El campo fotovoltaico se diseña con tres decisiones geométricas: la inclinación de las mesas, su orientación y la separación entre filas (pitch). La relación entre el ancho de la mesa y el pitch es el GCR (ground coverage ratio): un GCR alto pone más potencia por hectárea, pero aumenta la sombra mutua cuando el sol está bajo. Cerca del ecuador la inclinación óptima es baja, y en módulos bifaciales el albedo del suelo y la altura de la mesa también cuentan.
Qué decide el diseño del campo
El campo fotovoltaico es el área donde se montan los módulos en mesas o seguidores. Su geometría define cuánta potencia cabe en el terreno, cuánta irradiancia recibe cada módulo y cuánta energía se pierde por sombras entre filas. Son decisiones que se toman con la simulación de producción y con el recurso del sitio, que se estima con las bases públicas de radiación, como se explica en radiación solar en Colombia: atlas IDEAM y datos, y con la medición en sitio. Después vienen el diseño eléctrico de strings y cables y la conexión del parque a la red.
IEC 62548-1 trata el diseño eléctrico y mecánico del arreglo: cableado en CC, protecciones, maniobra, puesta a tierra y requisitos de las estructuras de montaje. La geometría óptima, en cambio, no la fija una norma: sale del balance entre energía y costo. El diseño del parque completo se ordena en la guía de ingeniería y diseño de parques solares.
Los términos: pitch, ancho de mesa y GCR
| Término | Definición | Qué controla |
|---|---|---|
| Ancho de la mesa (L) | Dimensión de la mesa en su propio plano, en la dirección de la separación entre filas | La altura del borde superior y la sombra que proyecta |
| Inclinación (β) | Ángulo de la mesa respecto a la horizontal | Irradiancia captada, autolimpieza y altura de la sombra |
| Pitch (p) | Distancia entre puntos equivalentes de dos filas consecutivas | Sombra mutua, pasillos de mantenimiento y área ocupada |
| GCR | L / p | Potencia por hectárea frente a pérdidas por sombra |
Con estos datos, la altura del borde superior sobre el inferior es L·sen β, y la proyección horizontal de la mesa es L·cos β. El espacio libre entre filas es el pitch menos esa proyección.
La sombra entre filas
Cuando el sol está bajo, cada fila sombrea la parte inferior de la siguiente. La longitud de la sombra en el suelo es la altura del borde superior dividida por la tangente de la elevación solar, corregida por el ángulo entre el sol y la dirección de las filas. El diseñador elige una condición crítica, por ejemplo cierta hora de la mañana y de la tarde en el día menos favorable del año, y fija el pitch para que a partir de ella no haya sombra.
Esa regla es solo el punto de partida. Un pitch mayor elimina sombras que duran pocos minutos, pero ocupa más terreno, alarga cables y estructuras y deja menos potencia en el mismo lote. La decisión final se toma comparando la energía anual con distintos pitch en la simulación.
El efecto eléctrico de la sombra. Una sombra pequeña puede costar mucho más que su área. Las celdas de un módulo van en serie, agrupadas por diodos de bypass: cuando una fila de celdas queda sombreada, su diodo conduce y el módulo pierde ese grupo. Si la sombra cubre la franja inferior de todos los módulos de un string, el string entero baja su corriente. Por eso se cuida cómo se orienta el módulo en la mesa, vertical u horizontal, y cómo se arman los strings respecto a la sombra que avanza desde abajo.
- ¿El terreno disponible limita la potencia del proyecto?
- Sí¿La energía adicional de más módulos supera la pérdida por sombra y por recorte del inversor en la simulación?
- SíAumente el GCR y agrupe en los mismos strings los módulos de la franja que se sombrea primero, para no mezclarlos con módulos al sol
- NoMantenga el pitch y revise la relación DC/AC
- NoUse un pitch que evite la sombra en las horas de mayor irradiancia y reduzca pérdidas por mismatch y el trabajo de los diodos de bypass
Inclinación y orientación cerca del ecuador
Colombia está entre unos 4° de latitud sur y 12° de latitud norte. A lo largo del año el sol cruza el cenit y pasa unos meses al norte y otros al sur del observador, así que la inclinación que maximiza la energía anual de una mesa fija es pequeña. Una inclinación baja también reduce la altura de la sombra y permite un pitch menor.
La autolimpieza pone un mínimo práctico. Con muy poca inclinación, el agua se estanca en el borde del marco y deja polvo y barro sobre las últimas celdas. Los fabricantes de módulos indican en sus manuales de instalación la inclinación mínima admitida; el diseño la respeta aunque la simulación sugiera un ángulo menor.
En cuanto a la orientación, las mesas fijas en el hemisferio norte suelen mirar al sur. Cerca del ecuador la diferencia entre orientaciones es pequeña, y algunos diseños usan mesas a dos aguas, este y oeste, para poner más potencia por hectárea y aplanar la curva diaria. Es otra decisión que se valida con la simulación.
Módulos bifaciales y albedo
Un módulo bifacial convierte también la irradiancia que llega a su cara posterior, reflejada por el suelo y dispersada por el cielo. Su ganancia depende de:
- El albedo del suelo: la fracción de irradiancia que refleja. Un suelo claro y seco refleja más que la vegetación o la tierra húmeda.
- La altura de la mesa: más altura reduce la sombra propia sobre el suelo bajo el módulo.
- El GCR: un campo muy compacto deja menos suelo iluminado entre filas.
- La estructura posterior: vigas y cajas de conexión que sombrean la cara trasera.
El informe IEA PVPS T13-14:2021 de la Agencia Internacional de Energía recoge la experiencia con módulos y sistemas bifaciales y los factores que afectan su producción. La ganancia bifacial se estima con modelos de la cara posterior y se confirma con medición en sitio; las hojas de datos declaran el factor de bifacialidad del módulo, no la ganancia que tendrá una planta concreta.
Estructura fija o seguidor
La estructura fija es simple, barata y casi sin mantenimiento. El seguidor de un eje gira las filas de este a oeste durante el día y capta más energía, sobre todo en sitios con alta fracción de radiación directa. A cambio, agrega motores, controladores, comunicaciones y una lógica de retroceso al final del día para evitar sombras entre filas. La elección depende del recurso, del terreno, del viento de diseño y del costo de la energía. Los tipos de seguidor, la posición de defensa y su operación están en seguidores solares (trackers).
Lo que el diseño del campo entrega a la ingeniería eléctrica
- Número de mesas y módulos, y su disposición en el lote.
- Agrupación de módulos en strings según la sombra y la tensión.
- Recorridos de cables de string y de cables principales hacia inversores o cajas combinadoras.
- Ubicación de inversores, como los Huawei SUN2000 o los Sungrow, estaciones de transformación y pasillos.
- Áreas para la puesta a tierra, el apantallamiento y la estación meteorológica.
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Referencias
- IEC 62548-1:2023, Photovoltaic (PV) arrays – Part 1: Design requirements.
- IEA PVPS Task 13, informe T13-14:2021, Bifacial Photovoltaic Modules and Systems: Experience and Results from International Research and Pilot Applications.
- Manuales de instalación de los fabricantes de módulos (inclinación mínima, sujeción y orientación).
Preguntas frecuentes
¿Qué es el GCR de una planta solar?
Es la relación de cobertura del terreno (ground coverage ratio): el ancho de la mesa de módulos medido en su plano, dividido por la distancia entre filas. Un GCR de 0,5 significa que los módulos ocupan la mitad del espacio entre filas, medido en la dirección de la separación. Cuanto más alto, más compacto el campo y más sombra mutua.
¿Qué inclinación deben tener los paneles solares en Colombia?
Colombia está entre unos 4° de latitud sur y 12° de latitud norte, así que la inclinación que maximiza la producción anual de una estructura fija es baja. En la práctica se elige un ángulo algo mayor para que la lluvia arrastre el polvo, respetando la inclinación mínima que indique el manual del fabricante del módulo. La cifra exacta sale de la simulación con el recurso y la geometría del sitio.
¿Cómo se calcula la distancia entre filas de paneles?
Se parte de la altura que alcanza el borde superior de la mesa y de la elevación del sol en la hora más exigente que se quiere proteger de sombra. La sombra horizontal es esa altura dividida por la tangente de la elevación solar, proyectada en la dirección entre filas. Con eso se fija un pitch mínimo, y la decisión final compara energía perdida por sombra con energía ganada por más módulos.