Sobre la estructura de un campo fotovoltaico, la carga que más manda suele ser el viento, que levanta y empuja los módulos y obliga a anclajes, hincados o lastres capaces de resistir el arrancamiento. En Colombia el Reglamento NSR-10, Título B, da la velocidad básica del viento y el procedimiento de cálculo; ASCE 7 se usa como referencia para los coeficientes de paneles solares. En suelo, la geotecnia y los ensayos de arrancamiento deciden la cimentación; en cubierta, la capacidad de la edificación y el anclaje.
Cargas que actúan sobre la estructura
Una estructura fotovoltaica es una cubierta ligera, inclinada y muy expuesta. Sus cargas de diseño se agrupan así:
| Carga | Origen | Qué produce |
|---|---|---|
| Peso propio (carga muerta) | Módulos, perfiles y accesorios | Compresión hacia el suelo o la cubierta |
| Viento | Presión y succión sobre los módulos | Empuje lateral y, sobre todo, levantamiento |
| Sismo | Aceleración del suelo y de la estructura | Fuerzas horizontales y verticales en anclajes |
| Cargas de montaje y mantenimiento | Personas, herramientas, limpieza | Carga puntual sobre módulos y perfiles |
| Lluvia, granizo y ceniza o nieve donde aplique | Clima del sitio | Carga vertical adicional |
| Temperatura | Dilatación de perfiles largos | Esfuerzos en uniones |
En climas como el colombiano, sin nieve en la mayor parte del territorio, el viento es el caso que más condiciona los anclajes, porque sobre un módulo inclinado la succión puede superar con holgura su peso y levantarlo. Por eso el cálculo de una estructura solar empieza por la presión de viento, y la verificación sísmica y de las demás cargas se hace con las combinaciones que fija el reglamento.
Normas de referencia
Reglamento NSR-10. El Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente, adoptado por el Decreto 926 de 2010 y modificado después por varios decretos, trata las cargas en su Título B, y el viento en el capítulo B.6. Define la velocidad básica del viento con la figura B.6.4-1 (mapa de velocidades básicas) y un procedimiento analítico (B.6.5) para obtener la presión sobre la estructura. El Decreto 1711 de 2021 modificó parcialmente la NSR-10 para actualizar las velocidades de San Andrés, Providencia y Santa Catalina. Las cargas sísmicas están en el Título A.
ASCE 7. El estándar estadounidense Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures trae, en su capítulo de viento, los coeficientes de presión para paneles solares sobre cubiertas. Para arreglos sobre el suelo, la edición 2022 introduce disposiciones propias para sistemas de inclinación fija, según las fuentes consultadas; confirme el numeral y la edición con la ingeniería estructural. Eurocódigo 1 (EN 1991-1-4) y los estudios de túnel de viento son otras referencias que usa el diseñador, en particular para seguidores.
Módulo. El módulo se ensaya por separado: la IEC 61215-2 incluye una prueba de carga mecánica estática, con presiones de ensayo que fija la ficha del fabricante (2400 Pa o más), y muchos fabricantes certifican valores mayores. La carga que resiste el módulo no es la carga que resiste la estructura, y la forma de sujeción (clips, número y posición de los puntos) debe ser la que el fabricante autoriza para ese valor.
De la velocidad a la presión
La presión dinámica de viento de la formulación en que se basa el B.6 es:
q = 0,613 × Kz × Kzt × Kd × V² × I (q en N/m², V en m/s)
con Kz el coeficiente de exposición según altura y rugosidad del terreno, Kzt el de topografía, Kd el de direccionalidad y I el factor de importancia según el grupo de uso. Sobre un panel abierto, la presión neta es p = q × GCrn. GCrn es el coeficiente de presión neta. Depende de la inclinación, de la posición del módulo en el arreglo (borde o interior), de la altura sobre el suelo y de la separación entre filas. Los valores de cada coeficiente salen de la norma, no de una tabla genérica.
Ejemplo ilustrativo (supuestos didácticos, no valores de diseño). Se supone V = 100 km/h (27,8 m/s), Kz = 0,85, Kzt = 1, Kd = 0,85, I = 1,0 y GCrn = 1,5, con un módulo de 2,58 m².
| Velocidad básica | q | p = q × 1,5 | Fuerza por módulo (2,58 m²) | Mesa de 14 módulos | Por poste, si la mesa se apoya en 2 postes |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 km/h | 342 Pa | 513 Pa | 1,32 kN | 18,5 kN | 9,3 kN |
| 120 km/h | 492 Pa | 738 Pa | 1,90 kN | 26,7 kN | 13,3 kN |
La presión sube con el cuadrado de la velocidad: de 100 a 120 km/h, la fuerza crece alrededor de 44 %. Esa fuerza es una resultante de levantamiento; la ingeniería la reparte en cada poste, descuenta el peso propio y le aplica los factores de combinación y de seguridad que fija el reglamento. El peso de los módulos y la estructura, que ayuda a resistir el levantamiento, es del orden de unas decenas de kilogramos por módulo y es muy inferior a esta fuerza.
Estructuras sobre el suelo
Tipos. Las estructuras fijas sobre postes o perfiles hincados son lo más usual en parques; los seguidores de un eje cambian el ángulo del módulo durante el día y se tratan en seguidores solares. Hay también cimentaciones con zapatas, tornillos o anclajes en roca, y lastre sobre losa donde no se puede perforar.
Hincado. El poste se hinca con equipo mecánico hasta una profundidad que resiste la tracción del viento, la compresión y el empuje lateral. La profundidad no se fija por costumbre sino con la geotecnia: tipo de suelo, nivel freático, presencia de roca, corrosividad y expansividad.
Ensayos de arrancamiento. Antes de definir la profundidad del hincado se hacen ensayos de carga en postes de prueba, de tracción (que es la que genera el viento) y también de compresión y de carga lateral. El método de tracción tiene como referencia la ASTM D3689. Los resultados se comparan con la carga de diseño y con el estudio de suelos y llevan, si hace falta, a otro tipo de cimentación.
Corrosión y drenaje. El acero se protege con galvanizado u otro recubrimiento según la agresividad del suelo y del ambiente; el espesor y el ensayo los fija la ingeniería y la norma de recubrimiento aplicable. El drenaje y la erosión alrededor de los postes hacen parte del diseño del terreno.
Estructuras sobre cubierta
En cubierta, el límite no es el suelo sino la edificación: la cubierta debe resistir el peso adicional (módulos, estructura y, si hay, lastre) y el levantamiento, y los anclajes deben llegar a un elemento capaz de recibirlos.
- Cubierta plana con lastre: el peso de bloques o de bandejas llenas contrarresta el viento sin perforar. Eleva la carga muerta y exige la verificación de la estructura del edificio.
- Cubierta con anclaje: los anclajes a correas, vigas o losa transmiten la tracción; hay que revisar el sellado y la impermeabilización.
- Cubierta metálica: el módulo se fija al perfil de la teja o con grapas especiales; el fabricante de la cubierta debe avalar las cargas.
- Revisión de la edificación existente: consulte la NSR-10 vigente y al ingeniero estructural; el criterio depende de la antigüedad de la edificación y de si el aumento de carga lo exige.
Esta revisión la firma un ingeniero estructural. Instalar sin ella es el origen de la mayor parte de los problemas en cubiertas.
Cubierta frente a suelo
| Aspecto | Cubierta | Suelo |
|---|---|---|
| Límite principal | Capacidad de la edificación y su cubierta | Geotecnia y área |
| Cimentación | Anclajes o lastre | Postes hincados, tornillos o zapatas |
| Ensayos previos | Revisión estructural, ensayo de anclajes | Estudio de suelos y ensayos de arrancamiento |
| Viento | Coeficientes de cubierta, con zonas de borde y esquina | Coeficientes de arreglo abierto sobre el suelo |
| Mantenimiento | Acceso y seguridad en altura | Vegetación, erosión y drenaje |
Errores frecuentes
- Tomar la velocidad de viento de otro proyecto o de una tabla genérica en vez de la zona del sitio.
- Aplicar a un arreglo sobre suelo coeficientes de otra configuración (cubierta, edificio) sin justificación.
- Fijar la profundidad de hincado sin ensayos de arrancamiento ni estudio de suelos.
- Olvidar las zonas de borde y esquina, donde las presiones son mayores.
- Confiar en la carga que soporta el módulo sin respetar el método de sujeción aprobado.
- Instalar en cubierta sin verificar la estructura existente ni la impermeabilización.
- No definir el procedimiento de protección de los seguidores ante viento alto.
- No considerar la corrosión del acero según la agresividad del suelo.
Lista de verificación
- Velocidad básica del viento leída en la NSR-10 vigente, por zona del sitio.
- Categoría de exposición, grupo de uso y coeficientes de presión justificados.
- Memoria de cálculo firmada por ingeniero estructural.
- Estudio geotécnico y ensayos de arrancamiento (suelo) o revisión de la edificación (cubierta).
- Sujeción del módulo conforme a lo que el fabricante autoriza.
- Protección contra corrosión y plan de drenaje.
- Posición de seguridad y secuencia de viento definidas para los seguidores.
- Puesta a tierra de la estructura coordinada con el diseño eléctrico.
Dónde interviene la ingeniería eléctrica
La estructura es trabajo de la ingeniería estructural y geotécnica, pero lo eléctrico depende de ella. La distribución de las mesas define las longitudes de string y los tendidos. Además, la estructura hace parte de la puesta a tierra de la planta y del diseño del campo fotovoltaico. En Tiza Group hacemos el diseño de ingeniería eléctrica y los estudios de plantas solares, de forma remota, y lo coordinamos con el diseño estructural de su proyecto. El tema también está en la guía Estructura mecánica y viento. La distancia entre filas y el backtracking para evitar sombras entre filas se explican en sombras entre filas solares: distancia y backtracking.
Guías relacionadas
- Ingeniería y diseño de parques solares
- Hoja de datos de un módulo fotovoltaico
- Normas IEC para sistemas fotovoltaicos
Referencias
- Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10 (Decreto 926 de 2010), Título A (sismo) y Título B (cargas, capítulo B.6 viento). Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio.
- Decreto 1711 de 2021: modificación parcial de la NSR-10 (velocidades de viento de San Andrés, Providencia y Santa Catalina).
- ASCE/SEI 7-16 y 7-22, cargas mínimas de diseño, capítulos de viento (paneles solares).
- IEC 61215-2: calificación de módulos fotovoltaicos, ensayo de carga mecánica.
- ASTM D3689/D3689M: ensayos de elementos de cimentación profunda bajo carga axial de tracción.
Preguntas frecuentes
¿Qué norma colombiana aplica a la carga de viento de una estructura solar?
El Reglamento NSR-10 (Decreto 926 de 2010 y sus modificaciones), Título B, capítulo B.6, define la velocidad básica del viento según la figura B.6.4-1 y el procedimiento de cálculo. Para los coeficientes de presión de paneles solares, la NSR-10 no es la referencia usual: los diseñadores suelen apoyarse en el capítulo de paneles solares de ASCE 7, y la ingeniería estructural debe justificar el criterio y firmarlo.
¿Cuál es la velocidad de viento de diseño en Colombia?
La fija la figura B.6.4-1 de la NSR-10 según el municipio. Para San Andrés, Providencia y Santa Catalina el Decreto 1711 de 2021 actualizó los valores (200 km/h en San Andrés y 220 km/h en Providencia y Santa Catalina, según sus considerandos). Debe leerse en el texto vigente y por municipio, no tomarse de una tabla de otro proyecto.
¿Para qué sirve el ensayo de arrancamiento de los postes?
Mide la capacidad real de un poste hincado en el suelo del sitio frente a una fuerza de tracción, que es la que genera el levantamiento por viento. La referencia de método es la ASTM D3689 (cimentaciones profundas bajo carga axial de tracción). Con los resultados se ajusta la profundidad de hincado y se decide si el suelo requiere otro tipo de cimentación.
¿Un seguidor solar resiste el mismo viento que una estructura fija?
No de la misma manera. Un seguidor cambia su ángulo, y los fabricantes definen una posición de seguridad (por ejemplo, plana) para vientos altos. Las cargas y la secuencia de protección las certifica el fabricante con su propio estudio de túnel de viento; la planta debe cumplir ese procedimiento.