Los módulos solares son cada vez más grandes, delgados y potentes. Pero desde Texas hasta Tailandia, el mismo problema se repite: vidrios rotos. No por granizo ni por mal manejo, sino por grietas que se extienden desde los bordes del marco, se astillan cerca de las abrazaderas y se entrelazan entre los módulos. En los casos que ha visto Jörg Althaus, director de ingeniería y control de calidad de Clean Energy Associates (CEA), el problema comienza con unos pocos paneles, luego con docenas, cientos e incluso miles.
Imagen: Kalhh
Clean Energy Associates ha investigado roturas de vidrios en plantas solares a gran escala en tres continentes. Ha descubierto que no existe una única causa raíz, sino una combinación perfecta: vidrios más delgados, atajos de diseño, materiales en evolución y realidades de campo que someten a los módulos a una tensión superior a la simulada en el laboratorio.
Durante años, la industria dependió de módulos de un solo vidrio fabricados con vidrio resistente y totalmente templado de 3,2 mm. Sin embargo, la tendencia hacia los módulos bifaciales, sumada al atractivo de los menores costos de material y los perfiles más delgados, llevó a muchos fabricantes a adoptar diseños de doble vidrio de 2,0 mm con vidrio termoendurecido, pero no totalmente templado, en ambas caras.
Dos láminas de vidrio de 2 mm deberían tener la misma resistencia que un panel más grueso, según el papel. En la práctica, los módulos ahora son más frágiles. Estas láminas más delgadas no solo se flexionan, sino que se doblan y arquean como trampolines al ser sometidas a cargas de viento y al movimiento del seguidor. Son más sensibles a dónde y cómo se sujetan. Si se presiona con demasiada fuerza, demasiado cerca del borde, la tensión se acumula de forma invisible. Cuanto mayor sea el formato del módulo, más pronunciados se vuelven estos problemas. Una mayor superficie implica mayor deflexión, más vibración y mayor posibilidad de que pequeñas debilidades se transformen en fracturas completas.
En el campo
Las mismas señales de alerta aparecen una y otra vez cuando el CEA inspecciona obras con roturas generalizadas. Las grietas tienden a originarse cerca de los puntos de sujeción, en esquinas o bordes donde la estructura ejerce presión sobre tramos sin soporte.
Los módulos a menudo no muestran señales de impacto externo, solo una fractura repentina y aguda que recorre el vidrio. Algunos módulos llegan pretensados. Hemos observado curvaturas en el vidrio que se forman incluso antes de que el panel salga de la caja, probablemente durante la laminación o el enmarcado. Los módulos grandes vibran con el viento. En seguidores largos con correas flexibles, hemos medido vibraciones sutiles pero persistentes que amplifican la fatiga estructural con el tiempo.
En un caso, fragmentos de vidrio literalmente se desprendieron de un módulo durante el mantenimiento rutinario, semanas después de la fractura inicial. ¿La causa? Una combinación de tensión interna y un pulido deficiente de los bordes, sin ninguna fuerza externa a la que atribuirla.
Informe de laboratorio
La CEA ha recreado estas roturas en pruebas controladas y ha confirmado que incluso los módulos certificados para pasar la norma de pruebas de módulos industriales IEC 61215 pueden fallar bajo estrés real.
Las pruebas de carga mecánica dinámica (DML), que simulan ráfagas de viento y movimiento, han revelado fallos que las pruebas de carga estática no detectan. Al montarse en configuraciones realistas de campo, incluyendo las correas subyacentes, algunos módulos se soltaron de sus abrazaderas durante las pruebas o se agrietaron tras flexiones repetidas debido a la deflexión de la subestructura.
La fractografía señala las zonas de sujeción como el epicentro de la tensión, especialmente cuando la separación entre las abrazaderas es estrecha o los ajustes de par son incorrectos. El vidrio trasero midió un espesor de hasta 1,9 mm en algunas muestras, aún dentro de las especificaciones, pero apenas. Las tolerancias marginales dejan poco margen para las peculiaridades específicas del sitio.
Brecha de certificación
Las normas actuales se diseñaron para los módulos antiguos. Si bien las pruebas dinámicas se incorporaron a la norma IEC 61215 en 2021, aún no se aplican ampliamente. Cuando se aplican, a menudo no replican las configuraciones de montaje reales que se utilizan en los proyectos de campo.
La CEA ha visto casos en los que las posiciones de las abrazaderas en las pruebas de laboratorio difieren de las de campo, lo que genera concentraciones de tensión en áreas completamente diferentes.
La flexibilidad de la subestructura, especialmente en sistemas de gran envergadura montados sobre seguidores, introduce torsión que las pruebas de certificación no tienen en cuenta. Los ajustes de par durante la instalación también varían significativamente en campo y pueden generar tensiones no contempladas en las zonas de sujeción.
Como resultado, los módulos que pasan las pruebas IEC 61215 aún pueden fallar en la implementación real, no porque sean defectuosos, sino porque el régimen de certificación no refleja completamente las realidades mecánicas de los sistemas solares actuales.
Incluso cuando todo parece correcto, los defectos ocultos pueden inclinar la balanza. En varias investigaciones, hemos encontrado diminutas burbujas de aire o partículas extrañas incrustadas en el vidrio. Estas microburbujas son invisibles a simple vista, pero pueden actuar como bombas de relojería: concentradores de tensión que debilitan el vidrio lo suficiente como para permitir que se propague una fractura.
En el caso del vidrio templado o termoendurecido, 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 termoendurecimiento también pueden variar. Sin la trazabilidad serial del vidrio, rastrear estos problemas hasta un lote, línea o turno específico es prácticamente imposible. Esto dificulta la prevención sistemática.
Cóctel contra el estrés
La conclusión es que la rotura del vidrio no es causada por una sola cosa, sino por cinco o seis cosas que suceden a la vez: un módulo ligeramente doblado, abrazaderas ligeramente sobreapretadas, tramos con soporte ligeramente insuficiente, vidrio ligeramente más delgado, estanterías ligeramente flexibles.
Cada uno de estos factores podría sobrevivir de manera aislada, pero cuando se combinan con el estrés adicional de la temperatura, el viento y el granizo, puede ser demasiado para que el vidrio lo soporte.
Esto ya no es un misterio. El siguiente paso es aplicar ese conocimiento a toda la industria. Abordar estos riesgos requiere un esfuerzo coordinado desde diseñadores y fabricantes hasta EPC y propietarios de activos.
La CEA recomienda:
- Haga las pruebas más realistas. Utilice configuraciones de montaje específicas para cada proyecto. Incluya la carga dinámica. Mida las tolerancias de deflexión y par en contexto. Algunas fallas en las pruebas pueden requerir la actualización de las normas. Por ejemplo, la tensión torsional no se incluye actualmente y podría solucionarse con procedimientos adicionales que aún no están estandarizados.
- Sujeción más inteligente. Armonice el diseño y la separación de las abrazaderas con las propiedades reales del vidrio y el marco de los módulos modernos.
- Impulsar una mejor trazabilidad. El vidrio merece el mismo escrutinio que las células y las obleas, incluyendo el seguimiento de lotes y la transparencia del proceso.
- Esté atento a los microdefectos. Ya sean el acabado de los bordes, inclusiones o la tensión de la laminación, estos deben revisarse sistemáticamente. Incluya el recorte y pulido de los bordes del vidrio, así como las inspecciones del marco, en sus programas de control de calidad, ya que las pequeñas impurezas en las piezas del marco pueden ser la causa de la destrucción de los bordes del vidrio.
- Considere el montaje como parte del diseño. No se trata solo del módulo, sino del sistema en el que se encuentra.
La promesa de los módulos de doble vidrio es real: mayor durabilidad, mejor protección contra la humedad y mayor rendimiento energético. Pero estos beneficios no se materializarán si seguimos subestimando las realidades mecánicas de los grandes paneles de vidrio delgados montados sobre estructuras flexibles.
La energía solar está creciendo rápidamente y los sistemas implementados hoy en día estarán disponibles durante 30 años o más. Asegurémonos de que el vidrio dure tanto tiempo.