¿De qué tamaño tiene que ser el granizo para dañar los sistemas fotovoltaicos?

Las recientes tormentas de granizo ocurridas en la Comunidad Valenciana y, más extremas aún, en el norte de Italia han llamado la atención sobre los daños que estos repentinos y violentos fenómenos atmosféricos pueden causar en las instalaciones fotovoltaicas. Si bien los vidrios que cubren los paneles fotovoltaicos deben pasar unos ensayos de impacto de granizo (Hail Impact Test, en inglés), que según la norma IEC 61215 deben soportar los impactos de estas bolas de hielo, es imposible resistir los granizos de más de 20 cm de diámetro que han caído en Italia.

Pero, ¿de qué tamaño tienen que ser los granizos para dañar un sistema fotovoltaico? ¿Cuál puede considerarse el umbral crítico a partir del cual los daños pasan a ser importantes?

Un estudio de 2019 de la Vrije Universiteit Amsterdam (VUA), en Países Bajos, examinó los datos de siniestros de seguros de una granizada histórica ocurrida en los Países Bajos en junio de 2016, y llego a la conclusión de que los módulos solares resultan dañados por granizos de un tamaño de a partir de tres centímetros, según muestra “The vulnerability of solar panels to hail”.

Las grietas no visibles -llamadas microfisuras- no se forman en la capa de vidrio frontal, sino en el silicio, lo que no provoca una reducción del rendimiento inicialmente. Sin embargo, al cabo de unos meses, las zonas dañadas pueden mostrar un rápido descenso del rendimiento, y al cabo de aproximadamente un año las microfisuras también se hacen visibles en el exterior del módulo solar y reduce su vida útil.

El tamaño no es lo que más importa

El estudio “Inside the Hail Stress Sequence for PVEL’s PV Module Product Qualification Program”, de la empresa de calidad PV Evolution Labs (PVEL) que es parte del grupo Kiwa, afirma que el factor más importante de los daños por granizo es la energía de impacto, o energía cinética, esto es, “la cantidad de fuerza que el granizo ejerce sobre un objeto y cómo éste es capaz de reaccionar”.

Las variables que afectan a la energía de impacto son el tamaño del granizo, su masa y densidad, la velocidad a la que impacta y el ángulo de incidencia.

“Mientras que los meteorólogos se centran en el diámetro a la hora de evaluar la gravedad de una tormenta, el granizo natural no es uniformemente esférico. La superficie de dos piedras de granizo natural con el mismo diámetro puede variar sustancialmente dependiendo de su forma”, explican desde PVEL. Así, el granizo de menor diámetro puede ser más denso y destructivo que el de mayor tamaño, que puede pesar menos.

Por otro lado, el granizo puede caer a velocidad terminal, que es la velocidad máxima alcanzable de un objeto al caer bajo la fuerza de la gravedad. Sin embargo, los vientos, así como las diferencias de presión atmosférica, densidad y superficie, pueden modificar la velocidad del granizo en el momento de su eyección y, por tanto, aumentar o disminuir su energía de impacto.

Finalmente, el ángulo de incidencia del granizo influye en la dirección y la distribución de la fuerza del impacto en la superficie del módulo: “Un módulo montado a 0° estará sometido a una mayor energía de impacto y sufrirá más daños que el mismo módulo colocado con una inclinación de 30° o 60°”, explican.

El grosor del vidrio, elemento decisivo

Un estudio más reciente, “Analysis of the hail impacts on the performance of commercially available photovoltaic modules of varying front glass thickness”, publicado en de febrero de 2023 en Renewable Energy, ha probado las directrices prescritas por la norma IEC 61215-2:2016/ y IS 14286: 2019 en tres módulos fotovoltaicos con diferentes espesores del vidrio frontal, 2,8 mm, 3 mm, 4 mm. El tamaño del granizo se ha variado de 25 mm a 55 mm, la variación del peso de la bola de hielo es de 7,5 gm a 80 gm, y la variación de la velocidad de la bola de hielo es de 23 m/s a 34 m/s.

Tras de cada ronda de la prueba de granizo,  los investigadores han sometido las muestras a las pruebas de condición de prueba estándar (STC), prueba de aislamiento (IT) y prueba de corriente de fuga húmeda (WLCT). Además de medir la producción de energía eléctrica, se ha realizado una inspección por electroluminiscencia (EL) de las grietas del módulo fotovoltaico.

Los resultados muestran que, en caso de granizo, la fuerza de excitación ejerce un efecto irreversible y continuo sobre los módulos fotovoltaicos que puede reducir su potencia. El análisis paramétrico revela que el grosor del vidrio de 4 mm es suficiente para soportar daños graves; la muestra 3 solo pierde un 1,1% de su potencia en comparación con el valor inicial. Sin embargo, las muestras 1 y 2 pierden un 21,8% y un 11,74%, respectivamente.

Por otro lado, la resistencia aislante de las muestras parece disminuir con cada ronda de pruebas, y es del 55,25%, 46,81% y 27,23% para para las muestras 1, 2 y 3, respectivamente.

“De acuerdo con los resultados, los paneles solares con un grosor de vidrio frontal de 3,2 mm son ejemplares cuando son golpeados por granizo de hasta 35 mm de diámetro a una velocidad de 27 m/s”, explican los autores. “Sin embargo, en las zonas propensas al granizo, los instaladores deberían elegir módulos fotovoltaicos con un grosor de vidrio frontal de 4 mm o superior para minimizar o eliminar los daños causados por el granizo”, añaden.

Existe, además, un riesgo añadido en los módulos bifaciales: “Los módulos de doble vidrio, es decir, prácticamente todos los bifaciales que hay, tienen un grosor de 2:2, es decir, 2 mm por la cara frontal y otros por la cara trasera; y además, no es vidrio fully tempered, sino semitemplado o reforzado térmicamente, con lo cual, están mucho más expuestos”, dice a pv magazine Asier Ukar, director en España de PI Berlin, parte de Grupo Kiwa. “No obstante, como contrapartida, el sistema de célula partida y multibusbars mitiga la perdida de performance debido a daños mecánicos”, concluye.

Pruebas más fiables que pocos fabricantes quieren

Por otro lado, los científicos señalan que la norma IEC 61215 contiene la posibilidad de realizar experimentos que empleen bolas de hielo más grandes moviéndose a mayor velocidad para simular eventos de granizo más severos, “pero la mayoría de los fabricantes no optan por ello”.

“Los fabricantes aún no han determinado el tamaño máximo de bola de hielo que pueden soportar sus módulos, y estos todavía tienen que someterse a pruebas de laboratorio para la frecuencia cada vez mayor de granizadas severas y muy severas”, afirman, pues, aunque el cristal parezca ileso, “los daños imprevistos en las células solares del módulo son otro problema clave para las aseguradoras y los propietarios de los proyectos”, explican.

Además, por otro lado, la prueba IEC 61215 no requiere un examen posterior al impacto de las microgrietas de las células después de que las 11 bolas de hielo hayan sido disparadas contra el módulo, lo que podría revelar daños que no son visibles con la técnica de prueba existente. Las microfisuras pueden reducir la potencia del módulo fotovoltaico y crear puntos calientes (hot spot) y fuego. Como los proveedores de módulos no ofrecen garantía contra los daños del granizo, los propietarios de los proyectos y los inversores tienen que asumir el riesgo.

“Así pues, tal y como exige la norma IEC 61215, los propietarios de los proyectos pueden exigir pruebas de impacto de granizo más exigentes, que pueden cuantificar parcialmente el riesgo de daños y pérdidas económicas en caso de granizada en la práctica”, recomiendan los autores.

En un próximo artículo, analizaremos cómo responden las compañías de seguros a los daños causados por granizo, qué se debe tener en cuenta al contratar una póliza y qué cobertura cabe esperar según la ubicación de la planta.