Ensayos de certificación para una nueva generación de seguidores solares

Los seguidores solares son un elemento fundamental cuando se pretende obtener la máxima capacidad de generación en las instalaciones de energía solar fotovoltaica, y suponen un componente crítico en los sistemas de tecnología fotovoltaica de concentración. Los seguidores solares pueden proporcionar una orientación óptima para los módulos fotovoltaicos a lo largo del día, aumentando el nivel de generación de energía para los módulos de tecnología plana entre el 20% y el 45% con respecto a las instalaciones fotovoltaicas fijas con inclinación óptima, dependiendo del tipo de seguimiento, a un eje, dos ejes, polar, etc. del seguidor. Por otro lado, los seguidores son una parte esencial de los sistemas de tecnología fotovoltaica de concentración, donde el funcionamiento del módulo fotovoltaico requiere un seguimiento solar que debe cumplir unos fuertes requisitos de precisión de apuntamiento para obtener las adecuadas condiciones de operación. En ambos casos, el rendimiento y la fiabilidad de los seguidores solares son aspectos clave.

Los componentes de las plantas fotovoltaicas (módulos, inversores, etc.), deben superar las normas internacionales que han sido desarrolladas para evaluar y caracterizar los parámetros y especificaciones de estos componentes, para poder obtener según los resultados la oportuna certificación. En esta línea, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC por sus siglas en inglés) ha emitido recientemente la norma IEC 62817:2014 Ed.1 "Sistemas fotovoltaicos - Cualificación del diseño de los seguidores solares" para la definición de los ensayos que deben ser aplicados a un seguidor solar completo (seguidor + componente clave), con el fin de obtener su certificación. Las actividades propuestas en esta norma tienen dos objetivos principales:

• Revisión de la hoja de especificaciones técnicas del seguidor solar que ha proporcionado el fabricante, para comprobar que se incluyen todos los parámetros técnicos que permiten una descripción correcta del producto.
• Aplicación de los procedimientos de ensayos propuestos, con el objetivo de validar las especificaciones técnicas de la hoja de producto y su rendimiento, e identificar cualquier degradación o posibles fallos prematuros que el seguidor pudiera sufrir después de haber sido sometido a los diferentes ensayos.

A tal efecto, la norma IEC 62817:2014 Ed.1 contiene los procedimientos para medir y comprobar los parámetros indicados en la ficha técnica, y establece los criterios de aceptación y rechazo con los que se valoran los resultados de las pruebas realizadas, según los cuales es posible cualificar posteriormente el producto.

La aplicación de la norma IEC, ofrece la garantía de que los parámetros registrados en la hoja de especificaciones del seguidor solar son medidos y verificados por procedimientos consistentes y fiables, siendo además para los clientes un punto de comparación de las características y de la calidad de los seguidores solares.

Hay una gran variedad de seguidores solares y la norma ha sido redactada para todos ellos en general; por ello, en relación a la aplicación de los ensayos definidos, aparecen algunas dificultades de implementación debido a la necesidad de adaptar los requisitos de los ensayos a las muestras específicas. Además, el uso de un gran número de muestras para la realización de todo el conjunto de ensayos puede suponer también un problema tanto económico como logístico. Por lo tanto, con el fin de optimizar el uso de los recursos, el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) ha desarrollado una metodología para la aplicación de todos los ensayos y requisitos definidos en la norma con el uso óptimo de los recursos.

La metodología define cuatro secuencias de ensayos que incluyen todas las pruebas y especificaciones de la norma IEC 62817:2014 Ed.1, agrupándolas, con el fin de lograr minimizar el número de muestras necesarias, reducir los movimientos de piezas pesadas y optimizar la duración total de los ensayos. Las secuencias de ensayos se muestran en la siguiente figura.

La secuencia de ensayos A contiene ensayos funcionales, mediciones de energía, caracterización de la precisión de apuntamiento y el ensayo mecánico acelerado. Estas pruebas deben ser realizadas en el exterior (en un emplazamiento del propio laboratorio de CENER o en las instalaciones del fabricante), sobre un seguidor solar completo (incluyendo módulos fotovoltaicos). El ensayo de ciclos mecánicos acelerados consiste en la realización de 3.650 ciclos a la muestra bajo ensayo. Para lograr esta tarea en un período razonable de tiempo es necesario acelerar el ciclo de funcionamiento, aumentando la velocidad y/o disminuyendo los tiempos de parada.

Sistema de accionamiento del seguidor solar durante el ensayo de ciclos térmicos.

La secuencia de ensayos B engloba los ensayos mecánicos al seguidor. En este caso, la muestra de ensayo es un sistema de accionamiento al que se aplicarán diferentes cargas mecánicas que simulen los efectos del viento, para validar la precisión del seguimiento y el rendimiento total. Todas las pruebas de esta secuencia, excepto las de rigidez torsional, desplazamiento mecánico, par motor y holgura, pueden llevarse a cabo en el exterior.

Ensayo específico de rigidez torsional y holgura de un componente del sistema de accionamiento.

La secuencia de ensayos C se refiere a las pruebas climáticas también para envejecimiento acelerado. Estas pruebas se realizan sobre el sistema de accionamiento (incluyendo el sistema de control) del seguidor solar fotovoltaico. El objetivo de estas pruebas es detectar la existencia de fallos asociados con el diseño que puedan presentarse como resultado del envejecimiento climático acelerado sobre la muestra de ensayo. Las pruebas se realizan en el laboratorio de CENER en Sarriguren (Navarra).

Finalmente, la secuencia de ensayos D es referente a los "Ensayos al componente electrónico de control", e incluye ensayos funcionales, de resistencia eléctrica y ensayos mecánicos. Estas pruebas se realizan también en el laboratorio de CENER en Sarriguren y deben ser aplicadas a tres muestras diferentes del componente electrónico de control. La realización de los ensayos asociados a los códigos IP e IK puede no ser necesaria si la muestra ya tiene certificados previos que validen su capacitación por haber superado estas normas específicas.

El desarrollo de la metodología para la aplicación de los ensayos de la norma IEC 62817:2014 Ed.1 se ha realizado, para dar soporte al desarrollo de nuevos prototipos, de forma parcial sobre un seguidor de dos ejes del fabricante Abengoa y de forma total sobre un seguidor horizontal del fabricante STI Norland. En el caso del seguidor de Abengoa, se ha realizado dentro del proyecto SIGMATRACKERS financiado por el Gobierno de España a través del subprograma INNPACTO, y en el caso del seguidor de STI Norland, a través del proyecto OPTISSOLAR, financiado por el Gobierno de Navarra con fondos de la Unión Europea (FEDER). Algunos de los ensayos realizados se muestran en las imágenes que se presentan en este artículo.

Sistema de accionamiento del seguidor solar durante el ensayo de congelación/aspersión.

Las principales conclusiones obtenidas después de la realización de estos ensayos son:

• CENER dispone de todas las instalaciones y capacidades necesarias para llevar a cabo los ensayos establecidos en la norma IEC 62817:2014 Ed.1. Sin embargo, la colaboración del fabricante también es importante para facilitar la ejecución de algunas pruebas y así disminuir los costes y el tiempo de ejecución.
• Las dificultades identificadas durante la realización de las distintas pruebas a las muestras de ensayo han sido estudiadas y resueltas; no obstante, y derivado de la casuística de los seguidores y de la dificultad de las pruebas, siempre va a ser necesario el estudio de la manera óptima para aplicar las condiciones de ensayo en cada caso.
• Nuestra experiencia ha sido utilizada dentro del grupo de trabajo WG7-TC82 de IEC (grupo encargado de la redacción y corrección de la norma), como parte de la documentación, para tenerla en cuenta en las próximas ediciones de actualización de la norma.

Seguidor solar horizontal durante el ensayo mecánico de carga de viento máximo.

Como resumen, los ensayos de certificación son un aspecto importante para la presentación de un nuevo producto en el mercado. La contribución del desarrollo de la norma, la preparación de la metodología y la adaptación de las instalaciones para llevar a cabo los ensayos, son parte de la contribución de CENER al sector industrial.