Los sistemas de montaje fotovoltaico (también llamados bastidores de módulos solares) se utilizan para fijar paneles solares en superficies como techos, fachadas de edificios o el suelo. [1] Estos sistemas de montaje generalmente permiten la modernización de los paneles solares en techos o como parte de la estructura del edificio (llamado BIPV ). [2] A medida que los costos relativos de los módulos solares fotovoltaicos (PV) han disminuido, [3] los costos de los bastidores se han vuelto más importantes y para los sistemas fotovoltaicos pequeños pueden ser el costo de material más caro. [4] Esto ha provocado un interés en los pequeños usuarios que implementan un enfoque de bricolaje. [5] Debido a estas tendencias, ha habido una explosión de nuevas tendencias de bastidores. Estos incluyen orientaciones no óptimas y ángulos de inclinación, nuevos tipos de montajes en techos, montajes en el suelo, marquesinas, sistemas integrados en edificios, sombreado, montaje vertical y cercas.
Una célula solar funciona mejor (consigue la mayor cantidad de energía por unidad de tiempo) cuando su superficie es perpendicular a los rayos del sol, que cambian continuamente a lo largo del día y la estación (véase: Trayectoria solar ). Es una práctica común inclinar un módulo fotovoltaico fijo (sin seguidor solar ) en el mismo ángulo que la latitud de la ubicación del conjunto para maximizar el rendimiento energético anual del módulo. Por ejemplo, el módulo fotovoltaico en azoteas en los trópicos proporciona el mayor rendimiento energético anual cuando la inclinación de la superficie del panel está cerca de la dirección horizontal. Un estudio en los trópicos mostró que la orientación de los paneles fotovoltaicos en azoteas de baja pendiente tiene un impacto insignificante en el rendimiento energético anual, pero en el caso de las aplicaciones de parasol externo fotovoltaico, la fachada este y la pendiente del panel de 30–40° son la ubicación e inclinación más adecuadas. [6] Estudios recientes han demostrado que las orientaciones no óptimas, como los sistemas fotovoltaicos bifaciales orientados este-oeste, tienen algunas ventajas. [7]
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El conjunto de paneles solares de un sistema fotovoltaico se puede montar en los tejados , generalmente con un espacio de unos pocos centímetros y en paralelo a la superficie del tejado. Si el tejado es horizontal, el conjunto se monta con cada panel alineado en un ángulo. Si se planea montar los paneles antes de la construcción del tejado, este se puede diseñar en consecuencia instalando soportes para los paneles antes de instalar los materiales para el tejado. La instalación de los paneles solares puede estar a cargo del equipo responsable de la instalación del tejado. Si el tejado ya está construido, es relativamente fácil instalar paneles directamente sobre las estructuras de tejado existentes. En el caso de una pequeña minoría de tejados (que a menudo no se construyen según el código) que están diseñados para soportar solo el peso del tejado, la instalación de paneles solares exige que la estructura del tejado se refuerce de antemano. En todos los casos de modernizaciones, es necesario prestar especial atención al sellado contra la intemperie. Existen muchos diseños de bajo peso para sistemas fotovoltaicos que se pueden utilizar en techos inclinados o planos (por ejemplo, cuñas de plástico o módulos fotovoltaicos), sin embargo, la mayoría se basan en un tipo de rieles de aluminio extruido (por ejemplo, Unirac ). Recientemente, se han probado con éxito soluciones de estanterías fotovoltaicas basadas en tensión que reducen el peso y el costo. [8] En algunos casos, al convertir a tejas compuestas, el peso de los materiales del techo eliminados puede compensar el peso adicional de la estructura de los paneles. La práctica general para la instalación de paneles solares montados en el techo incluye tener un soporte de apoyo por cada cien vatios de paneles. [9] [10]
Los sistemas fotovoltaicos montados en el suelo suelen ser grandes centrales fotovoltaicas a escala de servicios públicos . El conjunto fotovoltaico consta de módulos solares fijados en su lugar mediante bastidores o marcos que se fijan a soportes de montaje en el suelo. [11] [12] En general, los sistemas fotovoltaicos montados en el suelo pueden tener el ángulo de inclinación y la orientación óptimos (en comparación con los sistemas montados en el techo que pueden no ser óptimos, en particular para las renovaciones).
Los soportes de montaje en tierra incluyen:
Los soportes de suelo normalmente consisten en acero fijado en hormigón con rieles de aluminio que sostienen los módulos de aluminio. Hay soportes de suelo a nivel residencial y comercial, pero los sistemas son simplemente más pequeños y la cantidad de módulos fotovoltaicos por columna puede ser menor (por ejemplo, 3). [13] En algunas regiones como América del Norte, hay evidencia de que los soportes fotovoltaicos montados en el suelo a base de madera (tanto con inclinación fija [4], inclinación fija elevada para PV enrejado [14] y ángulos de inclinación variable [15] ) pueden ser menos costosos que los soportes metálicos convencionales. Esto no es así a nivel mundial, ya que, por ejemplo, en Togo, los soportes metálicos aún cuestan menos por unidad de potencia instalada incluso con un ángulo de inclinación menor que permite vigas de madera más pequeñas. [4] El precio relativo de la madera con respecto al metal cambia radicalmente el material óptimo para los soportes fotovoltaicos en todo el mundo. [16] Esto puede cambiar, ya que los precios de la madera han sido muy volátiles. [17]
Los paneles solares se pueden montar en estanterías elevadas para que puedan compartir espacio con otros usos del suelo, como los estacionamientos. Estos pueden proporcionar sombra para los automóviles y reducir el uso adicional del suelo, pero son considerablemente más caros que los sistemas convencionales montados en el suelo debido a los postes de acero, las bases y los bastidores más extensos, así como a los costos laborales adicionales. [18] [19] [20] Esto se puede reducir un poco utilizando materiales de construcción de menor costo como la madera . [21] Las marquesinas fotovoltaicas sobre los estacionamientos se pueden utilizar para proporcionar electricidad para cargar vehículos eléctricos. [22] Existe un área potencial sustancial para la energía fotovoltaica en los estacionamientos. Por ejemplo, hay un potencial de 3,1 MW para la energía fotovoltaica y 100 estaciones de carga de vehículos eléctricos por cada Walmart Supercenter de EE. UU. [23] Popular Science informa que las marquesinas solares construidas sobre los estacionamientos son una vista cada vez más común en los EE. UU., instaladas en campus universitarios, aeropuertos y lotes cerca de edificios de oficinas comerciales. [24] Francia , sin embargo, exige que todos los estacionamientos grandes estén cubiertos por paneles solares. [25]
También se pueden utilizar diferentes estructuras de cubierta para la agrovoltaica .
Los seguidores solares aumentan la energía producida por módulo a costa de una mayor complejidad mecánica y una mayor necesidad de mantenimiento. Detectan la dirección del sol e inclinan o giran los módulos según sea necesario para obtener la máxima exposición a la luz. [26] [27]
Como alternativa, los bastidores fijos pueden mantener los módulos estacionarios durante todo el día con una inclinación determinada ( ángulo cenital ) y orientados hacia una dirección determinada ( ángulo acimutal ). Los ángulos de inclinación equivalentes a la latitud de una instalación son comunes. Algunos sistemas también pueden ajustar el ángulo de inclinación en función de la época del año. [28]
Por otra parte, es común instalar paneles solares orientados al este y al oeste (que cubran un techo orientado al este y al oeste, por ejemplo). Si bien estas instalaciones no producirán la máxima potencia media posible a partir de los paneles solares individuales, el costo de los paneles suele ser ahora más barato que el mecanismo de seguimiento y pueden proporcionar energía más valiosa económicamente durante las demandas pico de la mañana y la tarde que los sistemas orientados al norte o al sur. [29]
Los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV) son materiales fotovoltaicos que se utilizan para reemplazar los materiales de construcción convencionales en partes de la envolvente del edificio, como el techo (tejas), los tragaluces o las fachadas. Cada vez se incorporan más a la construcción de nuevos edificios como fuente principal o auxiliar de energía eléctrica, aunque los edificios existentes también pueden modernizarse con módulos BIPV. La ventaja de los sistemas fotovoltaicos integrados sobre los sistemas no integrados más comunes es que el costo inicial se puede compensar reduciendo la cantidad gastada en materiales de construcción y mano de obra que normalmente se utilizarían para construir la parte del edificio que reemplazan los módulos BIPV. [30]
La energía fotovoltaica adaptada a los edificios (BAPV) utiliza módulos solares para crear ventanas solares fotovoltaicas [31] y, de esta manera, también para modernizar edificios existentes. Existen varios productos BIPV (por ejemplo, tejas fotovoltaicas) [32] [33] donde la energía fotovoltaica constituye todo el material del techo y existen métodos para convertir los módulos convencionales en tejas para techos. [34]
Los paneles solares también se pueden montar como estructuras de sombra, en las que los paneles solares pueden proporcionar sombra en lugar de cubiertas de patio. El costo de estos sistemas de sombreado generalmente es diferente al de las cubiertas de patio estándar, especialmente en los casos en que toda la sombra requerida es proporcionada por los paneles. La estructura de soporte para los sistemas de sombreado puede ser sistemas normales, ya que el peso de un conjunto fotovoltaico estándar es de entre 3 y 5 libras/pie cuadrado . Si los paneles se montan en un ángulo más pronunciado que las cubiertas de patio normales, las estructuras de soporte pueden requerir un refuerzo adicional. Otros problemas que se consideran incluyen:
Los módulos fotovoltaicos bifaciales se pueden instalar verticalmente y funcionar como una cerca. Por ejemplo, los fotovoltaicos bifaciales funcionaron como una cerca exterior del circuito global en la EXPO 2005 de Aichi, Japón. [35] Los sistemas fotovoltaicos también se pueden utilizar para cercas de nieve. [36] Los fotovoltaicos monofaciales se pueden unir con bridas metálicas a una cerca existente para hacer un bastidor fotovoltaico de muy bajo costo. Un estudio catalogó los tipos de cercas y los cálculos de carga de viento para determinar la viabilidad de los bastidores basados en cercas en todo Estados Unidos y descubrió que las cercas podrían tener al menos un módulo fotovoltaico entre los montantes para cercas agrícolas ( ovejas , cabras , cerdos , vacas y alpacas ). [37] Para las cercas, los microinversores tuvieron un mejor rendimiento cuando la longitud de la cerca cruzada es inferior a 30 m o cuando el sistema se diseñó con menos de siete módulos solares fotovoltaicos (por ejemplo, jardines), mientras que los inversores de cadena fueron una mejor selección para cercas más largas (por ejemplo, granjas). [38]
La energía fotovoltaica también se puede montar sobre barreras acústicas o acústicas o formar parte de ellas . La energía fotovoltaica sobre barreras acústicas existe desde 1989 en Suiza . Se ha producido un avance considerable no solo en la tecnología de módulos fotovoltaicos, sino también en la construcción de barreras acústicas fotovoltaicas (PVNB). [39] La capacidad instalada de los PVNB desplegados sobre barreras acústicas en un solo estado es comparable a las capacidades instaladas de las mayores granjas solares de los EE. UU. y, sin embargo, debido al montaje único de los PVNB, dichos sistemas proporcionan mejores ratios de utilización de la tierra para la producción de energía que las granjas solares fotovoltaicas convencionales. [40] Debido a los reducidos costes de instalación, los PVNB son una de las formas más económicas de implementar instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red a gran escala. [41] Ahora hay amplia evidencia de que funciona una amplia gama de sistemas PVNB. [42]
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