¿Por qué el vidrio a veces se rompe en los paneles solares bifaciales?

En los paneles solares bifaciales, se utilizan los 2 láminas de vidrio (frontal y trasera) que permite capturar radiación en ambas caras del módulo. Sin embargo, cuando existe diferencia de espesor entre el vidrio frontal y el trasero, diferente composición y/o tratamiendo, o espesores menores a 2 mm, se generan tensiones mecánicas adicionales debido a variaciones en la forma en que cada lamina se calienta, se expande y disipa el calor.

¿Por qué en ocasiones se rompe el vidrio posterior de los paneles solares?

En la actualidad, los módulos vidrio-vidrio vienen con láminas frontales y posteriores de espesor ≤ 2mm, cuando hasta hace poco tiempo eran de entre 3 y 4mm. Esto provoca desafíos mecánicos y problemas de roturas de vidrio en sistemas fotovoltaicos con módulos actuales.

Hay varias motivos por los que el vidrio posterior de los paneles solares se puede romper y que resumimos a continuación.

• Desajuste térmico: Cuando el vidrio trasero es más fino, este varía su temperatura con mayor rapidez, expandiéndose o contrayéndose antes que la lámina frontal. Por ejemplo.
  • Vidrio Trasero (2 mm): Menor masa, puede calentarse y enfriarse más rápido.
  • Vidrio Frontal (2,5 mm): Más grueso, retiene calor más tiempo y tiene distinta rigidez.
• Desfase en la expansión: Incluso si el coeficiente de dilatación (expansión) es igual, la forma de disipar calor y el gradiente térmico interno difieren entre un vidrio más grueso y otro más delgado. Al aumentar la temperatura de operación, es posible que el vidrio frontal dilate ligeramente más lento (pero con mayor fuerza interna) y el trasero experimente dilataciones y contracciones más rápidas.
• Tensiones en los bordes: Como el panel está laminado y sellado, las tensiones se concentran en bordes y esquinas del panel. Al repetirse ciclos de calor-frío, es más factible que surjan microroturas.
• Resistencia mecánica por diferente tratamiento: Si la lámina frontal es vidrio templado (completamente templado) y la trasera es vidrio semitemplado o "Heat Strengthened Glass", la trasera podría tener menor resistencia a impactos o esfuerzos repetitivos por estrés térmico. Aunque ambas tengan coeficientes de dilatación similar, la diferente capacidad de resistir tensiones bajo calor y choque térmico aumenta el riesgo de rotura en la parte trasera.
• Diferente composición: Si el material de composición del vidrio frontal es diferente del vidrio trasero, tienen diferente CTE (Coeficiente de expansión) y puede generar tensiones y roturas.
• Cargas de Viento/Nieve: Fuertes ráfagas de viento o acumulaciones de nieve sobre los paneles solares pueden superar los límites de flexión tolerable en un vidrio de menor espesor.

En la práctica, el vidrio fino (cundo tiene un espesor ≤ 2 mm) utilizado en los nuevos módulos de vidrio/vidrio a veces da lugar a en tasas de rotura superiores al 5% y el 10% en el vidrio trasero en módulos en los dos primeros años tras su instalación.

¿Cuál es el tipo de rotura de vidrio más frecuente en paneles solares vidrio-vidrio?

Los casos más frecuentes de roturas en módulos vidrio-vidrio se suelen resumir en los siguientes casos.

• Fracturas Espontáneas: A veces el vidrio se rompe sin que haya impacto mecánico directo, lo que sugiere defectos internos que, con cargas o tensiones térmicas, se manifiestan repentinamente en forma de rotura del vidrio afectado.
• Fallas en bordes y esquinas: En las esquinas y los bordes del panel es donde se concentran los mayores esfuerzos y tensiones mecánicas, especialmente cuando la calidad y el proceso de fabricación no ha contemplado esto y no dispone de espacios para absorber esta expansión.
• Fallo instantáneo por impacto: Un golpe menor (herramienta que cae, granizo, pisar el panel... ) puede fracturar un vidrio delgado (≤ 2mm) si su rigidez y calidad es insuficiente.

¿Qué dicen las pruebas IEC 61215 respecto a la tasa de roturas de paneles vidrio-vidrio?

Las pruebas de carga mecánica en la IEC 61215 se suelen hacer con uno o dos módulos por nivel de carga (por ejemplo., 5400 Pa).

Aunque el módulo ensayado supere este test, el problema real en la práctica es que el test se hace con esos uno o dos muestras y que no se tiene en cuenta una continuidad en defectos o variaciones de producción que pueden darse en fabricaciones posteriores.

Ejemplo de Cálculo de Expansión y Tensiones

Vamos a suponer dos láminas de vidrio que tienen la misma longitud inicial (1,0 m) y el mismo CTE (9 x 10 ^-6 K^-1) pero distinta masa y espesor:

• Vidrio Frontal: 2,5 mm de espesor
• Vidrio Trasero: 2 mm de espesor

Si la temperatura superficial pasa de 20 °C a 60 °C (incremento de 40 K), teóricamente la expansión lineal en ambos sería la siguiente.

ΔL _vidrio= 9 x 10 ^-6 x 1.0m (60-20) = 0,36 mm

A primera vista, no se aprecia diferencia alguna, pues el CTE y la longitud son idénticos. Sin embargo si hay matices a tener en cuenta a continuación.

1. Vidrio Grueso vs. Delgado: El vidrio de 2,5 mm acumula más inercia térmica y podría expandirse un poco más lento o retener más calor, generando diferentes dilataciones al enfriarse de noche.
2. Rigidez Diferente: El vidrio más grueso soporta esfuerzos con distinta elasticidad, creando tensiones de cizallamiento con el encapsulante.
3. Montaje y Soporte: Si el marco o los soportes no permiten micro-deformaciones, el vidrio más grueso puede empujar o tensar al más fino (o viceversa).
4. Diferente temperatura: El vidrio frontal está expuesto a mayor radiación (por ende mayor temperatura) que el vidrio posterior. Por lo a igualdad de espesores, la dilatación de ambas láminas será diferente y genera una tensión extra.

Cuando hay un cambio brusco de temperatura (por ejemplo, pasamos de 20ºC a 60ºC) puede suceder lo siguiente cuando los espesores del vidrio son diferentes.

• El vidrio más fino reacciona con mayor rapidez.
• El vidrio más grueso, retiene calor y se expande/contrae de forma más retardada.
• Si el marco o las interconexiones no admiten esa diferencia de deformaciones, se generan tensiones que a largo plazo debilitan el vidrio y puede romperse.

Por supuesto, si un panel solar monta un vidrio de un material en su parte frontal, y el vidrio posterior es de otro tipo de material, las diferencias en el coeficiente de CTE puede también provocar tensiones y roturas por diferentes expansciones y dilataciones de cada cara.

¿Qué soluciones existen para minimizar las posibilidades de rotura del vidrio de los paneles solares bifaciales?

Aparte de comprar paneles FV de alta calidad para evitar problemas, existen otras pautas recomendables para minimizar las posibilidades de rotura que resumimos a continuación.

• Espesores similares: Tratar de mantener ambos vidrios con espesores muy próximos o idénticos para reducir desequilibrios térmicos.
• Encapsulantes flexibles: Materiales que toleren deformaciones y disipen tensiones internas.
• Control de temperatura: Evitar montajes que limiten la circulación de aire; permitir disipación de temperatura homogénea.
• Diseño de marco adecuado: Un marco que deje cierto margen de dilatación minimiza la aparición de grietas en la lámina trasera.
• Mismos tratamientos: Recomendable que ambos vidrios tengan el mismo tratamiento de templado.
• Calificación exhaustiva de materiales en fábrica: El fabricante deber incluir ciclos de carga que simulen mejor la distribución real de tensiones (p. ej., carga dinámica o repetida) y evaluar un grupo mayor de muestras.
• Mejora en los bordes: Un pulido o corte láser de alta calidad reduce las posibilidades de microfisuras en el borde del vidrio.
• Vidrio ligeramente más grueso: En módulos de gran formato o mayor potencia, usar un espesor algo mayor puede ser beneficioso para equilibrar costo, peso y robustez.