Foto integrantes del equipo de investigación: De izquierda a derecha y de arriba abajo, Antonio Navarro-Manso, Eva Martínez-García, Eduardo Blanco Marigorta, Jorge Parrondo Gayo, Beatriz Bayón García, Daniel Fernández de la Cruz y Olaya Gómez Carril.

El estudio ha conseguido determinar de forma precisa la velocidad crítica de viento que termina provocando la ruptura de estos dispositivos encargados de orientar los paneles solares

La relevancia del hallazgo radica en su gran impacto científico-técnico que permitirá a las empresas fabricantes realizar diseños seguros frente a los efectos del viento

Oviedo/Uviéu, 11 de junio de 2021.  Los seguidores fotovoltaicos de un solo eje, uno de los dispositivos mecánicos más utilizados para orientar los paneles solares, son uno de los sistemas más eficaces para producir energía eléctrica, pero la necesidad de ahorrar costes de fabricación ha llevado a que se produzcan con frecuencia roturas por efecto del viento. Un equipo de investigación del Departamento de Energía de la Universidad de Oviedo ha logrado por primera vez identificar de forma precisa la velocidad crítica del viento que termina provocando la ruptura de los seguidores solares. El hallazgo tiene relevancia porque permitirá a las empresas realizar diseños seguros que permitan que estos mecanismos resistan los embates del viento sin quebrarse. Los ensayos realizados por este equipo de las Áreas de Ingeniería Hidráulica y de Mecánica de Fluidos han sido publicados en dos revistas de alto impacto científico.

Antonio Navarro Manso, profesor del Departamento de Energía y firmante de los artículos, explica que los seguidores solares de un solo eje, conocidos en inglés como single axis solar tracker, son ampliamente utilizados en todo el mundo para la captación de energía fotovoltaica. En esta tipología estructural los paneles están colocados a lo largo de un tubo de torsión, accionado por un único motor en la sección central. Suelen emplearse en plantas de gran escala con potencias de 100 megavatios e incluso superiores. De forma general, se estima que son un 30% más eficientes que las instalaciones con captadores fijos.

“Los fabricantes compiten actualmente por diseñar trackers cada vez más esbeltos, debido principalmente a la necesidad de abaratar costes. Sin embargo, esto ha llevado a numerosas roturas producidas por la acción del viento porque los fenómenos aerodinámicos no son suficientemente conocidos y no están adecuadamente contemplados en las normas de cálculo actuales”, comenta el investigador principal. 

Las estructuras de los seguidores solares se asemejan a grandes alas de avión, situadas en terreno abierto, y están, por tanto, sujetas a la acción del viento. De hecho, son susceptibles a fenómenos aeroelásticos muy similares a los que se producen en los aviones y en los puentes colgantes. “Se ha encontrado que, a partir de una cierta velocidad de viento, se genera una oscilación torsional de amplitud creciente, que puede llevar al colapso catastrófico de la estructura”, indica el profesor.

El funcionamiento de los seguidores radica en el continuo movimiento de rotación de su eje, siguiendo la orientación más favorable para captar la radiación solar, generalmente con el eje en dirección norte-sur. Existe el riesgo de que, para cada uno de los ángulos de inclinación que tiene el seguidor en cada instante, se den unas condiciones específicas de velocidad y dirección de viento que provoquen el movimiento incontrolado del seguidor, hasta su destrucción o colapso. Estas inestabilidades, que se producen incluso para velocidades de viento moderadas, dependen también de muchas otras variables, como son la turbulencia atmosférica, la posición del tracker dentro de la planta o de si se han instalado mecanismos de protección, tales como barreras, pantallas o amortiguadores.

“En nuestra investigación hemos desarrollado un enfoque analítico y experimental para estudiar dichas inestabilidades. El estudio analítico ha permitido identificar los parámetros adimensionales que gobiernan el movimiento de la estructura. Asimismo, hemos realizado ensayos sistemáticos en túnel aerodinámico sobre un modelo aeroelástico 3D a escala. Tanto el túnel como los modelos han sido diseñados y construidos por el propio equipo investigador”, destaca Eva Martínez García, primera autora de las publicaciones.

El estudio de la Universidad de Oviedo tiene importancia porque ha conseguido determinar de forma precisa la velocidad crítica de viento a partir de la que comienza el fenómeno de inestabilidad llamado galope torsional (torsional galloping) o flameo y ha logrado publicar, por primera vez, el diagrama de estabilidad de los seguidores solares de un solo eje.

“Con el análisis realizado a partir de los resultados experimentales hemos conseguido relacionar la velocidad crítica con las características geométricas (fundamentalmente largo y ancho) y mecánicas (inercia y rigidez) del seguidor solar. Además, hemos sentado las bases para sistematizar este tipo de ensayos, y poder así obtener la caracterización de cualquier estructura con esta tipología”, subraya el catedrático Eduardo Blanco.

La relevancia de esta investigación, que ha sido desarrollada en colaboración con empresas del sector (TSK, Praxia Energy S.L.), radica en el “gran impacto científico-técnico del hallazgo, que permitirá a las empresas realizar diseños seguros frente a los efectos del viento, y en su indudable interés social ya que está en la línea de investigación enmarcada en el campo de las energías renovables”, añade.

El equipo investigador del Departamento de Energía de la Universidad de Oviedo continúa ahora con los trabajos para caracterizar además otros fenómenos de inestabilidad aeroelástica que se pueden presentar; además, se están realizando nuevos ensayos para determinar la eficacia de amortiguadores externos, de la disposición de barreras o bloqueos. Igualmente, y gracias a la reciente puesta en marcha de un nuevo túnel aerodinámico de capa límite en el Campus de Mieres, se llevarán a cabo ensayos de los seguidores en múltiples hileras y evaluar así el efecto de protección que las primeras filas puedan ofrecer al resto de la planta.

El equipo de investigación está formado por Jorge Parrondo Gayo y Eduardo Blanco Marigorta, catedráticos del Área de Mecánica de Fluidos del Departamento de Energía; Eva Martínez-García, doctoranda del Departamento de Energía; Beatriz Bayón García, Olaya Gómez Carril y Daniel Fernández de la Cruz, investigadores contratados del Área de Ingeniería Hidráulica del Departamento de Energía, y Antonio Navarro-Manso (IP), profesor contratado doctor del Área de Ingeniería Hidráulica, del Departamento de Energía. Todos ellos de la Universidad de Oviedo.