Un grupo de investigación alemán ha desarrollado un método novedoso y no destructivo para cuantificar in situ la entrada de agua en módulos solares. La técnica utiliza espectroscopía de absorción en el infrarrojo cercano (NIRA, por sus iniciales en inglés), calibrada frente al contenido absoluto de agua medido mediante valoración Karl-Fischer (KFT), lo que permite a los inspectores determinar los niveles de humedad dentro de los módulos sin abrirlos.
“La metodología es no invasiva, no requiere modificaciones en la lista de materiales, como sensores adicionales, y es ampliamente aplicable a módulos desplegados en campo, siempre que se haya realizado una calibración previa”, dijo a pv magazine el autor correspondiente, Anton Mordvinkin. “A diferencia de los enfoques convencionales, no depende de supuestos como la ley de Henry ni de aproximaciones de propiedades de barrera en evolución o incertidumbres relacionadas con el microclima interno de un módulo”.
Mordvinkin dijo que el enfoque sienta las bases para un modelado más preciso de la entrada de humedad y mejora la fiabilidad de las predicciones de vida útil de los módulos. “Proporciona información práctica para que los fabricantes optimicen el diseño y la cualificación de productos resistentes a mecanismos de degradación inducidos por la humedad, incluida la degradación inducida por humedad (MID) y la degradación inducida por potencial (PID), particularmente en entornos exigentes como los sistemas fotovoltaicos flotantes y los climas tropicales, así como para tecnologías emergentes como las células tándem”, añadió.
También señaló que el método mejora la inspección de parques solares al permitir la identificación de módulos con deficiencias de aislamiento, lo que apoya medidas de mitigación específicas. “Estos avances contribuyen directamente a mejorar la bancabilidad de los activos y proporcionan una base técnica sólida para futuros procesos de garantía y reclamación”, dijo.
Mapeo y evolución de la entrada de agua.
Imagen: Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics (CSP), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, CC BY 4.0
El nuevo método consiste en exponer materiales poliméricos comúnmente utilizados en módulos fotovoltaicos a distintos niveles de humedad mediante ensayos de calor húmedo. Luego, cada muestra se mide mediante espectroscopía de absorción en el infrarrojo cercano (NIRA), en la que el agua se detecta por su fuerte absorción de luz infrarroja. Sin embargo, como NIRA proporciona solo una señal relativa, las mismas muestras se analizan posteriormente mediante valoración Karl-Fischer (KFT), una técnica que calienta el material y cuantifica con precisión la cantidad de agua liberada. Al correlacionar la señal NIRA con el contenido absoluto de agua determinado por KFT, los investigadores establecen curvas de calibración para cada material.
Los materiales ensayados incluyen encapsulantes como etileno-acetato de vinilo (EVA), elastómero de poliolefina (POE), poliolefina termoplástica (TPO) y poliuretano termoplástico (TPU), así como láminas posteriores como tereftalato de polietileno (PET), polipropileno (PP), poliamida-aluminio-poliamida (AAA), fluoruro de polivinilideno (PVDF) y PET recubierto con fluoropolímero.
El flujo de trabajo del nuevo método.
Imagen: Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics (CSP), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, CC BY 4.0
Una vez calibrado, un dispositivo portátil de espectroscopía NIRA puede utilizarse directamente en los módulos instalados. Para demostrar esta capacidad, el equipo de investigación probó minimódulos con láminas posteriores basadas en PET y PP bajo condiciones de calor húmedo, cupones poliméricos expuestos a envejecimiento acelerado por radiación ultravioleta (UV) y humedad, módulos en tejado que presentaban grietas en la lámina posterior y rastros de caracol, y módulos recuperados de campo con láminas posteriores AAA tanto agrietadas como intactas para comparar la entrada de humedad y el comportamiento de degradación en condiciones reales.
Los ensayos mostraron que los módulos basados en PET absorbieron más agua que los módulos basados en PP. En estudios de campo, los módulos con grietas en la lámina posterior y en las células presentaron hasta un 50% más de contenido de agua, mientras que los módulos con láminas posteriores AAA agrietadas absorbieron agua hasta diez veces más rápido que los módulos de referencia intactos.
“En este trabajo se halló que el mejor rendimiento de barrera del PP está determinado principalmente por su menor solubilidad en agua, mientras que los coeficientes de difusión de ambos materiales son comparables”, dijo Mordvinkin. “Esto proporciona una explicación mecanicista más detallada de las diferencias observadas anteriormente y coincide con las tendencias comunicadas en la literatura”.
“Otra observación particularmente reveladora es la presencia de una distribución no homogénea del contenido de agua en módulos con láminas posteriores gravemente degradadas tras una exposición prolongada al exterior de más de 7 años”, añadió. “La acumulación localizada de humedad aumentó significativamente en regiones con microgrietas celulares, que se correlacionan con patrones de rastros de caracol visualmente observables. Este hallazgo apunta a un acoplamiento entre la degradación mecánica y el comportamiento localizado de entrada de humedad”.
El nuevo método se presentó en “Nondestructive Quantification of Water Ingress in PV Modules via Spectroscopic and Chemical Analysis for Enhanced Quality Assurance and On-Site Inspection” (Cuantificación no destructiva de la entrada de agua en módulos fotovoltaicos mediante análisis espectroscópico y químico para una mayor garantía de calidad e inspección in situ.), publicado en Progress in Photovoltaics: Research and Applications. Investigadores del Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics (CSP), el Fraunhofer Institute for Microstructure and Systems (IMWS) y el Forschungszentrum Jülich, de Alemania, contribuyeron al estudio.
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