Estructura Soporte – Presión del Viento

ESTRUCTURA SOPORTE

Una vez calculado el ángulo de inclinación de los colectores para optimizar el rendimiento de la instalación, función de la latitud del lugar y de la aplicación a la que se va a utilizar la energía solar, tendremos que hacerlo real con la ayuda de un sistema de anclaje y soporte. El montaje de los colectores es pues una de las operaciones más importantes en una instalación de energía solar.
La solución adoptada para nuestra instalación ha de tener una serie de características para poder ser considerada como tal, como puede ser la rapidez de montaje, el coste (lo más bajo posible) y la seguridad en el anclaje y la sujeción.

Factores de dependencia para elegir correctamente el anclaje de los colectores:

  • Emplazamiento plano o inclinado (Ej.: terraza o tejado).
  • Fuerzas de compresión y tracción sobre los anclajes, siendo esta última la más peligrosa.

Un buen comienzo será determinar cuál será la fuerza principal que ejercerá sobre nuestro sistema de colectores.
En el hemisferio norte la orientación óptima de los colectores es hacia el Sur, por donde “corre” el Sol, ya que nos interesa recoger su energía, por esto el viento de procedencia norte es el más peligroso para la instalación, ya que producirá fuerzas de presión sobre toda la estructura del anclaje.

Para hallar la fuerza de presión del viento que puede actuar sobre cada uno de los colectores, nos basaremos en la siguiente ecuación:

f = pS senα (fuerza total)

S Superficie del colector.
α Ángulo de inclinación del colector con la horizontal.
p Presión frontal del viento, es decir, presión que ejercería sobre una superficie que fuera perpendicular a la dirección del mismo. Dicha presión (ver tabla) depende de su velocidad.
Esquema de fuerzas originadas por la acción del viento
Esquema de fuerzas originadas por la acción del viento

Las unidades mas frecuentes de presión atmosférica y sus equivalencias son:
1 atm = 760 mmHg = 101.325 Pa
9,8 N/m2 = 1 Kp/m2.

La fuerza f del viento perpendicular a la superficie vertical Ssenα se descompone en f1 = fsenα, la cual actúa perpendicularmente a la superficie del colector y en f2 = fcosα, que es paralela y provoca el deslizamiento del aire, cuyos efectos se desvanecen en rozamientos y remolinos a lo largo de toda la superficie del colector. La fuerza f1 que actúa en sentido normal al panel es pues la única a tener en cuenta.

f1 = fsenα = pSsenαsenα = pSsen2α (fuerza en dirección perpendicular)

Tabla 1. Presión frontal del viento, en función de su velocidad.
kp = kilopondio (de kilo- y el lat. pondus, -ĕris, peso, DRAE) o kilogramo-fuerza
N = Newton
1kp = 9.81N

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¿Qué presión ejercerá un viento cuya velocidad es 42 m/s?

Respuesta: P = 1078 N/m2 = 110 Kp/m2.

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Si hay fuertes vientos que alcancen por atrás y sin ninguna protección a los colectores, tendremos que hallar mediante cálculo las posibles sobrecargas dinámicas que puedan provocar el deslizamiento o vuelco de los mismos. Ha habido casos en los que los colectores han salido volando por la acción del viento, con el consiguiente peligro y pérdida económica que conlleva.

Calcula la fuerza total que actúa sobre un colector, sabiendo que mide 2×1 m, su ángulo de inclinación es de 45º, y la presión del viento es de 3 kp/m2.

Respuesta: la superficie del colector es igual a 2 m2.
La fuerza f vale f=pSsenα = 3 · 2sen45º = 4,24 kp.

La mejor opción para la estructura soporte de un colector es la que da el propio fabricante del mismo. Este suele comercializar junto al colector varias estructuras soporte óptimas para diferentes casos, como puede ser un anclaje en cubierta lisa o en cubierta inclinada. También explican detalladamente su montaje y correcto mantenimiento.
En el caso de que por el diseño de la instalación, esta estructura proporcionada por el fabricante del colector no nos fuera útil, tendríamos que hacernos una propia.

Las reglas fundamentales que deberemos tener en cuenta a la hora de la colocación y diseño de la estructura soporte son las siguientes:

  1. Debe soportar la fuerza de presión normal generada por los vientos procedentes del Norte
  2. Se deberá tener en cuenta si la superficie es lisa o inclinada e incluso si existen sombras durante el periodo de uso de los colectores. No hay que olvidar que la propia cubierta sea capaz de soportar el peso de toda la instalación.
  3. Todo el material utilizado deberá ser resistente a la corrosión del lugar. Si no fuese así sería tratado convenientemente.
  4. Si la instalación es compleja realizaremos una preinstalación en el taller, para realizar un estudio en detalle y conseguir así un montaje “in situ” más rápido y económico.
  5. En cubiertas inclinadas se harán solamente las perforaciones necesarias para el anclaje, aplicando luego selladores o usando juntas que aseguren la estanquidad de la misma.
  6. En cubiertas planas la estructura soporte descansa sobre vigas de hormigón de suficiente peso que eviten el peligro del viento y cuya dimensión mínima será de 20×20 cm.

Los tratamientos utilizados para evitar la corrosión en la estructura soporte pueden ser:

  • Pintura anticorrosión con base de minio o plomo rojo (Pb3O4) que protege las estructuras de acero y de hierro. Usadas normalmente para zonas del interior.
  • Galvanizado que consiste en recubrir con zinc en caliente los elementos estructurales, es muy costoso por lo que se usa para zonas costeras.

estructura-soporte

 

Donde:

a Estructura y anclaje para colectores.
b Detalle de sujeción de un colector a la estructura soporte, mediante tornillos.

¿Qué fuerza total ejercerá un viento del norte de 21 m/s sobre un colector de 2 m2 orientado al sur e inclinado 60º? (fuerza total)
¿Qué fuerza en dirección normal a su superficie soporta el colector anterior? (fuerza perpendicular)

21m/s = 270 p (N/m2) = 27.5 p (kp/m2)

f=pSsenα = 27.5 · 2sen60º = 47.6 kp.

f1 = fsenα = pSsenαsenα = pSsen2α

f1 = 270 2sen260º = 405

Respuesta: f = 48 kp ; f1 = 405 N.

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