¿Y si vuelve Filomena? Consejos prácticos desde Laponia

Covid, Brexit, asalto al Capitolio, Crisis climática, Olas de calor, Huracán Iota, Borrasca Filomena, … ¿Qué será lo siguiente?

Aunque los términos apocalípticos se han vuelto habituales en el actual panorama informativo, nadie ni nada nos garantiza que algunos de ellos no se puedan repetir en el futuro próximo. Ante esta incertidumbre conviene estar listos como indicábamos en nuestro reciente artículo sobre Filomena. Y en el caso de los nuevos episodios extremos de frío quién más apropiado para aconsejarnos que nuestros vecinos escandinavos. Al fin y al cabo ya decía la canción que «En Laponia hace frío…», aunque curiosamente en los últimos años se han incrementado las instalaciones fotovoltaicas en esta región ártica.

Por todo ello, desde hace unos 5 años el Centro Tecnológico RISE Energy mantiene en la Laponia Sueca una división especializada en evaluar e investigar los efectos de la nieve y el clima polar sobre las instalaciones solares fotovoltaicas. Sepamos que han averiguado.

Comentarios sobre las condiciones de la energía fotovoltaica en el norte de Suecia

Tras la fuerte caída del precio de los paneles fotovoltaicos en la última década, los sistemas fotovoltaicos en el norte de Suecia se han hecho más comunes aunque menos que en otras regiones del sur de Suecia.  Como resultado, la mayoría de los sitios que visitamos e investigamos están instalados después de 2015, lo que ha limitado nuestras posibilidades de investigar los procesos lentos y la degradación. Sin embargo, algunos problemas relacionados con la nieve ya se han manifestado durante estos primeros inviernos.

Las altas latitudes tienen un buen potencial para los sistemas fotovoltaicos, pero los retos y requisitos son diferentes a los de las latitudes más meridionales. Por ejemplo, la trayectoria solar a través del cielo es más baja. Abarca casi todos los puntos de la brújula en verano, pero apenas supera el horizonte en invierno. La temperatura media y la irradiación máxima son más bajas, y la capa de nieve puede ser espesa durante algunas partes del año. El entorno puede ser realmente duro e incluso ártico; para mantener una buena fiabilidad, hemos comprobado que se necesitan productos robustos. Lo más importante es que el sistema fotovoltaico esté bien pensado desde el punto de vista de la nieve, y que se instale meticulosamente.

pv magazine: ¿Cómo afectan los largos inviernos, la nieve y las heladas, según la experiencia de RISE Energy, a la integridad mecánica de los paneles fotovoltaicos en Suecia?

Mattias Lindh, PhD in Experimental Physics, e Investigador en RISE Energy Technology Center, en Piteå, Suecia: En general, los paneles de los emplazamientos fotovoltaicos bien diseñados y construidos parecen aguantar bien también los inviernos largos, fríos y con mucha nieve del norte. Hemos observado células agrietadas, cristales de paneles rotos y marcos de aluminio rasgados o doblados, pero a menudo son el resultado de algún descuido durante la planificación del emplazamiento o de un montaje inadecuado de los paneles.

¿Cómo afecta la nieve al rendimiento de los paneles fotovoltaicos? ¿Y a los inversores y BOS?

Está comprobado que, debido a su alta reflectancia, incluso una fina capa de nieve que cubra un panel fotovoltaico es perjudicial para la generación de energía. La nieve suele deslizarse de los paneles fotovoltaicos inclinados antes de que se derrita del suelo, pero si la distancia al suelo es demasiado pequeña puede acumularse en la base. En ese caso, la nieve se convierte en un problema de sombreado y, en el caso de una cobertura parcial de nieve, la disposición de las células y la orientación de un panel pueden ser decisivas para la magnitud de las pérdidas. Por ejemplo, si la nieve que se desliza por un panel fotovoltaico de silicio estándar orientado en horizontal se acumula en su base y cubre la parte inferior, el panel puede resultar completamente improductivo a pesar de estar principalmente libre de nieve, ya que los tres diodos de derivación están activados.

Por el contrario, un panel fotovoltaico orientado en horizontal, con la nieve cubriendo el borde largo inferior, sólo tendría una sub-cadena de bypass y, en consecuencia, perdería un tercio en lugar de toda la energía generada. Este problema se agrava en el caso de los sistemas inclinados en tejados con poco ángulo, en los que la nieve no puede deslizarse y debe derretirse casi por completo antes de que la potencia vuelva a ser normal.

El deslizamiento o el asentamiento de la nieve pueden imponer grandes fuerzas, y un problema recurrente es que los cables solares sin protección y los contactos que no están bien sujetos o protegidos en los canales se han desgarrado en ocasiones. Esta avería es peligrosa y difícil de remediar antes de que se derrita la capa de nieve, pero puede evitarse eficazmente mediante un correcto tendido de los cables durante la instalación.

Debido a las condiciones ambientales, la mayoría de los emplazamientos fotovoltaicos del norte de Suecia tienen los inversores, fusibles e interruptores bien protegidos de los elementos exteriores, o incluso en el interior. Hasta ahora, no tenemos indicios de problemas relacionados con la nieve en este tipo de equipos.

¿Existe algún problema de dilatación de las juntas (módulos, bridas, tuercas y tornillos…) debido a los cambios extremos de temperatura?

Efectivamente, en el norte de Suecia hay grandes diferencias de temperatura entre estaciones, llegando algunos años a cerca de 70 °C (35 °C en verano y -35 °C en invierno). Teniendo esto en cuenta, naturalmente hemos discutido el asunto en varias ocasiones, pero hasta ahora no hemos experimentado ningún problema grave en las juntas relacionado con las grandes variaciones de temperatura.

¿Se aprecia una mayor corrosión en las zonas de mayor nevada?

 No hemos experimentado una corrosión acelerada en los componentes del sistema fotovoltaico en el norte de Suecia, pero los lugares que estudiamos son comparativamente nuevos. En las regiones costeras y marítimas cercanas al agua salada, como en el norte de Noruega, la corrosión puede ser un problema al igual que en las latitudes meridionales. No tenemos constancia de si los largos periodos de nieve sobre los paneles en estas regiones saladas afectan a la tasa de corrosión.

En mi opinión, creo que una temperatura más baja generalmente significa que se puede esperar una menor tasa de corrosión, siguiendo la lógica de que la alta temperatura suele añadir energía y acelerar las reacciones electro-químicas (comportamiento de Arrhenius). Esto implicaría que la corrosión, en general, debería ser menos problemática en el norte, donde la temperatura es más baja en general.

En cuanto a las estructuras, los bastidores y los seguidores fotovoltaicos. ¿Han experimentado algún problema, accidente..?

 Intuitivamente, los seguidores solares son muy adecuados para las condiciones del norte porque pueden seguir al sol a lo largo de su trayectoria comparativamente larga y baja a través del cielo, y realmente aprovechar la abundante irradiación en verano. En invierno, la alta inclinación puede reducir la cantidad de nieve que se acumula en los paneles. Pero un sistema de seguimiento fotovoltaico tiene numerosas piezas móviles y depende tanto de la funcionalidad de seguimiento como de los motores. En consecuencia, es mucho más complejo que un sistema fotovoltaico fijo, lo que aumenta los retos y la necesidad de mantenimiento en entornos difíciles.

Un posible problema es que los seguidores en posición horizontal de protección contra tormentas (a veces también utilizados para el mantenimiento) pueden acumular nieve en la parte superior hasta tal punto que los motores no pueden reorientar el seguidor, lo que lo dejaría inoperativo durante un largo periodo de tiempo.

Durante los años en los que cae una gran cantidad de nieve, los tejados débiles e infra-dimensionados pueden derrumbarse debido a la carga de nieve. Un sistema fotovoltaico añade peso y también puede cambiar la forma en que la nieve se acumula y se desprende de un tejado, lo que a su vez puede imponer a la construcción fuerzas desviadas que no está previsto que soporte. Por suerte, hasta ahora no tenemos ejemplos de tejados bajo una instalación fotovoltaica que se hayan derrumbado debido a un aumento de la carga de nieve, pero como muchas casas y edificios del norte de Suecia son antiguos, y a medida que las instalaciones fotovoltaicas se hacen más comunes, el riesgo aumenta.

La colocación de las abrazaderas de fijación también puede ser muy importante para proteger los paneles. Un soporte en el centro, por ejemplo utilizando un riel de aluminio adicional, puede impedir eficazmente la deflexión del panel y evitar que se rompa bajo altas cargas de nieve. Hemos visto múltiples ejemplos de paneles fotovoltaicos rotos en los que no se han seguido las instrucciones de montaje del fabricante; los paneles se doblan demasiado bajo carga, lo que provoca la rotura del marco, el cristal o las células.

¿Qué hacen los suecos con 3-4 meses de nieve encima de los paneles? Recomiéndenos como mantener los paneles y el sistema solar

En realidad, muchos sistemas fotovoltaicos de alta inclinación en el norte de Suecia se deshacen espontáneamente de la nieve acumulada durante el invierno. Para los sistemas de baja inclinación la situación es diferente. Normalmente, se aconseja no limpiar la nieve de los paneles. Esta recomendación se basa principalmente en el riesgo de dañarlos, especialmente en el caso de la nieve dura o recongelada. Hemos comprobado que el momento en que se retira la nieve es clave para reducir las pérdidas de producción debidas a la nieve y mantener los esfuerzos y el riesgo al mínimo.

Básicamente, la duradera cobertura de nieve en el norte de Suecia es el resultado de una pequeña irradiación durante esta época del año. En Piteå, la nieve suele cubrir el suelo desde noviembre hasta abril. Esto se corresponde con el peor de los casos, con unas pérdidas de energía anuales previstas de alrededor del 30%, si también los paneles están cubiertos de nieve durante todo este periodo. Pero, lo que es más importante, si los paneles están libres de nieve desde principios de marzo, las pérdidas anuales se reducen a sólo un 5 %, y los paneles pueden dejarse sin vigilancia bajo la nieve desde noviembre hasta finales de febrero. A modo de comparación, el caso extremadamente improbable de que la nieve cubriera los paneles fotovoltaicos en Madrid desde noviembre hasta abril, supondría una pérdida anual de energía de alrededor del 40 %.

En colaboración con una compañía de seguros, entre otros, estamos trabajando en la evaluación y el desarrollo de métodos de limpieza de nieve para sistemas fotovoltaicos montados en tejados. El proyecto aún no ha llegado a sus conclusiones definitivas, pero aconsejamos encarecidamente el uso de un método suave y una manipulación cuidadosa, y subrayamos que los paneles fotovoltaicos deben limpiarse de nieve si la carga pone en peligro de algún modo la construcción del tejado. Pero la seguridad personal es lo primero: ¡el deslizamiento de la nieve es peligroso, y una caída desde un tejado alto puede ser mortal!.

En el caso de nevadas aisladas en regiones con pocas nevadas (como España), compruebe la previsión meteorológica antes de limpiar la nieve para evitar trabajo y riesgos innecesarios. O bien, si se pronostica más nieve y se sabe que el emplazamiento fotovoltaico no está diseñado para soportar la carga de nieve prevista, hay que estar preparado, vigilar continuamente y, si es necesario, limpiar la nieve para que no se dañen los componentes.

¿Algún comentario sobre los paneles y componentes congelados por debajo de -20º -30º C?,  ¿Hay algún problema particular? ¿Gotas de agua que se congelan y se expanden? ¿se pueden quebrar los componentes?

Las temperaturas muy bajas probablemente pueden afectar a la electrónica de, por ejemplo, inversores y optimizadores, pero esto lo especifican los fabricantes y no hemos priorizado los estudios sobre su efecto en ese sentido.

Creo que el agua que se congela y expande está relacionada con los ciclos repetidos de congelación y descongelación más que con las temperaturas extremadamente bajas. A veces vemos daños como cristales agrietados en el borde inferior de los paneles, pero a menudo coinciden con un borde del marco de aluminio doblado o roto. En estos casos, es difícil decir a posteriori si fue la nieve deslizante la que tiró del marco y rompió el cristal, o si fue el agua rastrera o penetrante la que se congeló, rompió el cristal y acabó desprendiendo el marco.

Aspectos positivos. ¿Han evaluado el aumento del albedo de la producción de los sistemas fotovoltaicos (paneles y salida de corriente continua completa)? ¿Las temperaturas frías aumentan la producción cuando son demasiado bajas?

La nieve fresca tiene un albedo muy alto que añade irradiancia reflejada durante parte del año, dependiendo de la disposición del emplazamiento fotovoltaico. Los paneles de alta inclinación reciben más irradiación reflejada que los de baja inclinación. En el norte de Suecia, el efecto es más importante a principios de la primavera (abril), cuando la nieve suele permanecer en el suelo pero la irradiancia y el número de horas de luz del día han aumentado considerablemente en comparación con los meses de invierno.

En los días gélidos pero despejados de finales de abril o principios de mayo, se hace evidente la mayor eficiencia de los paneles a bajas temperaturas. En combinación con un elevado albedo del suelo (nieve), algunos emplazamientos tienen sus días récord en términos de producción de energía en este periodo, a pesar de que la irradiación diaria es sustancialmente inferior a la de finales de junio. En términos más generales, la tendencia en el norte de Suecia es que mayo y junio superan a los más cálidos julio y agosto desde el punto de vista de la producción de energía.

Cuando se habla de alto albedo y reflexiones en el suelo, se piensa directamente en los paneles bifaciales. Estamos investigando el rendimiento de los paneles bifaciales en condiciones septentrionales, pero hasta ahora no hemos podido separar de forma inequívoca las contribuciones de la irradiación frontal y trasera y la baja temperatura. Algunas mediciones preliminares en un emplazamiento fotovoltaico bifacial indican que la ganancia bifacial puede ser muy alta cuando el suelo está cubierto de nieve, pero esto depende de varios factores como la nubosidad, el tipo de nieve, la orientación del panel, el tipo de bastidor de montaje, etc.

¿La nieve ayuda a limpiar mejor los paneles? ¿Algún otro resultado positivo?

No tenemos datos que apoyen esto, pero es una hipótesis interesante: que un deslizamiento de nieve adecuado puede ayudar a limpiar los módulos de la suciedad que se ha adherido con fuerza después de las lluvias habituales. Tal vez un deslizamiento de nieve pueda ayudar, pero en entornos en los que es necesaria una limpieza periódica, creo que es importante no hacer reducciones en el mantenimiento planificado a causa de una inesperada caída de nieve en invierno. Mas bien, se puede justificar la realización de inspecciones adicionales del lugar y de los paneles.

Conclusiones

En conclusión, muchos de los escollos y problemas relacionados con la nieve, el hielo y las temperaturas bajo cero que hemos observado en el norte de Suecia pueden evitarse mediante una planificación cuidadosa y una instalación meticulosa del emplazamiento. Durante los periodos en los que la nieve cubre los paneles, es inevitable que se produzcan algunas pérdidas de producción, pero pueden reducirse mediante un diseño y una colocación inteligentes de los paneles en el emplazamiento, junto con una retirada cuidadosa y oportuna de la nieve. El rendimiento específico esperado es menor en el norte de Suecia (según nuestra experiencia, unos 850 kWh/kWp son razonables para los sistemas residenciales montados en tejados) en comparación, por ejemplo, con España, por lo que se necesitan emplazamientos fotovoltaicos robustos y fiables con un mantenimiento mínimo para preservar su rentabilidad.

Aconsejamos las siguientes cinco pautas para reducir los problemas relacionados con la nieve en el norte de Suecia:

1. Haga un mapa de las condiciones de la nieve en el lugar previsto antes de la instalación: no coloque los paneles donde se sabe que se acumula la nieve.
2. Compruebe que la instalación está pensada desde el punto de vista de la nieve.
3. Elija paneles y estanterías robustos y certificados que estén dimensionados para soportar las cargas previstas.
4. Retire la nieve del sistema sólo si es necesario: Primero, para salvar la construcción del tejado, segundo, para salvar los paneles y las cubiertas, y tercero, para reducir las pérdidas de producción.
5. Monte y oriente los paneles de forma inteligente, para que la nieve se deslice y se aparte por sí misma.

Actividades del RISE Energy Technology Center

En el RISE Energy Technology Center de Piteå llevamos a cabo varios proyectos de investigación relacionados con la nieve y la energía fotovoltaica del norte:

Quizá el más relevante sea el proyecto que llamamos Snövis (traducción literal: «Sabio de la nieve») investigamos cómo se acumula la nieve en los tejados con sistemas fotovoltaicos, hacemos proyecciones sobre las cargas de nieve previstas en diferentes partes de Suecia y medimos cómo se distribuye una carga de nieve en los paneles fotovoltaicos junto con su desviación. También intentamos identificar y probar diferentes técnicas de retirada de nieve.

https://www.ri.se/en/what-we-do/projects/snow-loads-and-snow-removal-roof-mounted-solarpv

En otro proyecto en curso, se utilizan modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) para simular la dinámica del viento y las cargas de las instalaciones fotovoltaicas en tejados de gran tamaño, lo que está muy relacionado con la forma en que se acumulará la nieve y el impacto final de las fuerzas en los tejados.

https://www.ri.se/en/what-we-do/projects/adaption-of-solar-pv-installations-to-nordic-conditions

En el proyecto Arctic Solar 2.0, recientemente adjudicado, estudiaremos la fotovoltaica integrada en los edificios, las soluciones locales de almacenamiento de energía y continuaremos nuestra investigación sobre los paneles bifaciales en condiciones nórdicas.

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