Mantener los paneles solares montados en condiciones de heladas

Por Billy Ludt | 19 de noviembre de 2018

Existe una dificultad inherente a largo plazo en la instalación de paneles solares en regiones que experimentan clima invernal. Durante esos meses los cielos nublados minimizan la exposición solar a la luz difusa que se filtra a través de las nubes; la nieve puede cubrir los paneles, bloqueando la luz por completo, y eso es sólo en la superficie. Debajo del suelo, aguardan bolsas de humedad, capaces de congelar, expandirse, mover (y posiblemente dañar) módulos y soportes si las temperaturas del suelo bajan lo suficiente.

Las tablas de paneles muestran la estabilidad desigual relacionada con las heladas.

El fenómeno se conoce como helada y podría significar costos operativos, mantenimiento y reparaciones adicionales para las empresas de montaje e instaladores solares.

"[El levantamiento de las heladas] se produce básicamente bajo tierra, en el espacio poroso del suelo", dijo Mike Faraone, director de ingeniería de TerraSmart. Está escribiendo un documento técnico sobre las heladas que espera completar a finales de 2018 o principios de 2019. “Tienes esta formación de estas lentes de hielo, y si tienes un nivel freático cerca, esas lentes de hielo crecen. Empiezan a aspirar cada vez más agua y luego levantan la tierra. Se puede ver un pie de deformación del suelo que realmente emerge del suelo”.

Hay signos reveladores de que las heladas afectan a un panel solar. Las lentes de hielo levantan los cimientos del conjunto, provocando arqueamientos en las columnas y, en casos extremos, daños a los paneles. Las instalaciones solares son susceptibles en estados con temperaturas que caen por debajo del punto de congelación.

Anteriormente, la solución para la prevención de heladas podía tener un costo adicional y más pasos para los instaladores; los sitios de la matriz se han limpiado varios pies hasta la profundidad de las heladas, se han revestido con una funda de PVC y se han llenado con grava o tierra resistente a las heladas; los cimientos de cemento pueden agrietarse en climas helados y deshielos; y demasiada superficie sobre un pilote hincado es ideal para el levantamiento por heladas. Sin embargo, tres empresas de energía solar han diseñado y fabricado soluciones para combatir las heladas, cada una de las cuales ha reducido los tiempos de instalación, las excavaciones innecesarias y los costos de materiales para los proyectos solares.

Tornillo de tierra TerraSmart

Las heladas no son un problema exclusivo de la energía solar. Cualquier industria que monte estructuras sobre o dentro del suelo debe ser consciente de la profundidad de las heladas si planea mantener todo en una sola pieza. TerraSmart es una empresa solar llave en mano con sede en la soleada Fort Myers, Florida, una planta de fabricación en Columbus, Ohio, y una nueva instalación operativa en Selkirk, Nueva York. La empresa se especializa en montaje en tierra y su solución para las heladas es su tornillo de tierra patentado.

Un campo de tornillos de tierra TerraSmart espera ser colocado para un panel solar en la tierra de la tribu nativa americana Moapa Band of Paiutes en Nevada.

"Nuestra ventaja en TerraSmart es que podemos trabajar en muchos terrenos rocosos, además de terrenos ondulados y pendientes altas", dijo Faraone. "Mitigamos gran parte del trabajo de tierra incluso allí". Se ha demostrado que los tornillos de tierra funcionan en suelos no ideales e incluso pueden instalarse en roca enterrada si es necesario.

Para instalar un panel montado, se perforan cuatro tornillos de tierra en el suelo y se coloca el bastidor encima de ellos. La sección roscada de 24 pulgadas del tornillo de tierra TerraSmart se introduce por debajo de la línea de profundidad de escarcha, generalmente designada por un ingeniero geotécnico, que conduce a un suelo libre de escarcha debajo. Cuando se aplica una fuerza de elevación, como una helada, al tornillo de tierra, sus roscas se resisten a ser arrancadas. Crean un cono de tierra que asegura aún más el tornillo de tierra en su lugar.

"No se requiere longitud adicional de material, ni recubrimientos adicionales ni problemas de construcción adicionales en el campo", dijo. "Es sólo el tornillo de tierra listo para funcionar".

Se puede instalar un tornillo de tierra TerraSmart en aproximadamente un minuto.

“Cuando las heladas se convirtieron por primera vez en un problema que se planteó a TerraSmart, estábamos construyendo algunos de estos conjuntos en las regiones del norte que en realidad estábamos viendo en algunos sitios del proyecto; pensaron que nuestros bastidores se estaban hundiendo, y cuando salimos y volvimos a inspeccionar. Vimos que no se movía. Finalmente nos dimos cuenta de que en realidad el suelo se estaba levantando tanto que se elevaba alrededor de nuestro tornillo de tierra y luego volvía a asentarse”.

El tornillo de tierra mantenía la matriz en su lugar. En este caso, el suelo se mueve.

Plataforma de energía Osprey de Nuance Energy

Es irónico que un sistema de montaje lleve el nombre de un ave de presa, pero Nuance Energy Group se propuso hacer de Osprey Power Platform una opción viable para instaladores grandes y pequeños. Pero lo que lo mantiene en su lugar es el ancla terrestre de Nuance, pendiente de patente.

La Osprey Power Platform se asegura mediante anclajes que se clavan en el suelo verticalmente mediante un martillo neumático. Una vez dentro de dos a cuatro pies, se fija una moza al cable de acero del ancla y se acciona con una manivela, de modo que se tira horizontalmente en su lugar mientras está sumergido. Esto crea tensión en el suelo, lo que hace que el suelo encima sea un peso y mantiene el ancla en su lugar.

Osprey PowerPlatform de Nuance Energy utiliza un anclaje al suelo pendiente de patente para montar el sistema de estanterías.

"Eso es fundamentalmente diferente a cómo se instalan otros sistemas de montaje en tierra", afirmó Brian Boguess, director ejecutivo y cofundador de Nuance Energy. "Tomamos prestada tecnología de otras industrias y la aplicamos a la energía solar".

Según un documento técnico de Nuance, “básicamente, los anclajes a tierra funcionan de la misma manera que los pilotes helicoidales y los tornillos para tierra, pero con mucho menos acero, mayor capacidad de ajuste y sin la necesidad de equipo de instalación especializado”. El ancla se sujeta al bastidor con un cable de acero en lugar de un pilote.

Nuance desarrolló Osprey PowerPlatform para facilitar su uso, haciendo que todo el sistema de montaje, el bastidor y el módulo se puedan instalar con pequeñas herramientas eléctricas. Como testimonio de su eficacia en condiciones de frío, el sistema de montaje en tierra se utiliza en una instalación solar de 940 kW en Old Crow, Yukon, Canadá, uno de los paneles solares más septentrionales del mundo. Sus anclas fueron clavadas a través de capas de permafrost de 2 pies con las mismas herramientas.

Al igual que el tornillo de tierra, el anclaje de tierra se instala por debajo de la profundidad de las heladas y se fija a la superficie con un cable de acero. Lo que significa que hay menos superficie sobre la que puede actuar la escarcha que un pilote hincado tradicional.

"Reduce el daño a los equipos y módulos y reduce la cantidad de material, ya sea acero u hormigón en el suelo, para esencialmente superar los efectos de agitación de los sistemas típicos", dijo Jono Stevens, vicepresidente de Nuance Energy. “Ya sea un sistema impulsado por pilotes o de concreto, esos sistemas requieren que no se muevan. Entonces, para combatir los efectos del levantamiento, los instaladores tienen que profundizar mucho, también dependiendo de las condiciones del suelo, y colocar mucho concreto o mucho acero en el suelo”.

Ancla helicoidal de AP Alternatives

Una pulgada de superficie en un anclaje helicoidal puede significar la diferencia entre que una matriz adjunta permanezca firmemente sujeta o sea arrancada por las heladas. Cuanto mayor sea la superficie de una pila, más fácil será que las heladas saquen los soportes de su lugar. AP Alternatives, una empresa de montaje y estanterías solares de Ridgeville Corners, Ohio, tiene un pilote helicoidal de 2 pulgadas que ha demostrado ser eficaz en suelos cargados de heladas.

“Lo primero es el poste de 2 pulgadas. Calculas el área de la superficie exterior de ese poste, y esa superficie es lo que la escarcha puede agarrar y arrancar del suelo”, dijo Josh Von Deylen, director ejecutivo de AP Alternatives. "Por lo tanto, usar un poste de 2 pulgadas nos permite tener una superficie muy pequeña para que se adhiera la escarcha".

AP Alternatives se fundó hace 10 años en el noroeste de Ohio, donde los instaladores siempre se han enfrentado a heladas. Von Deylen dijo que se han logrado muchos avances en los últimos dos años para combatir las heladas, pero que han sido conscientes del fenómeno desde el principio.

El anclaje helicoidal de AP Alternatives se fabrica con una superficie una pulgada más pequeña que la de la competencia, lo que lo hace resistente a las heladas.

"Realmente comenzamos en una zona helada desde el primer día, hace 10 años, y entendiendo el levantamiento de heladas y los cálculos que conlleva, además de tener toda esa experiencia, realmente eres el primero", dijo. “En aquel entonces, todo lo que había en el área local de Ohio-Michigan era de 40 o más de 50 MW, pero tuvimos una buena prueba, ya que se instalaron entre 50 y 60 000 anclajes en estas zonas heladas sin ningún problema. Entonces, sabíamos que nuestros cálculos y la forma en que estábamos instalando y diseñando son correctos, no solo desde un punto de vista matemático, sino que también tenemos prueba de tiempo”.

El anclaje helicoidal de 2 pulgadas tiene accesorios de hélice variables para usar en diferentes suelos. Al igual que los soportes mencionados anteriormente, también se conduce por debajo de la línea de escarcha, acuñando la tierra sobre él cuando se tira hacia arriba.

“Otras empresas que escuchas ponen revestimientos en sus anclajes; poner mangas en las anclas; perforan sus anclas y luego ponen arena en el agujero. Quizás otras empresas profundicen el doble y hagan cálculos masivos. No hacemos nada de eso con un ancla helicoidal. Mientras consigamos que la hélice pase por debajo de la línea de escarcha, permanecerá”.

El anclaje helicoidal de AP Alternatives se ha instalado más de 500.000 veces, “y una gran parte de ellas se encuentran en heladas de 3 pies o más”, agregó.