Cimentaciones en Plantas Solares Fotovoltaicas

Cimentaciones en Plantas Solares Fotovoltaicas

07/02/2017
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(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 60)
Miguel León Gonzalez. Doctor Ingeniero Civil. Profesor Titular y Coordinador de Ing. Civil. Universidad Cruzeiro do Sul, Sao Paulo, Brasil.
Orlando Simancas Montoto. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Doctor Ingeniero de Minas. Director General de ASTURMADI RENEERGY, S.L. Asturias, España.
Miguel Ángel León García, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Gerente de LDH Ingenieros®, Madrid, España.

Software STEEL-CS para el cálculo de la degradación (oxidación) de elementos de acero embebidos en suelos

A principios de la primera década de este siglo, España se vio inmersa en una avalancha de construcción de plantas solares fotovoltaicas, motivada fundamentalmente por las primas otorgadas por el Estado Español a la energía generada con fuentes renovables.

En esta época el precio de venta de una planta solar fotovoltaica de 100 kW llegó a alcanzar el orden de los 750.000 – 800.000 Euros.

En estos niveles de precio, la influencia en el precio final de la obra civil, (movimiento de tierra, cimentación y estructura) podía llegar a alcanzar entre un 15% y un 30%.

Si bien es cierto que en el año 2007 el coste del panel llegó a alcanzar casi los 4,00 €/Wp, 10 años después el precio del panel solar fotovoltaico (cristalino) ronda el precio de los 0,40-0,45 €/Wp.

Este cambio en el precio del panel fotovoltaico provocó un giro importante en los niveles de precios a nivel mundial en la construcción de las planta solares fotovoltaicas, e hizo que la obra civil tomase una relevancia sin igual en el coste final de la planta.

En los primeros años (2004-2006), en España, para la ejecución de las plantas solares fotovoltaicas, cuando no se disponían de terrenos lo suficientemente planos, se realizaba la construcción de una explanada con pendientes máximas del orden del 3-5%, por un lado, con la intención de mantener la inclinación óptima de captación solar de los paneles solares y por otro, por los requerimientos de tolerancia en las estructuras metálicas soporte de los paneles solares, por lo que en ocasiones se generaban grandes movimientos de tierra con su consecuente, e importante, repercusión en el coste final de la planta solar fotovoltaica.

Cimentaciones en Plantas Solares Fotovoltaicas

Foto 1. Maquinarias para el movimiento de tierra de una Planta Solar de 15 MWn, Año 2006.

Estructuras Metálicas para Plantas Solares

En general, este tipo de estructuras se caracteriza por estar sometida a poca intensidad de cargas gravitatorias comparativamente a los grandes niveles de cargas de viento a la que normalmente está sometida, lo que genera sobre la cimentación combinaciones de hipótesis de cargas no habituales en el resto de las obras civiles, de aquí que pueda afirmarse que en este tipo de estructuras predominan los esfuerzos de succión y los esfuerzos horizontales debidos a la acción del viento frente a cualquier otra tipología de esfuerzo.

En las primeras grandes instalaciones solares en España, se daba respuesta a estos esfuerzos compensando los mismos con el peso de los distintos tipos de cimentaciones que de diseñaban con este objetivo.

En una primera evolución se comenzó a utilizar, como solución de cimentación para las estructuras fotovoltaicas, vigas de cimentación o pilotes cortos de pequeño diámetro, donde era utilizado en estos últimos, la fricción del terreno como elemento resistente y su efecto reducía aproximadamente el volumen de cimentación en el orden de un 50%.

Cimentaciones en Plantas Solares Fotovoltaicas

Foto 2. Cimentación de estructura fotovoltaica donde fue utilizado la solución de pilote corto.

Tendencia Actual en la Cimentación

En la tendencia de todo tipo de actividad productiva de disminuir los costes, las cimentaciones de las estructuras de las plantas solares fotovoltaicas también han sufrido una gran evolución.

La tendencia actual, para dar solución a la cimentación de este tipo de estructuras, se centra principalmente en dos soluciones:

  • Terrenos de dureza normal: Soluciones a base de perfiles de acero hincados directamente en el terreno, de diferentes formas geométricas (generalmente Tipo I, H ó C).
  • Terrenos muy blandos o duros: Mediante el uso de tornillos de acero, introducidos directamente en el terreno o bien mediante pretaladro en el mismo para facilitar la correcta colocación topográfica del tornillo.

En ambos casos la magnitud de los esfuerzos sobre la cimentación es la que determina la geometría (forma del perfil, profundidad, etc) de la solución.

Cimentaciones en Plantas Solares Fotovoltaicas

Foto 3. Planta fotovoltaica con perfiles de acero Tipo-C hincados directamente en el terreno.

Cimentaciones en Plantas Solares Fotovoltaicas

Foto 4. Diversas tipologías de tornillos de cimentación.

El uso de estas soluciones de cimentación para las estructuras de plantas fotovoltaicas han generado nuevas incertidumbres, las cuales se centran, fundamentalmente, en el conocimiento de la corrosión y degradación de estos elementos a lo largo del tiempo en función, principalmente, de las características físicas-químicas del suelo.

Si bien es por todos conocidos, e incluso está normalizado, el comportamiento de los elementos de acero galvanizados en caliente por inmersión frente a diferentes categorías/niveles de corrosión atmosférica con normativas conocidas y publicadas en varios países, por ejemplo en Europa, mediante la normativa UNE EN-ISO 14.713, no es tan conocido el comportamiento de estos elementos frente a la corrosión dentro del terreno, ya que son diversas las variables, y sus combinaciones, las que generan un gran vacío en el conocimiento del comportamiento a largo plazo de lo que en realidad funciona como la base de la estructura de cualquier instalación solar reciente.

Es cierto que existen numerosos artículos que intentan estudiar este fenómeno, pero en la actualidad este tema no está recogido en ninguna normativa europea ni a nivel mundial.

En la mayoría de estos artículos mencionados se analiza, generalmente, el efecto en la corrosión de algún factor concreto y por independiente, sin tener en cuenta el resto de ellos y sus posibles combinaciones.

Entre los factores más importantes que influyen en la corrosión del acero dentro del suelo pueden ser mencionados los siguientes:

  • Resistividad del suelo.
  • PH del suelo.
  • Concentración de SO4.
  • Concentración de Cl-.

Software STEEL-CS para la estimación de la degradación de los postes de acero hincados en el suelo.

Cimentaciones en Plantas Solares Fotovoltaicas

El Software STEEL-CS v1.0 (STEEL CORROSION IN SOILS) desarrolla un algoritmo estadístico y de extrapolación numérica que permite conocer con bastante exactitud la degradación de un elemento de acero (pilar hincado o tornillo de cimentación) en un suelo durante un determinado período de tiempo, tomando para ello como base comparativa los resultados de ensayos reales de la degradación de piezas de acero en más de 100 suelos diferentes durante más de 20 años en las más diversas tipologías de suelos existentes.

Mediante el uso de este software (STEEL-CS) es posible conocer, no sólo el comportamiento de la degradación del acero, sino también la cuantía de la misma en un período entre 1 y 25 años, para así poder estimar el espesor de acero de sacrificio necesario a tener en cuenta en el diseño del elemento de la cimentación, entendiéndose por este concepto el espesor de acero a adicionar al espesor estructural de acero que es requerido por el elemento para su correcta funcionalidad en la estructura que se desea diseñar.

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