Buffeting en seguidores solares
El bataneo o buffeting en seguidores solares es la vibración causada por la turbulencia del viento u otras perturbaciones de la corriente no producidas por el obstáculo que las sufre.
Se distinguen dos tipos de bataneo o buffeting en seguidores solares:
El bataneo o buffeting en seguidores solares se debe a los cambios de presión del viento sobre la estructura debido a la turbulencia. Esto hace que la velocidad de viento oscile alrededor una velocidad media (V1h), alcanzando picos positivos (V3s) y negativos alrededor de dicha velocidad media, dando lugar a las velocidades a considerar en los códigos de edificación.
El bataneo introduce aumentos de presión instantáneos sobre la estructura. Como vemos en la gráfica anterior, la relación máxima entre estas velocidades es de 1.52 pero en cada punto de la estructura existirá un valor entre -1.52 y 1.52 de forma aleatoria. Lo que sí se puede confirmar es que, si existe una configuración de puntos de presión definida sobre la superficie del seguidor en un instante determinado, esta misma configuración puede repetirse aleatoriamente en el tiempo.
Los códigos técnicos consideran esta velocidad pico para todas las secciones de la estructura, pero realmente, y debido a la longitud del seguidor, solo se producen en determinadas zonas y nunca a la vez sobre toda la superficie. Es por lo que los estándares de edificación siempre se encuentran por el lado de la seguridad y es por lo que los ensayos de túneles de viento ajustan mejor la carga real sobre la estructura considerando solo las configuraciones máximas de estas presiones pico que ocurren en la realidad.
Dado que no disponemos de ensayos de túneles de viento definiremos un valor de ráfaga medio ( \bar G ) que se utilizará en mayorar los momentos de torsión producidos por el desprendimiento de vórtices para tener en cuenta este fenómeno.
\bar G = \Large \frac{1 + 1.52}{2} \normalsize = 1.26
Este parámetro que mayora las cargas de viento debido a la turbulencia no debe ser aplicado a las filas de seguidores que se encuentran totalmente inmersas en la estela de seguidores contiguos, como ocurre en las posiciones más verticales del seguidor [-60º, 40º] y [40º, 60º], ya que nunca llegarán a ver dicha turbulencia solamente la estela del seguidor adyacente.
Antes de tratar el buffeting de estela o interferencia, es necesario introducir el concepto de Ground Coverage Ratio (GCR). El CGR es un coeficiente que mide el porcentaje de seguidores que cubre el suelo de la plata en proyección horizontal, por lo que será definido como el cociente entre el ancho de la sección del seguidor (b) y la distancia, entre pilares, que separan las filas de seguidores que forman la planta (s).
GCR = \Large \frac{b}{s}
Los valores del GCR se mueven en el intervalo [0, 1]. Vale cero cuando la separación (s) de los seguidores es infinita y 1 cuando esta separación (s) es igual al ancho de la sección del seguidor (b). Estos valores límite no son realistas. El primero, con valor de cero, porque nunca podrías configurar una planta, el segundo, de valor 1, por que las perdidas por sombras entre filas de seguidores son muy altas e inasumibles, por que se toma un valor intermedio entre ambos. Los valores de s menores que b, no son posibles, ya que se tendrían interferencias entre las filas de seguidores.
Este parámetro influye notablemente en el sombreado entre filas de seguidores. La configuración estándar de una planta suele ser una disposición norte-sur del eje de movimiento del seguidor, por lo que las sombras este-oeste, las que ocurren al amanecer y atardecer, serán las que produzcan pérdidas de energía, dado que lo seguidores se encuentran en posiciones muy verticales para intentar seguir al sol, ±60º.
Si estudiamos los casos teóricos del amanecer y atardecer, elevación solar 0º, los seguidores tendrían que posicionarse con una inclinación de ±90º para optimizar la producción de energía. Como la energía solar en estos instantes es pequeña, se recorta la amplitud de movimiento del seguidor a al intervalo [-60º, 60º], medidos desde la normal, y se asume la pérdida de estos instantes llamada comúnmente efecto coseno porque se puede contabilizar como el coseno del ángulo que forman la normal de la inclinación del seguidor y la dirección del rayo solar. Es una pérdida debida a la limitación del movimiento del seguidor.
Debido a la alta inclinación del seguidor, las sombras entre filas se deberán tener en cuenta. A mayor separación (s), menores serán las pérdidas por sombreado. Se suele utilizar maniobras de backtracking en las que se reduce la inclinación del seguidor en determinados momentos del amanecer y atardecer para reducir la sombra entre seguidores y, por lo tanto, aumentar el GCR, asumiendo las pérdidas por efecto coseno en estas posiciones de backtracking.
Por lo tanto, el GCR es un parámetro que interesa aumentar todo lo posible para instalar más seguidores en un área de terreno dado y, por otro lado, interesa reducir su valor para que las sombras entre seguidores no provoquen pérdidas importantes en la planta.
A efectos prácticos, el valor del GCR suele estar en el intervalo [0.45, 0.55], dependiendo de la disponibilidad del suelo de planta.
El valor del CGR también influye en el buffeting de estela, ya que los vórtices se extienden entre las filas de seguidores dependiendo de la inclinación de éstos. Cuando menor sea el GCR y, por lo tanto, mayor la separación entre seguidores, menores serán los efectos estos vórtices tendrán sobre los seguidores, ya que tienen una mayor distancia para disipar su energía.
Para el análisis del bataneo de estela se ha escogido una separación entre seguidores de 10m, con un GCR de 0.47.
Por el contrario, el bataneo de estela afecta únicamente a seguidores interiores y es una inestabilidad debida a los cambios de presión en el viento que provoca el desprendimiento de vórtices de una estructura que se encuentra entre el flujo de viento y la estructura de cálculo.
Se trata, por tanto, de un segundo problema de resonancia, ya que si el desprendimiento de vórtices provoca una oscilación sobre la estructura que abandona, también provocará una oscilación sobre la siguiente estructura que golpea, ya que ambas estructuras son iguales y con la misma frecuencia natural.
Como resultado, aparecerá una vibración de amplitud y frecuencia, a priori, diferentes de las del seguidor que afronta el flujo de viento totalmente limpio, por lo que cada fila de seguidores debe ser comprobada para ver si existen modificaciones significativas con respecto a la fila perimetral que cambien el diseño del seguidor.
Se ha estudiado como varía el giro de la última sección, así como los momentos producidos por el viento en dos filas posteriores a la perimetral para la posición de abatimiento (5º) a la velocidad de supervivencia ( V_{surv,1h} = 30m/s ), ya que el viento genera los mayores momentos torsores que definen el tubo de torsión y el límite estático del mecanismo, así como los mayores giros de las secciones del seguidor.
Los resultados junto con algunas conclusiones las exponemos a continuación:
Type | T [s] | f [Hz] | Mest [Nm/m] | Ma [Nm/m] | Mmax [Nm/m] | Δθest [º] | Δθa [º] | Δθmax [º] |
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Isolated | 1.16 | 0.86 | 568 | ±883 | 1450 | 1.58 | ±2.87 | 4.45 |
Row 1 | 1.33 | 0.75 | 546 | ±1152 | 1698 | 1.52 | ±3.61 | 5.13 |
Row 2 | 1.35 | 0.74 | 1630 | ±1858 | 1858 | 0 | ±5.80 | 5.80 |
- Si comparamos la primera fila de seguidores de una planta y un seguidor aislado los resultados son muy parecidos. La frecuencia natural se reduce entorno a un 15%, los momentos aumentan alrededor de otro 15% de igual modo que los ángulos máximos de la última sección del seguidor. Esta diferencia puede deberse a que la estela ya no tiene espacio suficiente para extenderse totalmente provocando alteraciones sobre el seguidor que la produce.
- Un seguidor justo en la fila posterior a uno perimetral, recibe un viento alterado por la estela del seguidor que lo precede, recibiendo momentos mucho más caóticos, pero con un patrón armónico definido. La frecuencia de aparición de este conjunto de armónicos es la misma que para el seguidor perimetral, pero los momentos y la rotación del seguidor aumenta otro 15% con respecto al seguidor perimetral precedente, un 30% con respecto al aislado.
Estos valores que se alcanzan en el bataneo de estela son específicos para un seguidor definido con unos parámetros de frecuencia natural (n), amortiguamiento (ξ) y GCR muy concretos, por lo que, si las características del seguidor cambian, los resultados obtenidos en el análisis de bataneo de estela podrán cambiar también.
Resumen
El bataneo o buffeting en seguidores solares incrementa los momentos incidentes tanto en los seguidores perimetrales por la turbulencia del viento como en los interiores por la estela que producen los precedentes.