Original Recibido: 08/03/2022 │
Aceptado: 22/06/2022
Este-Oeste
o Norte-Sur. Elección de sistemas fotovoltaicos de doble orientación en
terrenos con pendientes (Original).
East-West or North-South. Choice of Dual Orientation Photovoltaic Systems on
Sloping Ground (Original).
Luis Gutiérrez Urdaneta. [urdaneta@emfre.une.cu]
MSc. Especialista
de Desarrollo. Empresa de Fuentes Renovables de Energía. La Habana. Cuba.
Lenyer Padrón Suárez. [lenyer@emfre.une.cu]
MSc. Especialista
de Protecciones. Empresa de Fuentes Renovables de Energía, La Habana, Cuba.
Resumen
La doble orientación Este-Oeste de los módulos fotovoltaicos tiene
varios objetivos: obtener mayor potencia y energía por área, mayor generación
en horas tempranas y tardías del día y durante el verano, menor vulnerabilidad
de las estructuras al viento, y mejores resultados económicos. En la literatura
no se menciona la doble orientación Norte-Sur como otra alternativa. Sin embargo,
los autores concluyen que en el rango de latitudes de Cuba y en terrenos con
ciertas combinaciones de pendientes, a partir de simulaciones, que sistemas con
orientación Norte-Sur podrían superar energéticamente a los de orientación
Este-Oeste. Esto confirma que cada sitio requiere un análisis específico: un
traje a la medida.
Palabras clave: doble orientación; orientación este-oeste;
terrenos con pendientes
Abstract
The double East-West orientation of the
photovoltaic modules has several objectives: to obtain greater power and energy
per area, greater generation in the early and late hours of the day and during
the summer, less vulnerability of the structures to wind, and better economic
results. In the literature, the North-South orientation is not mentioned as
another alternative. However, the authors conclude that in the latitude range
of Cuba and in terrains with certain combinations of slopes, based on simulations,
systems with a North-South orientation could energetically surpass those with
an East-West orientation. This confirms that each site requires a specific
analysis: a tailored suit.
Keywords: two-sided orientation; east-west orientation;
sloping ground
Introducción
Los
parques fotovoltaicos más grandes de Europa continental, de Gran Bretaña y del
mundo se han construido con doble orientación Este-Oeste. Una de sus
principales ventajas es que permite la maximización de la generación por área
y, en muchos casos, de los resultados económicos esperados (Cossu, Baccoli y Ghiani, 2021). Esta
tecnología también se ha utilizado sobre techos y embalses en muchos sitios y
en países con poca disponibilidad de tierra como Holanda y los Emiratos Árabes
Unidos (Figura 1).
Figura
1.
Parques con orientación Este-Oeste sobre
terreno en Kaiserslauter, Alemania (Ossenbrink, 2013) y sobre techo en Vestby, Noruega (PVEurope,
2016).
La
doble orientación Este-Oeste coexiste con otras tecnologías fotovoltaicas como
los sistemas de ángulo fijo y los de seguimiento solar. Sin embargo, en extensa
revisión de la literatura internacional no se menciona la doble orientación
Norte-Sur como otra alternativa.
Los
autores concluyeron en un trabajo anterior, a partir de simulaciones con los
datos de un sitio en una latitud media de Cuba que, en terrenos llanos, los
resultados energéticos por área obtenidos en parques con orientación Norte-Sur
eran casi iguales a los de aquellos con orientación Este-Oeste (Padrón Suárez, Gutiérrez Urdaneta y Valladares
Aguilera, 2021).
Los
terrenos no llanos son, en la práctica, la situación más frecuente. Muchas veces,
para reducir los costos de inversión es aconsejable construir parques
fotovoltaicos en terrenos con pendientes dentro de ciertos rangos de desniveles
(EPA-NREL, 2013) (Lewis, 2013). Los autores realizaron simulaciones en tres sitios
de Cuba (en latitudes extrema superior, media y extrema inferior), con el
propósito de evaluar la idoneidad de la orientación Este-Oeste o Norte-Sur en
terrenos con diferentes combinaciones de pendientes. Los resultados a los que
llegaron fueron sorprendentes, y confirmaron una vez más que en el desarrollo
de las fuentes renovables de energía, el concepto de traje a la medida es el
apropiado.
Materiales y métodos
Si
bien en cuanto a los sistemas de doble orientación Este-Oeste en terrenos
llanos existen estudios y evidencias a nivel internacional y nacional (Padrón Suárez
et al., 2021) (Cossu et al., 2021), en cuanto a la
orientación Norte-Sur no pudo hallarse referencia alguna, y el presente trabajo
podría estar abordando este asunto de manera temprana.
Fueron
seleccionados tres sitios en Cuba. Los datos mensuales promedio de radiación
global horizontal y de la temperatura en el día, según la latitud y longitud de
cada ubicación, se obtuvieron del libro en Excel “Interp”
(Tabla 1), uno de los resultados del proyecto “Determinación de la distribución
de radiación solar sobre el territorio nacional partiendo de la información que
brinda la red heliográfica”, del Centro de Física de la Atmósfera, del
Instituto de Meteorología (Bárcenas Castro et
al., 2013)
Tabla 1.
|
|
|||||
La
Habana |
Sancti
Spíritus |
Guantánamo |
||||
Latitud |
Longitud |
Latitud |
Longitud |
Latitud |
Longitud |
|
23.1 |
-82.34 |
21.57 |
-79.21 |
19.94 |
-75.1 |
|
Radiación solar diaria horizontal kWh/m2.día |
Temperatura ambiente 0C |
Radiación solar diaria horizontal kWh/m2.día |
Temperatura ambiente 0C |
Radiación solar diaria horizontal kWh/m2.día |
Temperatura ambiente 0C |
|
Enero |
4,24 |
26,9 |
4,20 |
27,6 |
4,18 |
28,8 |
Febrero |
4,93 |
27,6 |
5,02 |
28,2 |
5,03 |
29,1 |
Marzo |
5,55 |
28,7 |
5,66 |
29,0 |
5,58 |
29,9 |
Abril |
6,56 |
30,5 |
6,53 |
30,3 |
5,84 |
30,8 |
Mayo |
6,29 |
31,4 |
6,28 |
31,1 |
5,89 |
31,3 |
Junio |
5,94 |
31,6 |
6,37 |
31,6 |
6,01 |
31,9 |
Julio |
6,27 |
32,6 |
6,61 |
32,4 |
6,37 |
32,7 |
Agosto |
6,08 |
32,6 |
6,43 |
32,3 |
6,49 |
32,9 |
Sept. |
5,51 |
32,0 |
5,76 |
31,5 |
5,85 |
32,1 |
Octubre |
4,70 |
30,6 |
5,01 |
30,8 |
4,73 |
31,3 |
Nov. |
4,04 |
28,8 |
4,28 |
29,5 |
4,31 |
30,0 |
Dic. |
3,57 |
27,4 |
3,83 |
28,8 |
3,75 |
29,2 |
Promedio |
5,25 |
30,1 |
5,52 |
30,3 |
5,39 |
30,9 |
Radiación y temperatura
de los tres sitios
Las
estructuras y dimensiones de los sistemas de orientación Este-Oeste y
Norte-Sur, con las cuales se realizaron las simulaciones se muestran en las figuras
2 y 3, y en la tabla 2.
Figura 2.
Vista lateral de dos cobertizos con doble
orientación Este-Oeste
Figura 3.
Vista de parque con doble orientación
Norte-Sur.
Tabla 2.
|
|||
Conceptos |
Unidad
medida |
Doble
orientación |
|
E-O |
N-S |
||
Inclinación
de los paneles (β) |
° |
10,0 |
|
Potencia
|
kW |
3.119 |
|
#
paneles |
- |
8.100 |
|
#
módulos en retrato por cúpula |
- |
4 |
|
Espacio
entre cada media cúpula (Ec) |
m |
0,10 |
|
Largo
panel |
m |
1,996 |
|
Bordes
del panel (largo) |
m |
0,02 |
|
Ancho
del panel |
m |
0,991 |
|
Bordes
del panel (ancho) |
m |
0,02 |
|
Ancho
banda receptora (2 . Ab) |
m |
8,064 |
|
Distancia
e/ inicios filas de cúpulas (Dc) |
m |
8,96 |
|
Ancho
de la cúpula (2 . Amc + Ec) |
m |
8,02 |
|
Pasillo
mínimo entre cúpulas para O&M (Pc) |
m |
0,92 |
|
Número
de cobertizos |
- |
15 |
|
Número
de paneles en fila o columna |
- |
135 |
|
Largo
N-S |
m |
136,5 |
133,5 |
Largo
E-O |
m |
133,5 |
136,5 |
Área
neta de paneles y espacios entre filas y cúpulas |
ha |
1,822 |
|
Índice
de ocupación del terreno (GCR) |
% |
90,0% |
Dimensiones de las estructuras
Las
simulaciones, con las informaciones anteriores, se realizaron mediante el internacionalmente
reconocido software PVsyst (Group of Energy,
Institute of the Sciences of the Enviroment, 2019). Este es la
herramienta informática profesional
más utilizado en Cuba como herramienta de simulación.
Para
conformar las cúpulas se usaron 4 módulos de 385 Watts monofaciales
de Longi Solar, acoplados en forma de “retrato”. Los
inversores son de SMA, Sunny Tripower
25000TL-30. En todas las variantes, la razón de potencia de los módulos en
relación con la de los inversores será 1,11 (figura 4). Se utilizó la opción
“según cadenas de módulos” en las simulaciones para una determinación de las
pérdidas eléctricas por sombreado. Así, cuando una cadena de módulos sufre de
sombreado, la misma reduce la generación. La fracción para el efecto eléctrico utilizada
fue 70%, la cual está dentro del 60%-80%, rango más realista para una
configuración de varias cadenas de módulos
(Mermoud y Lejeune, 2010).
Figura 4.
Parámetros tecnológicos.
Se
asumieron las siguientes pérdidas porcentuales para todas las variantes.
• Suciedad del conjunto: 3%
• Pérdida óhmica en el cableado: 1,5% en STC
• Degradación inducida de la luz: 1,5%
• Pérdida de calidad del módulo: -0,5%
• Pérdida por desajuste de módulos; 1,0%
• Pérdida por desajuste de cadenas: 0,1%
• Modificador del ángulo de incidencia: el
propio del módulo utilizado
Se
realizaron 294 simulaciones con la información de los sitios en Cuba, 49 para
cada sitio cúpula con orientación Este-Oeste y otras 49 con orientación
Norte-Sur, con diferentes pendientes (tabla 3). Cuando la parte Este es más
alta que la Oeste, la pendiente Este-Oeste es positiva. Asimismo, cuando el
Norte es más alto, la pendiente Norte-Sur mayor que cero.
Tabla 3.
|
|
|||||||
|
Pendiente
Este-Oeste ° |
|||||||
Pendiente Norte-Sur ° |
Grados |
-8 |
-5 |
-3 |
0 |
3 |
5 |
8 |
Pendiente
Norte-Sur⁰ |
-8 |
|
|
|
|
|
|
|
-5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
Combinaciones de pendientes
Además,
se realizaron otras doce simulaciones, dos (una, con orientación Este-Oeste y
otra, con orientación Norte-Sur) para 6 sitios llanos (sin pendiente) en otros
países, con los datos meteorológicos contenidos en el software PVsystem (tabla 4), con las
mismas dimensiones de la tabla 3 e igual esquema tecnológico según figura 4.
Tabla 4.
|
||||||
Sitio |
Aberporth, Reino
Unido |
Munich, Alemania |
París, Francia |
Termoli,
Italia |
Alcantarilla,
España |
Isparta,
Turquía |
Latitud° |
52.13 |
45.35 |
47.73 |
42.0 |
37.95 |
37.75 |
Sitios en otras latitudes
Análisis y discusión de resultados
Para
analizar la orientación Este-Oeste versus Norte-Sur en otras latitudes en
terrenos llanos, se parte de significar que la ausencia de referencia sobre
estructuras de doble orientación Norte-Sur y su comparación con la Este-Oeste,
fue extraño a los autores, los cuales decidieron realizar simulaciones en
sitios de latitudes medias y en los tres sitios en Cuba, en terrenos sin
pendientes (figura 5).
Figura 5
Generación anual E-O vs. N-S en diferentes
latitudes
Como
se observa, en los sitios de latitudes medias (entre 30° y 60°), en
donde se han construido la mayoría de los parques con doble orientación, la
generación anual Este-Oeste es ligeramente superior a la obtenida con la
orientación Norte-Sur, de manera que esa podría ser la razón de la ausencia de
menciones sobre esta última doble orientación. En los tres sitios cubanos, esa
diferencia es prácticamente insignificante y la orientación Norte-Sur, aún en
superficies llanas, podría ser de utilidad en determinados casos,
fundamentalmente en techos, cuando la forma del mismo haga aconsejable la
orientación Norte-Sur, e incluso, con azimuts entre 0° y 90° para
aprovechar mejor el espacio (Padrón Suárez et al., 2021).
En
cuanto a la orientación Este-Oeste con pendientes en los tres sitios en Cuba, si
bien no hay diferencias significativas
entre ambas orientaciones en terrenos llanos, cuando existen pendientes, esto
cambia notablemente. En los tres sitios en Cuba, la mayor generación se obtiene
en la zona central inferior de las matrices, y la menor, en las esquinas superiores.
Los gráficos en 3D son similares, en cuanto a su forma, para los tres sitios (figuras
6 y 7). El resultado de la dispersión de la generación en relación con el
promedio se muestra en la tabla 5.
Figura 6
Matrices con la generación con orientación
Este-Oeste y pendientes.
Figura 7
Gráfico en 3D con los resultados de las
simulaciones en Sancti Spíritus
Tabla 5.
|
|||
Conceptos |
La
Habana |
Sancti
Spíritus |
Guantánamo |
Promedio |
4
666 |
4
837 |
4
681 |
Desviación
típica |
125 |
122 |
110 |
Desviación
típica/Promedio (%) |
2,7% |
2,5% |
2,3% |
Generación
máxima/mínima |
1,13 |
1,12 |
1,11 |
Dispersión de resultados. Orientación
Este-Oeste
Con
respecto a la orientación Norte-Sur con pendientes en los tres sitios en Cuba, la
mayor generación se obtiene en la zona central de las matrices, y la menor en
la fila superior y en las esquinas inferiores. (figuras 8 y 9). Por otra parte,
el resultado de la dispersión de la generación con relación al promedio se
muestra en la tabla 6. Existe menor dispersión en la generación en relación con
la orientación Este-Oeste, por lo cual el gráfico en 3D es “achatado” en la
parte superior.
Figura 8
Matrices con la generación con orientación
Norte-Sur y pendientes
Figura 9
Gráfico en 3D con los resultados de las
simulaciones en La Habana
En la medida que aumenta o disminuye la pendiente Norte-Sur, se reduce la generación. Puede ser intuitivamente difícil captarlo. Cuando la pendiente es negativa, aumenta el sombreado de los módulos situados delante en la cúpula, sobre todo en el periodo octubre-marzo. Si es positiva, se incrementa el sombreado de los paneles traseros de la cúpula, fundamentalmente en los meses de abril a septiembre (figura 10).
Figura 10.
Paneles sombreados (en amarillo) el 21 de
junio a las 5:30 PM en el sitio de La Habana.
Tabla 6.
|
|||
|
La
Habana |
Sancti
Spíritus |
Guantánamo |
Promedio |
4
672 |
4
851 |
4
700 |
Desviación
típica |
71 |
68 |
63 |
Desviación
típica/Promedio (%) |
1,5% |
1,4% |
1,3% |
Generación
máxima/mínima |
1,05 |
1,05 |
1,05 |
Dispersión de resultados. Orientación
Norte-Sur
Con
respecto a la orientación Este-Oeste versus Norte-Sur en terrenos con
pendientes, se precisa que con cada combinación de pendientes se seleccionó la
orientación con mayor generación. En los tres sitios coincidió la misma regla de
decisión, excepto una discreta variación en Guantánamo (figura 11): en las
combinaciones de pendientes cuyos escaques están en amarillo, la orientación
Este-Oeste es la apropiada. En el resto, con la Norte-Sur, la producción de
energía es mayor.
Figura 11
. Reglas de decisión según combinaciones de
pendientes en sitios
La
selección de la orientación apropiada, en determinadas combinaciones de
pendientes, puede arrojar beneficios
adicionales en la generación. El beneficio de seleccionar una orientación puede
ser significativo, sobrepasando, incluso, el 3% (números sobre los cuales hay
una línea) en una misma superficie y con la misma potencia (Figura 12): solo
hay que seleccionar la doble orientación que maximiza la energía.
Lo
más revelador es que con la orientación Norte-Sur se pueden alcanzar en todos
los sitios, con determinadas composiciones de pendientes, aumentos de energía
de más de un 3% (valores con línea en escaques naranja) en relación con la
generación que se obtendría con la orientación “tradicional” Este-Oeste.
Los
autores también realizaron otras 294 simulaciones para los tres sitios con una fracción
para el efecto eléctrico del 100% y los resultados para la regla de decisión
fueron muy similares.
Figura 12
Porciento de energía adicional al seleccionar
la opción E-O o N-S.
Otro
resultado interesante, aunque esperado al mantenerse un GRC igual para los tres
sitios, es que parece ser que en la medida que se reduce la latitud, las
ganancias o pérdidas de energía en terrenos con pendientes se reduce en
relación con aquellas que se obtendrían en terrenos totalmente llanos (tabla
7).
Tabla 7
|
|||
|
La
Habana |
Sancti
Spíritus |
Guantánamo |
Máximo |
3,3% |
3,1% |
2,6% |
Mínimo |
-5,2% |
-4,8% |
-4,6% |
Máximas y mínimas
ganancias o pérdidas versus terreno llano
El
índice de ocupación del terreno con la doble orientación vs. los sistemas de
ángulo fijo.
Debido
a que la tierra es un recurso no renovable, limitado y escaso, el índice de
ocupación del terreno (GCR) es uno de los indicadores más importantes a la hora
de evaluar alternativas. Es una medida de cuan intensivamente se utiliza la
superficie disponible.
Formula Art19
Está
siendo común en el mundo, situación que debe ser más frecuente con el tiempo,
que los parques fotovoltaicos se construyan en lugares menos óptimos desde el
punto de vista de la radiación y con disponibilidad de tierra limitada o con
restricciones (Smith, 2017). Es de
esperarse un aumento del costo de la tierra disponible en el futuro debido,
entre otros factores, al desarrollo de la propia generación fotovoltaica. Por
lo tanto, la optimización del espacio es una necesidad.
La
mayor parte de los parques fotovoltaicos en terrenos en Cuba, se construyen con
paneles inclinados al Sur y azimut 0°
como se muestra en la figura 13.
Figura 13
Vista lateral de un parque con sistema de
ángulo fijo.
Debido a las dimensiones descritas
en la tabla 2, en el presente estudio se ha asumido un GRC de 90% en los tres
sitios con los sistemas de doble orientación. Para los sistemas de ángulo fijo,
en la medida que baja la latitud, es posible utilizar un GRC mayor (figura 14).
Figura 14.
Cálculo de los autores del GCR de los SAF,
según latitudes de 12 sitios.
Por
ello, se determinaron los índices de ocupación del terreno según las
combinaciones de pendientes del sitio de Guantánamo, de haberse utilizado un
sistema de ángulo fijo (SAF), con las siguientes condiciones: se minimizó la
distancia entre inicios de filas (Df) que garantizara la ausencia de sombreado entre paneles a
las 8:00 AM el 21 de diciembre, el pasillo mínimo entre filas es de 0,92 m
(para operación y mantenimiento) y el ángulo de inclinación mínimo de los
paneles es de 10° (tabla 8). Para determinar la distancia entre filas, se
utilizaron las ecuaciones desarrolladas por uno de los autores, así como la
aplicación informática desarrollada (Gutiérrez
Urdaneta, 2022). Esta aplicación informática está a disposición de todas
las entidades cubanas y se enviaría a solicitud.
Tabla 8.
|
||||||||
|
Pendiente
Este-Oeste ° |
|||||||
Pendiente Norte-Sur ° |
Grados |
-8 |
-5 |
-3 |
0 |
3 |
5 |
8 |
Pendiente
Norte-Sur ⁰ |
-8 |
74% |
73% |
73% |
72% |
71% |
70% |
69% |
-5 |
79% |
78% |
78% |
77% |
76% |
76% |
75% |
|
-3 |
82% |
82% |
81% |
80% |
80% |
79% |
78% |
|
0 |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
|
3 |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
|
5 |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
|
8 |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
83% |
GRC posible con Sistema
de Ángulo Fijo. (GRC con doble orientación 90%)
En
todos los casos, con el sistema de doble orientación, se pueden lograr mayores
índices de ocupación del terreno. Esta ventaja aumenta cuando la pendiente
Norte-Sur es negativa, independientemente de la pendiente Este-Oeste.
Respecto
a la doble orientación adecuada: terreno con pendientes versus terreno llano,
es importante precisar que con la selección de la orientación adecuada, pueden
reducir al mínimo las pérdidas de energía que se producirían si solo se optara
por la variante de doble orientación Este-Oeste. De utilizarse la doble
orientación apropiada, se podrían obtener ganancias de energía de hasta más 3,3%
en La Habana, en relación con la doble orientación Este-Oeste sin pendiente. Asimismo,
las pérdidas con la orientación Norte-Sur versus
la Este-Oeste pueden alcanzar hasta 4,9% en el mismo sitio (figura 15). La opción
de nivelar o no el terreno sería, entonces, una decisión económica en cada caso
específico: costos de nivelación versus
reducción de la generación.
Figura 15
Porciento de mayor o menor energía versus
terreno llano.
Conclusiones
1.
La selección de cualquier tecnología fotovoltaica depende, entre otros
factores, de las características del sitio y de la evaluación económica. Los
autores han introducido la doble orientación Norte-Sur como novedad, y han adelantado
algunas reglas que permiten seleccionar la orientación más beneficiosa, sea
Norte-Sur o Este-Oeste en terrenos con pendientes. No obstante, análisis
similares deben realizarse en sitios específicos y con las pendientes concretas
antes de realizar la selección definitiva, incluso, teniendo en cuenta el
azimut del parque cuando difiera de 0 y 90°.
2.
Los terrenos con pendientes son los más frecuentes en la práctica. De
acuerdo con los resultados mostrados, la selección apropiada de la doble
orientación puede aportar beneficios significativos de energía y de economía, en
determinadas combinaciones de pendientes, por lo cual se recomienda que estos
resultados sean tenidos en cuenta para futuros proyectos.
3.
La consistencia de los resultados obtenidos, aún sin haber hallado
referentes de estudios previos sobre la orientación Norte-Sur y de la
comparación de sus resultados energéticos versus
la Este-Oeste, permite a los autores recomendar que la doble orientación
Norte-Sur se incorpore al portafolio de tecnologías fotovoltaicas para futuros
proyectos en Cuba. Una vez más se concluye que cada sitio requiere un análisis
específico: un traje a la medida. Solo así se logrará la óptima combinación
productiva de un recurso infinito, la luz solar, con uno escaso y limitado, la
tierra.
Bárcenas Castro, M., Borrajero Montejo, I., Peláez
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while maintaining the lowest cost of ownership. Obtenido de Solvida Energy Group, Estados Unidos:
https://solarflexrack.com/wp-content/uploads/2018/03/Solar_Tracker_Site_Design_White_Paper_Rev1_-Stephen-Smith.pdf