Sistemas fotovoltaicos
vs. ciclones
Por
Por Daniel Stolik Novygrod*
Riesgos y costos
de los sistemas fotovoltaicos
frente a vientos y huracanes. |
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Los módulos fotovoltaicos (FV) que lideran el mercado mundial son los de silicio policristalino. Su costo ha disminuido espectacularmente: en 1975 era de unos 70 USD
el watt (W), hasta llegar a 30 USD/W en 1980, 9 USD/W en 1990, 5 USD/W en 2000,
2 USD/W en 2010 y 0,60 USD/W en 2014. Evidentemente, el costo del módulo en el sistema fotovoltaico (SFV) instalado ha disminuido de manera espectacular. Esto hace que otros componentes, como inversores, estructuras metálicas, cableado eléctrico, costos de capital, entre otros, hayan aumentado sensiblemente el porcentaje que tributa al costo final del SFV. Está planteado continuar disminuyendo el costo total de los SFV, por lo que se hace sumamente importante y necesario abordar este propósito por cada uno de los componentes mencionados.
En esta ocasión abordaremos el riesgo de los huracanes para las instalaciones FV,
pero teniendo en cuenta el costo, o sea, lograr el menor riesgo al menor costo posible.
En realidad es un compromiso entre estos dos factores.
Las probabilidades
Existen varias categorías para las velocidades de los vientos máximos sostenidos y los posibles daños originados, según la escala Saffir-Simpson, aprobada el 1 de junio de 2012 (Tabla 1).
Tabla 1
Escala Saffir-Simpson Categoría km/h D

Cuando existen distintos factores de probabilidades de ocurrencia porcentuales, la probabilidad final es la que se obtiene de multiplicar esas diversas probabilidades, que va resultando cada vez más pequeña. Veamos a continuación distintos elementos que propician la disminución de las probabilidades de daño, teniendo en cuenta, además de los cálculos estructurales de resistencias probables, las muy importantes características tecnológicas inherentes a los SFV que tributan a un análisis más integral de esta problemática, en el sentido de disminuir las posibilidades de daños por vientos y huracanes.
Probabilidad 1
Los módulos FV pueden sufrir daños al paso de huracanes, sobre todo por impactos a los módulos y torceduras de las estructuras, pero en forma repartida. No todos los componentes del SFV tienen mayores probabilidades de riesgo. El inversor por lo general está muy protegido, al igual que el cableado y otros componentes del SFV, que por lo general sufren muy poco. Los elementos más vulnerables son el módulo y la estructura soporte. No todo el SFV está sometido a la misma probabilidad de daños, por lo que el porcentaje de daño total al sistema FV disminuye.
Probabilidad 2
Con relación a los módulos, los productores garantizan una resistencia de 2 400 pascales de presión perpendicular, o sea, la resistencia de los módulos se corresponde con una presión originada por la velocidad del viento de 228 km/h, en dirección perpendicular al módulo, lo que corresponde con la velocidad de vientos máximos de un huracán de categoría 4. Debido a la gran resistencia del módulo al viento es importante optimizar las resistencias vs. costo de la fijación del módulo a la estructura metálica soporte, la resistencia de la propia estructura y la fijación de la estructura al suelo o cubierta de la instalación del SFV.
Probabilidad 3
Hacer las «filas» de instalaciones FV con dos en lugar de 4 módulos transversales,
para que la resistencia mecánica del SFV al viento disminuya casi al doble, entre otras ventajas.
Probabilidad 4
Hacer las filas de las mesas de módulos más largas contribuye a la mutua resistencia mecánica aledaña de la estructura, teniendo en cuenta sobre todo el carácter limitado espacialmente de las rachas de vientos más fuertes de un huracán.
Probabilidad 5
Entre otras ventajas, al instalar el módulo con inclinación de 15° (en lugar de los grados
de latitud), se obtiene una mayor resistencia del sistema a los vientos.
Probabilidad 6
Mundialmente, la mayoría de los SFV se instalan para resistir vientos de unos 150 km/h, sin que resulte en daño alguno. Esto no significa que para vientos de mayor velocidad
el SFV necesariamente se destruya, ya que el comportamiento es porcentualmente probabilístico, o sea, va aumentando paulatinamente a partir de porcentajes pequeños
de probabilidad de daños.
Probabilidad 7
El occidente del país necesita una gran generación de energía eléctrica, y por supuesto, también FV. El hecho que esta región sea más vulnerable a huracanes no debe ser una limitante. En la determinación del riesgo hay que tener en cuenta la probabilidad de la ocurrencia del paso de huracanes por los SFV vs. número de años de vida útil de los distintos componentes del SFV, que hoy es de unos 25 años. Veamos: en 207 años han azotado a Cuba unos 15 huracanes de gran intensidad. Para las áreas más vulnerables el período de ciclones de categorías 2 y 3 es como sigue: Pinar del Río 17 años, Isla de la Juventud 21, La Habana (Artemisa + Mayabeque) 15, Ciudad de La Habana 21, Matanzas 21. El período de retorno en años de ciclones de categorías 4 y 5 es de: Pinar del Río
34 años, Isla de la Juventud 41, La Habana 51, Ciudad de La Habana 51, Matanzas 51.
Este carácter también probabilístico se debe tener muy en cuenta.
Probabilidad 8
Los SFV se instalan con inclinación hacia el sur, por lo que cuando el viento sopla del sur lo que hace es empujar más hacia el suelo al sistema; por otro lado, cuando el viento sopla desde el este o el oeste tampoco origina muchos daños. Cuando el viento sopla desde el norte es que se produce el efecto «vela», que trata de «empujar» el sistema hacia arriba,
a la vez que el viento que pasa por encima desde el norte por el módulo lo succiona hacia arriba en forma similar a las alas de los aviones. O sea, que de las 4 coordenadas de direcciones del viento, solo una, la que procede del norte, es la más peligrosa.
Probabilidad 9
Otra posibilidad que disminuye tremendamente la probabilidad de daños es construir edificaciones e industrias tan altas como se quiera, pero solamente por el lateral norte del SFV, que «rompen» los vientos y no dan sombra al SFV. Además, en caso de que sea necesario se pueden hacer montículos, cercas, parabanes, superficies desviadoras de viento, entre otras, desde el norte, por donde sopla el viento en la dirección de empuje por debajo del módulo hacia arriba y desde arriba por succión.
Probabilidad 10
La zona de vientos máximos que define la categoría de un huracán está en un área mucho más pequeña que la del diámetro del huracán, en una zona cercana a las paredes de su vórtice. Es decir, tiene que pasar esta zona específica del ciclón como área de más daño.
Probabilidad 11
Ya dijimos que el viento que sopla desde el norte es el más dañino; pues bien, debido a la circulación del viento en contra de las manecillas del reloj, el mayor daño solo se produce cuando la zona oeste cercana al vórtice del ciclón es la que pasa exactamente por la zona donde está enclavado el SFV. Cuando pasan las zonas sur, norte o este del huracán por el SFV en cuestión, la probabilidad de daño disminuye notablemente.
Probabilidad 12
El hecho de desarrollar un programa FV de distribución de las instalaciones FV por todo
el país en gran número de SFV conectados a red (por ejemplo Alemania tiene >1 500 000 conectados a red, y Australia > 1 000 000), hace que un ciclón puede afectar en términos probabilísticos solo una pequeña parte de las mismas.
Probabilidad total final integral
De acuerdo con la multiplicación de todas las probabilidades antes mencionadas de daños FV azotados por ciclones, resulta una probabilidad final muy pequeña. De hacer más robustas las estructuras distribuidas por todo el territorio nacional para resistir vientos de categoría 5 (lo que no se realiza en ningún diseño estructural por tener siempre un carácter probabilístico), el costo real sería mucho mayor que los daños probables que haría un huracán a su paso por una parte de las instalaciones FV, y limitaría financieramente el desarrollo de la FV en el país. El posible azote de huracanes hay que tenerlo en cuenta, pero no debe constituir una limitante para desarrollar un programa nacional FV que puede llegar a alcanzar una penetración a muy largo plazo de 30% de la generación eléctrica del país, tema también de gran atención mundial actual.

Las estructuras no deben sobredimensionarse,
sino optimizar su diseño mediante un cálculo
apropiado de costo-riesgo ante ciclones.
Las estructuras no deben sobredimensionarse, sino optimizar su diseño mediante un cálculo apropiado de costo-riesgo para resistir los vientos que por probabilidad deben afrontar.
Este tema tiene gran atención actualmente a nivel mundial para continuar abaratando las estructuras soportes metálicas FV, que han ido disminuyendo desde $0,30 USD/W hasta menos de $0,15 USD/W. Disminuir el costo de la estructura FV hasta $0,10 USD/W representa el ahorro de un millón USD por cada 10 MW FV instalados.
Existen variantes actuales que llevan el costo de las estructuras metálicas a unos
$0,11 USD/W, para módulos actuales con eficiencias de 15%, y de $0,08 USD/W
con módulos de 20% de eficiencia que se espera se logre para módulos de silicio multicristalino en los próximos años.
Otros aspectos
Tampoco se justifica económicamente hacer abatibles ni recubrir innecesariamente los SFV fijos, por el gran encarecimiento de la inversión inicial. Ninguno de los sistemas FV instalados (hoy más de 170 000 MW) en el mundo son abatibles o con recubrimientos específicos.
Pero de ser necesario, inclusive en techos o en suelos de poca potencia instalada, los módulos se pueden quitar y resguardar. Aproximadamente 4 módulos componen un sistema de 1 kW, y 20 módulos un sistema de 5 kW. En instalaciones o parques pequeños de hasta 50 kW de potencia FV, compuestos de unos 200 módulos,
una brigada los puede quitar y resguardar en varias horas de trabajo.
Experiencia internacional
Los daños que se reportan en regiones de países sometidos a azotes de huracanes y gran cantidad de SFV fijos, no son sustanciales. En el Caribe, incluyendo Cuba, con menos SFV instalados, la experiencia es similar.
Algunos países donde también azotan huracanes y que poseen una mayor cantidad de sistemas FV instalados, muchos de ellos en zonas de huracanes y tornados, continúan creciendo en instalaciones FV. Por ejemplo, China 24 000 MW, E.EUU. 17 000 MW, Japón 14 000 MW y Australia 4 000 MW.
Actualmente se están montando por empresas de experiencia, fundamentalmente de Francia, EE.UU. y España, una mayor cantidad de sistemas FV en el Caribe y zonas cercanas, todas azotadas por huracanes, en República Dominicana, Puerto Rico, México, Honduras, Guadalupe, Isla Caimán, Martinica, Islas Vírgenes, entre otras.
En el Fuerte Jefferson, de los EE.UU., está el Parque Nacional Dry Tortugas, a 108 km al oeste de Cayo Hueso (24° 37' 43" N y 82° 52' 24" O), muy cerca del occidente de Cuba, por donde la ocurrencia de huracanes es grande. Mike Jester, gerente de esas instalaciones de estructuras metálicas sencillas, declaró después del paso de un huracán que le «impresionó el rendimiento del sistema. Nunca se vino abajo durante la reciente temporada de huracanes con vientos de hasta 190 km/h».
Por su parte, Laurie Stone, de Solar Energy Internacional, en el número 86 de la revista Home Power, en relación con los sistemas remotos instalados en Cuba, comentó: «Muchos de estos sistemas han sobrevivido tres huracanes sin daño alguno».
A modo de conclusiones
La generación distribuida FV por todo el país, con una ocupación total insignificante del área nacional, tiene un carácter localizado ante los desastres, por lo que disminuye la probabilidad de catástrofe general FV.
El encarecimiento real por hacer innecesariamente las estructuras más robustas y resistentes a las velocidades de los vientos, constituye un gasto mucho mayor que el costo de los daños probables ocasionados por el paso de huracanes, lo que conspira contra un desarrollo más promisorio FV nacional.
* Doctor en Ciencias y Profesor Titular de la Facultad de Física y el Instituto de Materiales y Reactivos (IMRE), Universidad de La Habana, Cuba.
e-mail: dstolik@fisica.uh.cu