteriores:
PASO 5: Plano de implantación.
Finalmente, se han llevado a cabo dos simulaciones, una colocando los paneles en posición horizontal y otra en posición vertical, pudiéndose comprobar que la configuración que permite instalar más paneles es una combinación de ambas (Figura 10), que consiste en colocar los paneles del agua Norte en posición horizontal y los del agua Sur en posición vertical:
Como se puede observar en la anterior imagen, la solución adoptada permitiría instalar 21 paneles en estructuras triangulares en el agua Norte y 46 módulos sobre soportes coplanares, es decir, 67 unidades de 400 [Wp] cada una que suponen 26,80 [kWp] en total.
PASO 6: Observaciones y consejos finales.
A la hora de decidir como colocar los paneles es importante tener en cuenta que muchos modelos de paneles fotovoltaicos no tienen cables de suficientemente largos como para permitir su conexionado en posición horizontal y que colocarlos de este modo puede implicar un mayor gasto en estructuras soporte al requerir guías más largas.
Por otro lado, los módulos en posición horizontal tienen dos ventajas importantes, primero, son mucho menos susceptibles a la acción del viento, y, segundo, normalmente se ven menos afectados por las sombras debido a al conexionado interno de las células. En cada proyecto habrá que valorar estas cuestiones y no solo tener en cuenta que solución permite instalar más paneles.