Modelado de sombras: perfil de horizonte y objetos cercanos

La predicción precisa de la producción energética es la piedra angular de cualquier proyecto fotovoltaico, especialmente en la escala comercial y utility-scale donde los márgenes y la bancabilidad dependen de proyecciones robustas. Un error común y costoso es subestimar el impacto de las sombras, ya sean causadas por elementos distantes como montañas o por estructuras cercanas. Esta lección te guiará a través de las metodologías avanzadas para modelar estas obstrucciones, asegurando que tus simulaciones reflejen la realidad del sitio y eviten sorpresas en el rendimiento operativo.

Diferenciando sombras lejanas (Far Shading) y cercanas (Near Shading)

Para modelar las pérdidas por sombreado de manera efectiva, es crucial entender la distinción entre dos categorías principales: las sombras lejanas y las sombras cercanas. Cada una tiene un impacto diferente en la producción y requiere un enfoque de modelado específico.

Sombras Lejanas (Far Shading):

Origen: Son causadas por elementos topográficos o estructuras muy distantes del sitio del proyecto, como montañas, colinas, cadenas montañosas o edificios altos en el horizonte.
Impacto: Afectan la trayectoria solar durante una parte significativa del día, especialmente al amanecer y al atardecer, o durante los meses de invierno cuando el sol está más bajo. Su efecto principal es reducir las horas efectivas de sol directo que recibe la planta en su conjunto.
Modelado: Se representan a través de un perfil de horizonte, que es una curva que muestra la elevación angular de los obstáculos en función del azimut. PVsyst utiliza este perfil para ajustar la duración de la irradiación directa sobre el campo solar.
Características: Generalmente afectan a toda la planta de manera uniforme, aunque el impacto puede variar ligeramente con el azimut del arreglo.

Sombras Cercanas (Near Shading):

Origen: Son producidas por objetos próximos a los módulos fotovoltaicos. Esto incluye otras filas de paneles (sombreado entre filas), árboles, postes, chimeneas, edificios adyacentes, equipos de la propia planta (transformadores, centros de control) o cualquier estructura que se encuentre a una distancia que pueda proyectar una sombra directa sobre los módulos.
Impacto: Su efecto es más localizado y complejo. Además de reducir la irradiación, pueden causar pérdidas por mismatch (desacople) entre módulos o strings, activar los diodos bypass dentro de los módulos y afectar la eficiencia operativa de los inversores. Las pérdidas por sombras cercanas son típicamente más severas y pueden ser difíciles de mitigar una vez que la planta está construida.
Modelado: Se modelan utilizando una escena 3D detallada del campo fotovoltaico y sus alrededores inmediatos. Software como PVsyst o Helioscope calculan el sombreado hora a hora (o incluso cada pocos minutos) para cada módulo o sub-arreglo, considerando la posición solar y la geometría precisa de los objetos.
Características: Su impacto es altamente dependiente de la geometría del arreglo, la distancia entre filas, la altura de los obstáculos y la orientación de los módulos.

Comprender esta diferencia es fundamental para elegir la herramienta de modelado adecuada y para interpretar correctamente los resultados de la simulación.

Creación y uso del perfil de horizonte en PVsyst

El perfil de horizonte es una herramienta esencial en PVsyst para cuantificar el impacto de las sombras lejanas. Te permite representar con precisión la topografía circundante y cualquier obstrucción distante que pueda afectar la irradiación solar.

¿Qué es un perfil de horizonte?

Es un diagrama que muestra la elevación angular (en grados) de los obstáculos alrededor del sitio del proyecto en función del azimut (también en grados). Un horizonte perfectamente plano tendría una elevación de 0° en todos los azimuts. Cualquier elevación por encima de 0° indica una obstrucción.

Fuentes de datos para el perfil de horizonte:

Medición in situ:
- Clasímetros/Teodolitos: Equipos de topografía que permiten medir ángulos de elevación y azimut con alta precisión.
- Aplicaciones de smartphone: Herramientas como Sun Surveyor, Horizon o PV Planner utilizan la cámara y los sensores del teléfono para trazar un perfil de horizonte visual. Son útiles para una evaluación preliminar, pero su precisión puede variar.
Datos topográficos (DEM):
- Modelos de Elevación Digital (DEM - Digital Elevation Model): Bases de datos geográficas como SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) o ASTER GDEM proporcionan datos de elevación de la superficie terrestre.
- Herramientas GIS: Software de Sistemas de Información Geográfica (como QGIS o ArcGIS) puede procesar estos DEM para generar perfiles de horizonte muy precisos para ubicaciones específicas. Este es el método preferido para proyectos utility-scale por su fiabilidad y escalabilidad.
Importación de archivos: Muchos programas permiten importar perfiles de horizonte como archivos de texto que contienen pares de valores (Azimut, Elevación).

Procedimiento en PVsyst:

Desde la interfaz principal de PVsyst, abre tu proyecto o crea uno nuevo.
Ve a la sección "Sitio" (Site) y luego a "Perfil de Horizonte" (Horizon Profile).
Aquí encontrarás opciones para "Editar" el perfil o "Importar" uno existente.
Si eliges "Editar", puedes ingresar manualmente pares de valores de Azimut y Elevación. Por ejemplo, si a 60° de azimut tienes una montaña con una elevación de 10°, ingresarías (60, 10).
Si eliges "Importar", PVsyst te permitirá cargar un archivo de texto con el formato adecuado (generalmente dos columnas separadas por tabulaciones o comas).
Una vez introducido el perfil, PVsyst lo superpondrá sobre el diagrama solar (trayectoria del sol a lo largo del año) para que puedas visualizar claramente qué partes de la trayectoria solar están siendo obstruidas.

El impacto del perfil de horizonte se calcula durante la simulación, donde PVsyst determina cuántas horas de sol directo se pierden debido a estas obstrucciones y cuantifica la energía no producida.

Modelado de sombras cercanas con la escena 3D de PVsyst

Para las sombras cercanas, el nivel de detalle requerido es mucho mayor. Aquí es donde la herramienta de diseño 3D de PVsyst, o "Escena 3D", se vuelve indispensable. Permite construir una representación virtual del sitio y calcular el sombreado con gran precisión.

¿Qué es la escena 3D en PVsyst?

Es un entorno de modelado tridimensional donde puedes dibujar el terreno, colocar los arreglos fotovoltaicos, y añadir cualquier objeto que pueda proyectar una sombra sobre ellos. PVsyst utiliza algoritmos complejos para calcular la trayectoria de la sombra de cada objeto sobre los módulos a lo largo del año, considerando la posición solar horaria.

Objetos esenciales a modelar en la escena 3D:

Filas de paneles: Fundamental para calcular el sombreado entre filas, un factor crítico en la optimización del GCR (Ground Coverage Ratio) y el pitch. Esto es especialmente importante para configuraciones fijas y para seguidores de un eje que no utilizan algoritmos de backtracking de manera óptima o en momentos específicos.
Edificios cercanos: Cualquier estructura dentro del perímetro del proyecto o en sus inmediaciones que pueda proyectar una sombra.
Árboles y vegetación: Aunque su geometría es más compleja, es vital modelar su altura y extensión. Considera su crecimiento futuro.
Elementos de la propia planta: Subestaciones, centros de control, transformadores, casetas de inversores, postes de iluminación, cercas, etc. Incluso pequeños objetos pueden generar micro-sombras que, acumuladas, son significativas.
Terreno: Si el terreno no es plano, es crucial modelarlo para que las bases de los arreglos se ajusten a la topografía, lo que a su vez afectará el sombreado entre filas.

Procedimiento en PVsyst para la escena 3D:

Desde la interfaz principal de PVsyst, ve a la sección "Diseño" (Design) y selecciona "Diseño 3D" (3D Design).
Aquí puedes empezar a construir tu escena:
- Importar terreno: Puedes importar datos de terreno (DEM) o dibujar un terreno plano o inclinado.
- Crear objetos: Utiliza las herramientas de dibujo para crear edificios, muros, cilindros (para postes), etc. Puedes definir sus dimensiones y materiales.
- Colocar arreglos fotovoltaicos: Define las mesas de módulos, su orientación, inclinación y separación. PVsyst te permite replicar arreglos para cubrir grandes extensiones.
- Importar archivos CAD/3D: Para geometrías muy complejas o para agilizar el proceso, PVsyst permite importar archivos en formatos como DXF (CAD) o modelos de SketchUp. Esto es muy útil para integrar diseños arquitectónicos o topográficos existentes.
Una vez que la escena esté completa, PVsyst calculará las pérdidas por sombreado. El software te mostrará un mapa de sombreado y un resumen de las pérdidas anuales, mensuales y horarias. Estas pérdidas se desglosan en "pérdidas por sombreado cercano" y se integran en el balance de energía final.

Un modelado 3D preciso es un proceso iterativo. Puede que necesites ajustar la separación entre filas, la altura de los módulos o la ubicación de ciertos objetos para minimizar las pérdidas por sombreado y optimizar el diseño.

Ejemplo: Impacto de un perfil de horizonte en un valle

Imagina que estás diseñando una planta fotovoltaica utility-scale en un valle, ubicada aproximadamente a 35° de latitud norte y -70° de longitud oeste. La topografía del valle presenta montañas significativas tanto al este como al oeste, que podrían afectar el amanecer y el atardecer solar.

Datos del perfil de horizonte (simplificado para el ejemplo):

Hemos realizado un levantamiento topográfico y generado el siguiente perfil de horizonte:

Montaña Este:
- Azimut 60°: Elevación 15°
- Azimut 90°: Elevación 10°
- Azimut 120°: Elevación 5°
Montaña Oeste:
- Azimut 240°: Elevación 5°
- Azimut 270°: Elevación 10°
- Azimut 300°: Elevación 15°
El resto del horizonte se considera plano (0° de elevación).

Procedimiento en PVsyst:

Crear un nuevo proyecto: Inicia PVsyst y crea un nuevo proyecto, definiendo la ubicación (latitud 35°N, longitud -70°W).
Acceder al perfil de horizonte: En la sección "Sitio", selecciona "Perfil de Horizonte".
Introducir los puntos:
- Haz clic en "Editar".
- Para la montaña este, introduce los puntos: (60, 15), (90, 10), (120, 5).
- Para la montaña oeste, introduce los puntos: (240, 5), (270, 10), (300, 15).
- Asegúrate de que los puntos intermedios y los puntos donde el horizonte es plano (0°) estén correctamente definidos para crear una curva suave.
Visualizar el diagrama solar:
- Una vez que los puntos están ingresados, PVsyst mostrará el perfil de horizonte superpuesto al diagrama solar de la ubicación.
- Observarás cómo la curva de la montaña este corta las trayectorias solares matutinas, especialmente las de invierno (sol bajo). Esto significa que el "amanecer solar efectivo" para la planta se retrasa significativamente. Por ejemplo, en el solsticio de invierno, el sol podría salir geográficamente a las 7:00 AM, pero la montaña podría impedir que la planta reciba luz solar directa hasta las 9:00 AM.
- De manera similar, la montaña oeste recortará las trayectorias solares vespertinas, adelantando el "atardecer solar efectivo". El sol podría ponerse geográficamente a las 5:00 PM, pero la planta podría dejar de recibir luz directa a las 3:00 PM.
Cuantificar el impacto:
- Realiza una simulación completa con este perfil de horizonte.
- En el informe de simulación de PVsyst, dirígete al diagrama de pérdidas. Busca la categoría "Pérdidas por sombreado del horizonte".
- Para un valle con estas características, es probable que encuentres pérdidas anuales por sombreado del horizonte en el rango del 3% al 7% de la energía que se produciría sin estas obstrucciones. Este porcentaje, aparentemente pequeño, se traduce en millones de dólares en energía no generada a lo largo de la vida útil del proyecto.
- Analiza también las pérdidas mensuales. Verás que las pérdidas son mucho mayores en los meses de invierno, cuando el sol tiene una trayectoria más baja y es más susceptible a ser bloqueado por las montañas.

Este ejemplo ilustra cómo un modelado preciso del perfil de horizonte es indispensable para obtener una estimación realista de la producción energética, especialmente en sitios con topografía desafiante. Ignorar estos elementos resultaría en una sobreestimación de la producción y, consecuentemente, en una subestimación del LCOE y un riesgo financiero para el proyecto.

Errores comunes

Modelar sombras es una de las tareas más críticas y propensas a errores en el diseño fotovoltaico. Evitar estos fallos es clave para la bancabilidad de tus proyectos.

Ignorar o simplificar excesivamente el perfil de horizonte: Asumir un horizonte plano sin una verificación rigurosa del sitio es un error grave. Incluso en terrenos aparentemente planos, edificios lejanos o formaciones geológicas pueden tener un impacto. La consecuencia es una sobreestimación de la producción, especialmente en las horas de la mañana y la tarde.
Confundir sombras lejanas con cercanas: Intentar modelar una montaña distante en la escena 3D o, peor aún, ignorar el sombreado entre filas por considerarlo una "sombra lejana" (cuando es claramente cercana). Cada tipo de sombra requiere su propia metodología de modelado en PVsyst.
Datos de horizonte imprecisos o desactualizados: Utilizar datos de baja resolución, mediciones manuales inexactas o perfiles de horizonte de hace años sin verificar si ha habido cambios en el entorno (nuevas construcciones, crecimiento de vegetación) puede llevar a errores significativos.
Modelado incompleto de la escena 3D: Omitir objetos aparentemente pequeños en la escena 3D (postes de luz, chimeneas de edificios de control, cajas de inversores, etc.) o simplificar demasiado la geometría de árboles y edificios. Aunque individualmente el impacto pueda parecer menor, la acumulación de estas micro-sombras puede sumar pérdidas considerables.
No considerar el backtracking en seguidores de un eje para el sombreado entre filas: Asumir que el backtracking elimina completamente el sombreado entre filas en todas las condiciones. Si bien el backtracking minimiza el sombreado, no lo elimina por completo en todos los momentos del día o del año, especialmente con GCRs altos o en ángulos solares muy bajos. Es crucial modelar correctamente los seguidores y verificar las pérdidas residuales por sombreado en la escena 3D.

Tu tarea

Para consolidar tu comprensión sobre el perfil de horizonte y su impacto, realizarás una observación práctica de tu entorno.

Descarga una aplicación de perfil de horizonte: En tu smartphone, busca y descarga una aplicación que te permita visualizar el perfil de horizonte usando la cámara y los sensores del teléfono. Algunas opciones populares son "Sun Surveyor" (de pago, muy completa) o "Horizon" (suele ser gratuita, más básica).
Dirígete a un punto de observación: Ve a un lugar con una vista relativamente despejada del horizonte, o simplemente usa tu ubicación actual si tienes ventanas con vista al exterior.
Traza el perfil de horizonte: Abre la aplicación y sigue las instrucciones para trazar el perfil de horizonte. Gira lentamente tu teléfono 360 grados, apuntando hacia el horizonte, para que la aplicación registre las elevaciones de los obstáculos.
Identifica obstrucciones significativas: Presta especial atención a las direcciones este (donde sale el sol) y oeste (donde se pone).
- ¿Hay edificios altos, colinas o montañas que bloqueen el sol al amanecer (azimut aproximado entre 45° y 135°)?
- ¿Existen obstrucciones similares que bloqueen el sol al atardecer (azimut aproximado entre 225° y 315°)?
- ¿Qué tan altas son estas obstrucciones en términos de grados de elevación (la aplicación te dará una estimación)?
Reflexiona sobre el impacto:
- Si fueras a diseñar una planta fotovoltaica utility-scale en esa ubicación, ¿cómo impactarían estas obstrucciones en el amanecer y el atardecer solar efectivo?
- ¿Las obstrucciones que identificaste serían modeladas como sombras lejanas (perfil de horizonte) o como sombras cercanas (escena 3D)? ¿Por qué?
- ¿Qué porcentaje de pérdidas anuales estimarías de forma preliminar por estas obstrucciones?

Esta tarea te ayudará a desarrollar una intuición sobre la importancia de las sombras y a visualizar cómo los elementos del entorno se traducen en datos para tus simulaciones.