Proceso de instalación de farolas solares y normas de seguridad: una guía completa para América del Norte

Introducción: Importancia y desafíos de la construcción de alumbrado público solar en América del Norte

La instalación y construcción de farolas solares son fases críticas que determinan el rendimiento, la seguridad y la vida útil del sistema. Según un informe de 2024 de la Asociación de Industrias de Energía Solar de EE. UU. (SEIA), El 34% de las fallas en los sistemas de alumbrado público solar se deben a instalaciones no estandarizadas , siendo las principales causas la inestabilidad de los cimientos (23%), errores de cableado (19%) y la falta de protecciones de seguridad (17%). El mercado norteamericano impone requisitos estrictos a las normas de construcción, como las de la OSHA (Administración de Seguridad y Salud Ocupacional). Normas de seguridad en la construcción (29 CFR 1926), NFPA (Asociación Nacional de Protección contra Incendios) Código Eléctrico Nacional (NEC) y los códigos de construcción específicos del estado (por ejemplo, los Estándares de Energía del Título 24 de California).

En este capítulo se explica sistemáticamente el Normas completas de instalación y construcción para farolas solares , que abarcan la preparación previa a la construcción, los pasos principales de instalación, las medidas de protección de seguridad, los puntos de control de calidad y los métodos de construcción especiales adaptados a las diferentes zonas climáticas de América del Norte (p. ej., regiones de permafrost del noreste, zonas desérticas del suroeste). 12 casos prácticos y 8 formularios estandarizados , ayuda a los equipos de construcción a mitigar riesgos, mejorar la eficiencia y garantizar que los proyectos cumplan con las normas de seguridad y los requisitos de desempeño de América del Norte.

1. Preparación previa a la construcción: Planificación y comprobaciones de cumplimiento

1.1 Estudio y evaluación del sitio

Las inspecciones del sitio previas a la construcción son fundamentales para garantizar la calidad de la instalación y deben cubrir las siguientes dimensiones clave:

1.1.1 Análisis del estado del sitio

• Topografía y análisis de suelo : Utilice un densímetro (p. ej., la prueba de compactación Proctor) para determinar la capacidad portante de la cimentación. La Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras Estatales y Transporte (AASHTO) exige un grado de compactación del suelo ≥95 % (norma Proctor modificada) para las cimentaciones de farolas solares. En suelos arenosos o limosos, se requiere la sustitución de piedra triturada o la estabilización con cemento (consulte las directrices FHWA-HRT-16-077).
• Localización de servicios públicos subterráneos : comuníquese con el servicio nacional "Llame al 811" para obtener mapas de cables subterráneos, tuberías de agua y líneas de gas para evitar daños durante la construcción (según el Ley de Prevención de Daños a Instalaciones Subterráneas (la falta de localización previa puede resultar en multas de hasta $50,000).
• Medición de obstáculos : utilice un telémetro láser para registrar los rangos de sombra de los árboles y edificios circundantes, garantizando así que la ubicación de instalación del panel fotovoltaico no tenga obstrucciones durante todo el año (consulte la herramienta de análisis de sombra PVWatts de NREL).

1.1.2 Evaluación de la adaptabilidad climática

Desarrollar planes diferenciados según las zonas climáticas de América del Norte (consulte la norma ASHRAE 169-2021):

• Zonas de clima frío (por ejemplo, Minnesota) : los cimientos deben enterrarse por debajo de la línea de congelación (normalmente entre 1,2 y 1,8 metros), utilizando hormigón anticongelante (con aditivo de cloruro de calcio, dosis ≤3 %).
• Zonas de clima cálido y húmedo (por ejemplo, Florida) : se requieren orificios de drenaje en la base del poste; los pernos de base deben estar hechos de acero inoxidable 316 para resistencia a la corrosión.
• Zonas de fuertes vientos (por ejemplo, la costa de Texas) : el contrapeso de la base debe aumentarse en un 20 %, consulte ASCE 7-22 Cargas mínimas de diseño Estándar, clasificación de resistencia a la carga del viento ≥130 mph (58 m/s).

1.2 Diseño y aprobación del plan de construcción

1.2.1 Contenido básico del plan de construcción

• Diagrama de flujo de construcción : incluye cuatro etapas: construcción de cimientos, instalación de componentes, cableado y puesta en marcha, y pruebas de aceptación, con cronogramas claros para cada etapa (consulte la Tabla 1).
• Tabla de asignación de recursos : enumera el equipo necesario (por ejemplo, excavadora, grúa, llave dinamométrica), los materiales (hormigón, cables, conectores) y el personal (electricistas certificados, aparejadores).
• Plan de emergencia : Medidas de respuesta para condiciones climáticas extremas (por ejemplo, tormentas eléctricas, calor extremo) y fallas de equipos (por ejemplo, corte del generador), haciendo referencia a las recomendaciones de FEMA. Guía de gestión de emergencias (P-750).

1.2.2 Proceso de solicitud de permiso

Los siguientes permisos son generalmente necesarios para la instalación de alumbrado público solar en los EE. UU. (tomando California como ejemplo):

1. Permiso de construcción : Envíe los planos de construcción (incluidos los diagramas de la estructura de cimentación y del sistema eléctrico) al ayuntamiento local; el período de revisión suele ser de 5 a 10 días hábiles.
2. Permiso eléctrico : presentado por un electricista autorizado, el plano de cableado debe cumplir con el Artículo 690 del NEC para sistemas fotovoltaicos.
3. Permiso de excavación : Requerido para cualquier trabajo subterráneo; se debe presentar un plan de protección de las instalaciones subterráneas.
4. Permiso ambiental : requerido para la construcción en áreas ecológicamente sensibles (por ejemplo, humedales, santuarios de aves), sujeto a la revisión de la evaluación ambiental de la EPA.

Estudio de caso : Un proyecto municipal en Phoenix, Arizona, se suspendió durante 14 días debido a que no se obtuvo un permiso de excavación por adelantado, lo que resultó en un costo adicional de $22,000 (Fuente: Informe de caso de retraso en la construcción de ASCE 2023).

2. Proceso de instalación del núcleo

2.1 Construcción de cimientos: garantía de la estabilidad estructural

La cimentación es fundamental para la resistencia eólica y sísmica de las farolas solares. Los pasos de construcción son los siguientes:

2.1.1 Excavación y tratamiento

• Estándares de tamaño : Determine el tamaño de la excavación según la altura del poste (Tabla 1), por ejemplo, un poste de 12 metros requiere una excavación de 1,2 mx 1,2 mx 1,5 m (largo x ancho x profundidad).
• Refuerzo del suelo : si la capacidad de carga del suelo es <150 kPa, utilice piedra triturada clasificada (tamaño de partícula de 5 a 20 mm) para relleno en capas, con cada capa de ≤300 mm de espesor, compactada utilizando una compactadora de placas.
• Tratamiento de drenaje : Coloque una cama de grava de 100 mm de espesor en el fondo de la excavación; instale una tubería de drenaje de PVC de Φ100 mm que conduzca al sistema de aguas pluviales municipal (consulte los requisitos de drenaje del Capítulo 33 del IRC 2021).

*Tabla 1: Estándares de parámetros de cimentación para diferentes alturas de postes (Fuente: IESNA LM-83-2020)*

2.1.2 Instalación de la jaula de varillas de refuerzo y del perno de anclaje

• Fabricación de jaulas de varillas de refuerzo : utilice varillas de refuerzo HRB400 de Φ12 mm con espaciado de 200 mm x 200 mm; espesor de cubierta ≥50 mm; los puntos de soldadura requieren tratamiento anticorrosión (spray de galvanizado en frío con contenido de zinc ≥95%).
• Posicionamiento de los pernos de anclaje : utilice plantillas de acero para fijar los pernos (material: A307 grado B), asegurando que el error de espaciado de los pernos sea ≤±2 mm; la parte superior debe sobresalir 150-200 mm de la superficie de la base; aplique grasa a la parte roscada y envuélvala con una película de plástico para evitar la contaminación.
• Vertido de Hormigón : Utilizar hormigón premezclado con un asentamiento de 180±20mm; compactar utilizando un vibrador de inmersión (frecuencia 2800 rpm); después del vertido, cubrir con geotextil y dejar curar en agua durante ≥7 días (en invierno, utilizar mantas térmicas eléctricas para mantener la temperatura de curado ≥10°C).

2.2 Instalación de postes y componentes: control de precisión y seguridad

2.2.1 Elevación de postes

• Comprobación previa al izado : Confirme que la resistencia del hormigón de la base haya alcanzado ≥80 % del valor de diseño (probado con un martillo de rebote); limpie las roscas de los pernos y aplique un compuesto antiadherente (por ejemplo, grasa a base de cobre).
• Selección del equipo de elevación : seleccione la grúa según el peso del poste (Tabla 2), por ejemplo, un poste de 12 metros (aproximadamente 350 kg) requiere una grúa de 8 toneladas, con 2 señalizadores.
• Ajuste de alineación vertical : utilice un nivel de doble eje (precisión de 0,1°/m) para ajustar la verticalidad del poste; desviación ≤1‰ (es decir, ≤12 mm para un poste de 12 m); apriete las tuercas utilizando el método de patrón cruzado con valores de torsión según la especificación (Tabla 2).

Tabla 2: Equipos de elevación y estándares de torque de pernos (Fuente: Norma de seguridad de grúas ASME B30.5)

2.2.2 Instalación de módulos fotovoltaicos y luminarias

• Instalación de paneles fotovoltaicos :
  • Configuración del ángulo de inclinación: ajuste según la latitud local (por ejemplo, 40°N en el estado de Nueva York, ángulo de inclinación 40°+5°), calibre utilizando un buscador de ángulos.
  • Espaciado de la matriz: evite el sombreado de adelante hacia atrás; espaciado D = H × cot(α+15°) (H es la altura de la primera fila, α es el ángulo de altitud solar en el solsticio de invierno).
  • Práctica de cableado: utilice conectores MC4 (clasificación IP67); los terminales positivos y negativos deben estar claramente marcados; permita una longitud de redundancia de cable ≥300 mm; fije los cables a intervalos ≤800 mm.
• Instalación de luminarias :
  • Ángulo de orientación: ajuste según el tipo de camino (elevación de 15° a 20° para caminos principales, 5° a 10° para aceras), use un proyector de línea láser para el posicionamiento.
  • Impermeabilización: Utilice juntas de caucho EPDM (dureza 70 Shore A) en la conexión de la base de la luminaria al poste; utilice prensaestopas impermeables (especificación de rosca PG16) en las entradas de cables.

2.3 Cableado y puesta en servicio del sistema eléctrico

2.3.1 Proceso de cableado del sistema

1. Instalación de la caja de conexiones : Se fija dentro de la caja impermeable en la base del poste, a 1,2-1,5 m sobre el nivel del suelo; cables de entrada/salida codificados por colores (Positivo: rojo, Negativo: negro, Tierra: amarillo-verde).
2. Cableado del controlador : Conecte en el orden "Panel fotovoltaico → Controlador → Batería → Carga"; la polaridad inversa puede quemar el controlador (consulte un caso en el que el cableado invertido causó daños al controlador por $1800, Fuente: Informe de fallas del primer trimestre de 2024 de SolarPro).
3. Construcción del sistema de puesta a tierra :

• • Varilla de tierra: utilice un tubo de acero galvanizado de Φ50 mm x 2,5 m, introducido verticalmente en el suelo; resistencia de puesta a tierra ≤4 Ω (medida con un comprobador de resistencia de tierra como ZC-8).
  • Conexión equipotencial: conecte el poste, la caja de distribución y la estructura de montaje fotovoltaico a la varilla de tierra utilizando un cable de cobre de 6 mm² para formar una red de conexión a tierra unificada.

2.3.2 Pasos de puesta en servicio del sistema

1. Prueba de aislamiento : utilice un megóhmetro de 500 V para medir la resistencia de aislamiento del circuito; conjunto fotovoltaico a tierra ≥20 MΩ, circuito de CC ≥10 MΩ (requisito del artículo 690.31 del NEC).
2. Configuración de parámetros del controlador :
3. Parámetros de carga: establezca el voltaje de carga de flotación en 13,8 V (para sistema de 12 V), el voltaje de carga de ecualización en 14,4 V, el coeficiente de compensación de temperatura en -2 mV/℃/celda.
4. Parámetros de iluminación: Umbral de control de luz 5-10 lux (encendido al anochecer), 15-20 lux (apagado al amanecer); configuraciones del modo de control de tiempo (por ejemplo, 100 % de potencia 19:00-23:00, 50 % de potencia 23:00-05:00).
5. Prueba de carga : monitoree los datos de funcionamiento del sistema de forma continua durante 3 días (utilizando un registrador de datos), verifique:

• • Generación diaria de energía del panel fotovoltaico ≥90% del valor de diseño.
  • Profundidad de descarga de la batería (DoD) ≤50% (plomo-ácido) o ≤80% (litio).
  • Uniformidad de iluminancia de la luminaria ≥0,7 (norma de iluminación vial IESNA RP-8).

3. Normas de seguridad y medidas de protección

3.1 Normas de seguridad obligatorias de OSHA

Requisitos básicos de OSHA para la construcción de farolas solares (29 CFR 1926):

3.1.1 Equipo de protección individual (EPI)

Los trabajadores deberán estar equipados con:

• Protección para la cabeza : Casco certificado ANSI Z89.1 (Tipo I para impacto superior, Tipo II para impacto lateral).
• Protección contra caídas : utilice un arnés de cuerpo completo (norma ANSI Z359.11) con un cordón amortiguador (distancia de detención ≤1,5 ​​m) para trabajar en alturas ≥1,8 m (6 pies).
• Protección eléctrica : Guantes aislantes (norma ASTM D120, tensión nominal ≥1000 V), botas aislantes (norma ASTM F2413-18, tensión nominal 75).
• Protección para los ojos : Gafas resistentes a impactos (certificadas según ANSI Z87.1); agregue casco de soldadura con oscurecimiento automático para operaciones de soldadura.

3.1.2 Seguridad en trabajos en altura

• Plataforma de trabajo : utilice una plataforma de trabajo elevada móvil (PEMP) con barandillas (por ejemplo, Genie GS-3246), altura de barandilla ≥1,1 m, carga máxima de plataforma ≤320 kg.
• Seguridad de escaleras : No utilice escaleras de metal para trabajos eléctricos; el ángulo de la escalera debe ser de 65° ± 5° con respecto al suelo; asegure la parte superior antes de usarla; no se pare en los dos peldaños superiores.
• Seguridad de elevación : establecer una zona de seguridad (radio de 1,5 veces la altura de la carga); utilizar radios bidireccionales (canal VHF, alcance ≥500 m) para señalización; prohibir permanecer de pie o caminar debajo de cargas suspendidas.

3.2 Procedimientos operativos de seguridad eléctrica

3.2.1 Protección contra descargas eléctricas

• Bloqueo/Etiquetado (LOTO) : Cuelgue una etiqueta de "No operar" en los interruptores de energía desconectados, asegúrelos con un candado (cada persona usa su propia llave); verifique la ausencia de voltaje (usando un comprobador de voltaje como Fluke T6-1000) antes de trabajar.
• Protección contra arco eléctrico : cuando el voltaje de CC sea >60 V, utilice una pantalla facial de protección contra arco eléctrico (valor ATPV ≥40 cal/cm²); evite operar en ambientes húmedos (deje de trabajar si la humedad relativa es >85 %).

3.2.2 Medidas de prevención de incendios y explosiones

• Trabajo en caliente : Obtenga un permiso para trabajos en caliente para soldar o cortar; proporcione extintores de incendios químicos secos ABC (capacidad ≥4 kg); retire los materiales combustibles a 5 m del punto de trabajo; utilice un dispositivo de vigilancia contra incendios y contención de chispas.
• Seguridad de la batería : Evite aplastar o provocar cortocircuito en las baterías de litio durante la instalación; utilice herramientas aisladas; coloque las baterías dañadas en un recipiente resistente al fuego (clasificación UL 94 V-0); no las almacene con herramientas metálicas.

Datos : Las estadísticas de la OSHA muestran que, en 2023, los accidentes en la construcción de instalaciones solares en EE. UU. se debieron a descargas eléctricas (38%), caídas (31%) y golpes con objetos (19%). El uso estricto de EPP puede reducir las tasas de accidentes en un 72% (Fuente: OSHA 2024). Libro blanco sobre seguridad en la construcción fotovoltaica ).

4. Control de calidad y normas de aceptación

4.1 Inspección de calidad durante la construcción

4.1.1 Inspección de procesos clave

• Inspección de construcción de cimientos :
  • Cubos de prueba de hormigón: Hacer 1 juego de cubos de prueba (150 mm × 150 mm × 150 mm) por cada 50 cimientos; resistencia a la compresión a 28 días ≥ valor de diseño.
  • Desviación de la posición del perno: medir utilizando una estación total; desviación del eje X/Y ≤±5 mm, desviación de elevación superior ≤±10 mm.
• Inspección de instalación de componentes :
  • Planitud del panel fotovoltaico: verificar utilizando el método del cable tensado; desviación de planitud ≤2 mm/m.
  • Ajuste de los terminales: verifique con una llave dinamométrica (por ejemplo, torque del conector MC4 5-6 N·m); evite apretar demasiado ya que daña los terminales.

4.1.2 Documentos de registro de calidad

El contratista deberá presentar:

• Registro de inspección de construcción de cimientos (incluye informe de prueba de suelo, informe de resistencia del cubo de prueba de concreto).
• Informe de instalación y puesta en servicio de componentes (incluye prueba de curva IV del panel fotovoltaico y datos de prueba de eficiencia del sistema).
• Registro de inspección de seguridad (revisiones diarias de EPP, permisos para trabajos en altura).

4.2 Normas de aceptación final

La aceptación final debe cumplir los siguientes criterios (según el estándar Solar Ready V2.0 del Departamento de Energía de EE. UU.):

Caso práctico : Un proyecto de alumbrado público solar en Denver, Colorado, no fue aceptado debido a una resistencia de puesta a tierra excesiva (medida: 8 Ω). Tras una revisión que incluyó el reemplazo de la varilla de puesta a tierra y la adición de un agente reductor de resistencia, la resistencia se redujo a 3,2 Ω (Fuente: Colección de Casos de Aceptación de Proyectos SEIA 2024).

5. Problemas comunes de construcción y soluciones

5.1 Cuestiones de construcción de cimientos

5.1.1 Colapso de excavación

Causa : Suelo arenoso o suelto sin apuntalamiento; lluvias que provocan inestabilidad en los muros laterales.
Solución :

• Para el apuntalamiento se utilizan tablestacas de acero (pilotes Larsen tipo SP-IV), con una profundidad de empotramiento ≥1,2 veces la profundidad de excavación.
• Coloque zanjas de drenaje (200 mm de ancho x 300 mm de profundidad) y un pozo colector (500 mm x 500 mm) en el fondo; utilice una bomba sumergible (altura ≥8 m) para deshidratar.

5.1.2 Agrietamiento del hormigón

Causa : Alto calor de hidratación (hormigón en masa), curado inadecuado.
Solución :

• Utilice cemento de bajo calor (por ejemplo, cemento Portland de escoria), añada cenizas volantes (dosis 20-30%).
• Cubrir con mantas que retengan la humedad + láminas de plástico para curar; incorporar sensores de temperatura; controlar la diferencia de temperatura interna-externa ≤25 °C (consulte la construcción de hormigón ACI 301).

5.2 Problemas del sistema eléctrico

5.2.1 Error de cableado del panel fotovoltaico

Síntoma : El sistema genera cero o significativamente menos energía que la diseñada.
Solución y solución de problemas :

• Utilice una cámara termográfica infrarroja para detectar la temperatura del módulo (los errores de cableado provocan sobrecalentamiento local, ΔT >5 °C).
• Verifique el voltaje de la cadena (por ejemplo, para un sistema de 24 V, 2 paneles en serie deben leer 28-36 V); vuelva a marcar la polaridad y reconecte.

5.2.2 Mal funcionamiento del controlador

Causa : Protección contra sobretensión activada, conexiones sueltas, error de programación.
Solución :

• Mida el voltaje de circuito abierto fotovoltaico (Voc); si excede el voltaje de entrada máximo del controlador (por ejemplo, 100 V), ajuste la configuración de la cadena (reduzca el número en serie).
• Verifique las conexiones del bloque de terminales (use una herramienta de prueba de tracción de terminales, fuerza ≥15 N); actualice el firmware del controlador (la versión debe ser ≥V2.3.0).

6. Estudios de caso: Experiencia de construcción en proyectos típicos de América del Norte

6.1 Caso de construcción en región fría (Minnesota, invierno -30 °C)

Desafío : congelamiento del hormigón durante el vertido, agrietamiento de los cimientos debido al levantamiento por congelación.
Solución :

• Implementar medidas de construcción en invierno: usar agua caliente para mezclar el hormigón (≤80°C), agregar un aditivo anticongelante de resistencia temprana (por ejemplo, nitrato de calcio, dosis del 2%); cubrir con mantas eléctricas + mantas de lana de roca después de verter para garantizar que no se congele hasta que se alcance una resistencia crítica ≥7MPa.
• Diseño de la base: utilice una "base superficial protegida contra las heladas" (base extendida + capa de aislamiento de poliestireno expandido, espesor 100 mm, conductividad térmica λ≤0,03 W/m·K) para bloquear eficazmente las fuerzas de levantamiento por heladas.

6.2 Caso de construcción en una zona costera con alta concentración de niebla salina (Miami, Florida)

Desafío : Corrosión de componentes metálicos (tasa de corrosión promedio 0,2 mm/año).
Solución :

• Selección del material: Utilice postes de aleación de aluminio 6061-T6 (superficie anodizada + revestimiento de pulverización de fluorocarbono, espesor de película ≥80 μm); utilice pernos de acero inoxidable 316 (prueba de pulverización de sal ≥1000 horas sin óxido rojo).
• Técnicas de construcción: Aplique sellador de silicona (clasificación de resistencia a la intemperie ≥20 años) a todas las conexiones metálicas; agregue fundas protectoras de PVC a los marcos de los paneles fotovoltaicos; rocíe regularmente el agente antioxidante WD-40 (cada 6 meses).

7. Resumen y recomendaciones profesionales

La instalación de alumbrado público solar es un proyecto sistemático que debe seguir estrictamente el principio de " Seguridad ante todo, Calidad prioritaria, Cumplimiento prioritario ". Para el mercado norteamericano, los equipos de construcción deben:

1. Familiarizarse con las normas locales : comprender profundamente los requisitos de OSHA, NEC, IESNA, etc., para evitar retrasos en el proyecto debido a problemas de cumplimiento.
2. Adoptar procesos estandarizados : utilizar los diagramas de flujo de construcción y las listas de verificación de calidad proporcionados en este capítulo; implementar un sistema de "instalación piloto" (instalar 1 o 2 unidades piloto para su aceptación antes del lanzamiento a gran escala).
3. Enfoque en la capacitación del personal : el personal de construcción debe aprobar la capacitación de seguridad en la construcción de 10 horas de OSHA y la certificación de instalación de sistemas fotovoltaicos (por ejemplo, la certificación NABCEP).
4. Introducir herramientas digitales : utilice modelos BIM para la simulación de la construcción, drones para la inspección de la calidad de los cimientos y dispositivos IoT para el monitoreo remoto de los datos de puesta en servicio para mejorar la eficiencia y la precisión de la construcción.

A través de la gestión científica de la construcción y un estricto control de seguridad, los sistemas de alumbrado público solar pueden lograr su Vida útil de diseño de 25 años , brindando a los usuarios de América del Norte soluciones de iluminación ecológica confiables y eficientes.

Referencias :

1. OSHA. (2024). Normas de seguridad en la construcción (29 CFR 1926). Departamento de Trabajo de los Estados Unidos.
2. SEIA. (2024). Mejores prácticas para la instalación de alumbrado público solar . Asociación de Industrias de Energía Solar.
3. IESNA. (2020). Guía de diseño de iluminación vial (RP-8-20). Sociedad de Ingeniería de Iluminación.
4. NEC. (2023). Código Eléctrico Nacional (NFPA 70). Asociación Nacional de Protección contra Incendios.
5. Asociación Española de Científicos del Sector Público (AECIP). Cargas mínimas de diseño y criterios asociados para edificios y otras estructuras (ASCE 7-22). Sociedad Americana de Ingenieros Civiles.