Investigadores de la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes del Sur de Suiza han realizado una serie de pruebas para evaluar el impacto de bolas de hielo en módulos solares con el objetivo de mejorar las normas para medir su resistencia a la seguridad contra el granizo.
En el artículo «An experimental investigation of ice ball impact behavior to improve PV panel hailstone safety» (Una investigación experimental del comportamiento del impacto de bolas de hielo para mejorar la seguridad de los paneles fotovoltaicos ante el granizo), publicado en la revista International Journal of Impact Engineering, explican que en su análisis consideraron que las bolas de granizo natural pueden tener diámetros de entre 5 mm y 100 mm, con velocidades finales que alcanzan entre 10 m/s y 50 m/s.
También tuvieron en cuenta las distintas velocidades y temperaturas de las bolas de hielo utilizando una versión modificada de la barra de presión dividida de Hopkinson (SHPB), que se utiliza habitualmente para probar la respuesta dinámica tensión-deformación de los materiales. Se prepararon muestras esféricas de hielo con diámetros comprendidos entre 25 mm y 90 mm. Se utilizó una pistola de gas para alcanzar velocidades teóricas de 25, 50, 75 y 100 m/s. Se probaron cuatro temperaturas diferentes del hielo -4 ºC, -10 ºC, -20 ºC y -28 ºC.
«Se utilizaron tres configuraciones en total para medir las señales de la historia carga-tiempo del impacto de la bola de hielo», subrayan los científicos. «La primera consiste en una barra de aluminio de 30 mm de diámetro y 1,5 m de longitud, mientras que la segunda y la tercera consisten en una barra de aluminio de 3 m de longitud y 30 mm y 60 mm de diámetro, respectivamente. Las configuraciones más largas se utilizaron para aumentar el tiempo de registro de impulsos, evitando así la superposición de ondas reflejadas y probando bolas de hielo más grandes».
El grupo de investigación realizó más de 100 pruebas aplicando diversos diámetros, velocidades y temperaturas, con ensayos de impacto a 45º para examinar la influencia del ángulo de impacto. El análisis de los resultados de las pruebas mostró que el tamaño, la velocidad de impacto, la temperatura y el ángulo de colisión de las bolas de hielo influyen «significativamente» en la medición del impulso, ya que el aumento del tamaño y la velocidad de impacto están directamente relacionados con el aumento de la fuerza máxima y su tiempo asociado.
«Cuando la temperatura es más baja, la fuerza máxima es mayor y el tiempo máximo es más corto. Cuando se variaron los ángulos de colisión, la carga máxima (pico) se vio afectada por el ángulo de impacto, pero no el tiempo en que se produjo», explicaron los académicos. «Un análisis refinado, que incorpora tanto los efectos dinámicos, como la resistencia a la tracción en condiciones dinámicas, como los efectos del ángulo de impacto, revela una tendencia consistente, destacando el hecho de que los resultados de las pruebas a través de múltiples ángulos de impacto pueden ahora representarse con precisión dentro de los gráficos lineales (log-log), destacando la fiabilidad de la tendencia».
Los investigadores concluyeron que la caracterización dinámica y estática de las pruebas propuestas es muy difícil de conseguir y subrayaron que cada variación en la configuración de la prueba puede dar lugar a resultados diferentes. «Para reproducir el efecto en los paneles o lograr una comprensión más completa del problema, es necesario examinar el impacto en superficies menos rígidas», añadieron.
De cara al futuro, el grupo de investigación tiene previsto comparar las señales del historial de carga-tiempo generadas por impactos de bolas de hielo sobre una barra rígida de aluminio con las observadas en módulos fotovoltaicos equipados con sensores de deformación en su parte trasera.
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