Clean Energy Associates ha investigado las roturas de vidrio en instalaciones solares a gran escala en tres continentes. Ha descubierto que no hay una única causa, sino una tormenta perfecta: vidrio más delgado combinado con atajos en el diseño, materiales en evolución y realidades sobre el terreno que someten a los módulos a un estrés superior al simulado en el laboratorio.
Durante años, la industria se basó en módulos de un solo vidrio fabricados con vidrio resistente y totalmente templado de 3,2 mm. Sin embargo, el impulso hacia los módulos bifaciales, combinado con el atractivo de los menores costos de los materiales y los perfiles más delgados, llevó a muchos fabricantes a adoptar diseños de doble vidrio de 2,0 mm utilizando vidrio reforzado térmicamente, pero no totalmente templado, en ambos lados.
En teoría, dos láminas de vidrio de 2 mm deberían igualar la resistencia de un panel más grueso. En la práctica, los módulos son ahora más frágiles. Estas láminas más delgadas no solo se flexionan, sino que se doblan y se curvan como trampolines cuando se someten a cargas de viento y al movimiento de los seguidores. Son más sensibles al lugar y la forma en que se sujetan. Si se empuja demasiado fuerte, demasiado cerca del borde, la tensión se acumula de forma invisible. Cuanto mayor es el formato del módulo, más pronunciados son estos problemas. Una mayor superficie significa más desviación, más vibración y más posibilidades de que pequeñas debilidades se conviertan en fracturas completas.
En el campo
Las mismas señales de alerta siguen apareciendo cuando CEA inspecciona sitios con roturas generalizadas. Las grietas tienden a aparecer cerca de los puntos de sujeción, en las esquinas o los bordes donde el marco ejerce presión sobre los tramos sin soporte.
Los módulos a menudo no muestran signos de impacto externo, solo una fractura repentina y aguda que atraviesa el vidrio. Algunos módulos llegan preestresados. Hemos visto curvaturas en el vidrio antes incluso de que el panel salga de la caja, probablemente introducidas durante el laminado o el enmarcado. Los módulos grandes vibran con el viento. En seguidores largos con correas flexibles, hemos medido sacudidas sutiles pero persistentes que amplifican la fatiga estructural con el tiempo.
En un caso, los fragmentos de vidrio literalmente salieron disparados de un módulo durante el mantenimiento rutinario semanas después de la fractura inicial. ¿La causa? Una combinación de tensión interna y un mal pulido de los bordes, sin que hubiera ninguna fuerza externa que culpar.
Informe de laboratorio
CEA ha recreado estas roturas en pruebas controladas y ha confirmado que incluso los módulos certificados para superar la norma de pruebas de módulos de la industria IEC 61215 pueden fallar bajo el estrés del mundo real.
Las pruebas de carga mecánica dinámica (DML), que simulan las ráfagas de viento y el movimiento, han revelado fallos que las pruebas de carga estática no detectan. Cuando se montaron en configuraciones realistas, incluyendo las correas subyacentes, algunos módulos se deslizaron de sus abrazaderas durante las pruebas o se agrietaron tras flexiones repetidas debido a la deflexión de la subestructura.
La fractografía apunta a las zonas de sujeción como epicentro de la tensión, especialmente cuando la separación entre las abrazaderas es reducida o los ajustes de par están desajustados. El vidrio trasero medía tan solo 1,9 mm en algunas muestras, lo que aún está dentro de las especificaciones, pero por muy poco. Las tolerancias marginales dejan poco margen para las peculiaridades específicas del emplazamiento.
Brecha en la certificación
Las normas actuales se diseñaron para los módulos de ayer. Aunque en 2021 se añadieron las pruebas dinámicas a la norma IEC 61215, aún no se aplican de forma generalizada. Cuando se aplican, a menudo no reproducen las configuraciones de montaje reales que se utilizan en los proyectos sobre el terreno.
La CEA ha observado casos en los que la posición de las abrazaderas en las pruebas de laboratorio difiere de la del terreno, lo que provoca concentraciones de tensión en zonas completamente diferentes.
La flexibilidad de la subestructura, especialmente en sistemas de gran envergadura montados en seguidores, introduce una torsión que las pruebas de certificación no tienen en cuenta. Los ajustes de par durante la instalación también varían significativamente en el campo y pueden crear tensiones no previstas en las zonas de las abrazaderas.
Como resultado, los módulos que superan las pruebas de la norma IEC 61215 pueden seguir fallando en su implementación real, no porque sean defectuosos, sino porque el régimen de certificación no refleja plenamente las realidades mecánicas de los sistemas solares actuales.
Incluso cuando todo lo demás parece correcto, los defectos ocultos pueden inclinar la balanza. En varias investigaciones, hemos encontrado pequeñas burbujas de aire o partículas extrañas incrustadas en el vidrio. Estas microcápsulas son invisibles a simple vista, pero pueden actuar como bombas de relojería, concentrando tensiones que debilitan el vidrio lo suficiente como para permitir que se propague una fractura.
En el caso del vidrio templado o reforzado térmicamente, la tensión superficial es normal. Sin embargo, hemos observado variaciones en esta tensión superficial, lo que indica que no todo el vidrio se fabrica de la misma manera. Los procesos de refuerzo térmico también pueden variar. Sin la trazabilidad en serie del vidrio en sí, es casi imposible rastrear estos problemas hasta un lote, una línea o un turno específicos. Eso hace que la prevención sistémica sea más difícil de lo que debería ser.
Cóctel de tensiones
La conclusión es que la rotura del vidrio no se debe a una sola causa, sino a cinco o seis factores que se dan al mismo tiempo: un módulo ligeramente doblado, abrazaderas ligeramente apretadas en exceso, tramos ligeramente mal apoyados, vidrio ligeramente más delgado, bastidores ligeramente flexibles.
Cada uno de estos factores podría ser soportable por separado, pero cuando se combinan con el estrés añadido de la temperatura, el viento y el granizo, pueden ser demasiado para que el vidrio los soporte.
Esto ya no es un misterio. El siguiente paso es aplicar ese conocimiento en toda la industria. Abordar estos riesgos requiere un esfuerzo coordinado por parte de los diseñadores y fabricantes, los EPC y los propietarios de activos.
La CEA recomienda:
- Hacer pruebas más realistas. Utilizar configuraciones de montaje específicas para cada proyecto. Incluir cargas dinámicas. Medir las tolerancias de deflexión y torsión en su contexto. Algunas deficiencias en las pruebas pueden requerir la actualización de las normas. Por ejemplo, actualmente no se incluye la tensión torsional, lo que puede resolverse añadiendo procedimientos que aún no están estandarizados.
- Sujete de forma más inteligente. Armonice el diseño y el espaciado de las abrazaderas con las propiedades reales del vidrio y el marco de los módulos modernos.
- Impulse una mejor trazabilidad. El vidrio merece el mismo escrutinio que las células y las obleas, incluyendo el seguimiento de los lotes y la transparencia de los procesos.
- Esté atento a los microdefectos. Ya se trate del acabado de los bordes, las inclusiones o la tensión de la laminación, estos deben ser examinados sistemáticamente. Incluya el recorte y el pulido de los bordes del vidrio, así como las inspecciones de los marcos, en sus programas de control de calidad, ya que las pequeñas impurezas en las piezas del marco pueden ser fatales para los bordes del vidrio.
- Trate el montaje como parte del diseño. No se trata solo del módulo, sino del sistema en el que se integra.
La promesa de los módulos de doble vidrio es real. Mayor longevidad, mejor protección contra la humedad, mayor rendimiento energético. Pero esos beneficios no se materializarán si seguimos subestimando las realidades mecánicas de los paneles de vidrio grandes y delgados montados en estructuras flexibles.
La energía solar está creciendo rápidamente y los sistemas que se instalan hoy en día estarán ahí durante 30 años o más. Asegurémonos de que el vidrio pueda durar tanto tiempo.
Acerca del autor
Jörg Althaus es director de ingeniería y servicios de control de calidad en Clean Energy Associates (CEA). Ingeniero eléctrico de formación, Althaus lleva más de 20 años supervisando inspecciones de equipos solares en desiertos, zonas de tifones y líneas de fábrica en cuatro continentes. Su trabajo actual se centra en identificar los riesgos sistémicos en el diseño de los módulos fotovoltaicos modernos, especialmente aquellos que pasan desapercibidos hasta que el vidrio se rompe.
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