Tras años de estudio, los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) de Estados Unidos han recopilado un conjunto de datos de 25.000 inversores fotovoltaicos en casi 2.500 empresas a escala comercial y de servicios públicos, en instalaciones fotovoltaicas situadas en 37 estados y territorios de Estados Unidos. Se trata de la Iniciativa de Datos de Rendimiento de Flotas Fotovoltaicas (PV Fleet), un proyecto de más de 5 millones de dólares cuyo objetivo es ofrecer una visión más clara del estado de la flota fotovoltaica del país norteamericano, así como determinar cómo afectan los factores ambientales externos al rendimiento y envejecimiento de los paneles solares.
Los sistemas fotovoltaicos (PV) están diseñados para funcionar durante una vida útil de 20, 30 o incluso 50 años. No obstante, las pequeñas pérdidas en la producción de energía a lo largo de su periodo de vida útil pueden sumar diferencias significativas. Estas diferencias pueden incluso determinar si un sistema opera con beneficios o con pérdidas. Sin embargo, los pequeños cambios en la producción de energía son difíciles de medir.
Aunque muchos estudios han examinado las tasas de degradación de campo de los módulos fotovoltaicos, esta iniciativa ha puesto en común los datos de muchas grandes instalaciones fotovoltaicas para crear un punto de referencia de rendimiento acumulativo y tasas de degradación de la flota fotovoltaica estadounidense.
Se espera que el rendimiento de todos los paneles solares se degrade con el tiempo debido a la exposición a los elementos. Sin embargo, una serie de factores impulsan la degradación y la tasa media de la pérdida de rendimiento fotovoltaico.
En 2022, en su primer hallazgo importante, el equipo de PV Fleet descubrió que la pérdida de rendimiento medio nacional era del 0,75% al año, lo que confirma valores similares reportados por estudios previos que analizaron conjuntos de datos más pequeños. Adicionalmente, el nuevo análisis descubrió que los sistemas en zonas de temperatura más cálida exhibían alrededor del doble de pérdida de rendimiento que en climas más fríos.
Los investigadores señalan que esta pérdida media en el rendimiento es un número crucial, ya que muestra que el conjunto de sistemas fotovoltaicos en Estados Unidos, en general, no está fallando de forma exagerada, sino degradándose a un ritmo modesto dentro de las expectativas. No obstante, los investigadores señalan que es importante cuantificar esta tasa con la mayor precisión posible, porque esta cifra se utiliza en casi todos los acuerdos de financiación de proyectos solares y proporciona orientación para la industria.
Afectación de los fenómenos meteorológicos sobre los paneles solares
Los fenómenos meteorológicos extremos (inundaciones, vientos fuertes, granizo, incendios forestales y rayos) pueden causar daños en los sistemas fotovoltaicos y, sin duda, contribuyen a la pérdida de rendimiento a largo plazo.
En un artículo científico publicado en el IEEE Journal of Photovoltaics, los investigadores cuantificaron los impactos del clima extremo en los paneles solares, comparando el rendimiento del conjunto de datos de los sistemas fotovoltaicos recogido por PV Fleet, con el mapa de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA, por sus siglas en inglés) de eventos climáticos extremos, así como el mapa interactivo del Índice de Riesgo Nacional de la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) que permite consultar el riesgo de granizo en los diferentes estados. Así, los investigadores estudiaron cómo el rendimiento de cada instalación solar se veía afectado cuando un fenómeno meteorológico extremo se produjo a menos de diez kilómetros de su ubicación.
De esta manera determinaron que, para la mayoría de los sistemas, el impacto a corto plazo de los fenómenos meteorológicos extremos es mínimo. En general, los apagones a corto plazo causados por condiciones climáticas extremas, como los módulos perturbados por fuertes vientos o inversores dañados por inundaciones, suponen un impacto mínimo en la mayoría de los sistemas solares. Durante el período 2008-2022, la duración media de la interrupción después de un evento climático extremo era de dos a cuatro días, lo que resulta en una pérdida media de solo el 1% en el rendimiento anual. Solo 12 sistemas de 6.400 experimentaron interrupciones mucho más largas, de dos semanas o más.
La mayoría de los apagones ocurrieron debido a inundaciones y lluvias, seguidas de condiciones climáticas relacionadas con el viento. Y la mayoría de los sistemas fotovoltaicos solo experimentaron una sola interrupción relacionada con el clima.
El clima acelera la degradación a largo plazo de los sistemas fotovoltaicos
Las interrupciones a corto plazo y las pérdidas de producción no son el único impacto de las condiciones climáticas extremas. El viento, el granizo y la nieve pueden provocar grietas en las células fotovoltaicas y otras formas de degradación del sistema fotovoltaico.
PV Fleet detectó una clara tendencia en el rendimiento a largo plazo de las instalaciones fotovoltaicas tras la exposición a fenómenos meteorológicos extremos. Después de eventos climáticos por encima de ciertos umbrales, granizo mayor de 25 milímetros de diámetro, vientos superiores a 90 kilómetros por hora o profundidades de nieve superiores a un metro, los sistemas mostraron mayores pérdidas de rendimiento anuales. Por debajo de estos umbrales, los sistemas experimentaron pérdidas de rendimiento similares a las de la media de los sistemas fotovoltaicos.
Incluso sistemas compuestos por módulos calificados a través de la Certificación Electrotécnica Internacional (IEC) 61215, el estándar de la industria que incluye una prueba de resistencia a impacto de granizo de 25 milímetros de diámetro, mostraron mayores tasas de pérdida de rendimiento cuando se expuso granizo de ese mismo tamaño en entornos naturales. Esto sugiere la necesidad de pruebas de granizo más rigurosas.
Mejores prácticas para contrarrestar los efectos climáticos
Los investigadores de PV Fleet consideran que los análisis de los datos recogidos no sugieren que los sistemas fotovoltaicos sean poco fiables o especialmente vulnerables a los fenómenos meteorológicos extremos. Sin embargo, señalan una serie de medidas que se pueden tomar para mejorar la calidad de los equipos y, especialmente, las mejores prácticas de instalación para aumentar la resiliencia ante fenómenos meteorológicos.
En primer lugar, señalan que para reforzar los sistemas fotovoltaicos frente a los impactos de las condiciones meteorológicas extremas, los fabricantes de módulos y las organizaciones de pruebas fotovoltaicas deben comprender los umbrales en los que los daños pueden ocurrir. Una vez determinado ese umbral de potenciales daños, la industria puede comenzar a diseñar para estas condiciones y, lo que es más importante, crear pruebas que someten a los paneles solares a tensiones realistas. Si bien el reciente desarrollo de una nueva prueba de granizo es un buen paso en esta dirección, los investigadores afirman que también se deben considerar estándares de prueba más rigurosos para cargas de viento y nieve.
En segundo lugar, los expertos del proyecto PV Fleet señalan que las instalaciones de alta calidad también son clave para aumentar la resiliencia frente a la meteorología. Apuntan que la estandarización de las prácticas de instalación, como el uso de pernos pasantes y montajes lo suficientemente lejos del borde de los techos en áreas propensas al viento, podría ayudar a mitigar impactos en el rendimiento del sistema.
Además, el personal de operación y mantenimiento de sistemas fotovoltaicos también debe ser consciente de los umbrales que pueden soportar los paneles fotovoltaicos ante condiciones climáticas extremas para que sepan cuándo analizar más a fondo los sistemas afectados.
Por último, los investigadores destacan que la industria debe ser consciente de que las tendencias recientes, como los módulos más grandes, las células más delgadas y el vidrio frontal más delgado pueden aumentar la vulnerabilidad del sistema si no se diseñan y testean adecuadamente. Armonizar los registros de operaciones y mantenimiento, y la supervisión de los activos fotovoltaicos permitirá la detección proactiva de la posible degradación causada por nuevos diseños de módulos, según señalan los expertos.
Para los investigadores del NREL, el siguiente paso es el desarrollo de un dispositivo que emplea la fotoluminiscencia para analizar los daños de los paneles solares. El dispositivo, denominado PLatypus, ilumina las células solares, que luego vuelven a emitir luz de vuelta a las cámaras del dispositivo. Las células dañadas brillarán menos y rápidamente, indicando así el estado de los paneles solares.
El dispositivo PLatypus está en desarrollo en el marco del Consorcio de Materiales de Módulos Duraderos (DuraMAT), financiado por la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), y dirigido por NREL.