Corrosión galvánica en estructuras metálicas de sistemas fotovoltaicos.

Los sistemas fotovoltaicos tienen una larga vida útil proyectada, típicamente de 25 años. Para asegurar la longevidad del proyecto, debemos estudiar y garantizar la durabilidad de todos los componentes individuales. Uno de los componentes más críticos en términos de durabilidad y seguridad es la estructura de montaje de los módulos fotovoltaicos.

Con diversas formas y aplicaciones, podemos encontrarlos instalados de muy diversas formas, en varios tipos de ambientes y expuestos a diferentes condiciones climáticas. Las estructuras pueden fallar de varias maneras posibles.

Las principales causas de los defectos son una instalación incorrecta, negligencia en los cálculos de tamaño (especialmente debido a la carga del viento), elección inadecuada del método de fijación, carga excesiva sobre la estructura y corrosión del material.

Este artículo pretende mostrar qué preocupaciones deben tener el diseñador e instalador a la hora de seleccionar una estructura y el método de fijación en relación con la durabilidad y resistencia a la corrosión del material.

Corrosión bimetálica o corrosión galvánica.

Llamamos corrosión galvánica al proceso electroquímico en el que dos metales en contacto inician un proceso de corrosión provocado por la transferencia de electrones en presencia de un electrolito. Todas las aleaciones metálicas tienen asociada una característica eléctrica, haciendo referencia a la facilidad con la que el metal cede electrones al entorno en el que se encuentra.

La facilidad que tiene un metal para ceder electrones se llama electropositividad, mientras que la tendencia a absorber electrones se llama electronegatividad. Según la nomenclatura utilizada en el campo de la química, el material con mayor electronegatividad tiene mayor potencial de reducción.

También se dice que el material más electropositivo tiene mayor reactividad, es decir, un material es más reactivo que otro (tiene mayor tendencia a perder electrones) cuando tiene mayor electropositividad.

Cuando un metal o aleación metálica entra en contacto con otra aleación con diferente electronegatividad, aparece un potencial eléctrico entre ambos materiales. Con la adición de un electrolito, que es un medio acuoso capaz de conducir iones y electrones, se forma una celda o batería galvánica.

Este es el mismo principio de funcionamiento que el de una batería común: dos metales distintos separados por un electrolito. La celda galvánica hace que fluya una corriente desde el material más electropositivo (ánodo) hacia el material más electronegativo (cátodo).

La aleación de metal anódico sufrirá corrosión, ya que el proceso de donación de electrones forma iones que pueden desprenderse del metal. Por ejemplo, una aleación de hierro que actúa como ánodo sufre la siguiente reacción química:

Fe → Fe²⁺ + 2e

Esta reacción elimina el hierro de la aleación metálica y lo pone a disposición del electrolito en forma de iones de hierro. El ion hierro se combina con el oxígeno del aire y provoca oxidación (óxido de hierro II y III principalmente). Mientras tanto, en el cátodo, el metal recibe los electrones cedidos por el ánodo.

La corrosión galvánica se produce significativamente cuando existe una diferencia de electronegatividad de las aleaciones en contacto superior a 0,5V. La siguiente tabla muestra los valores de electronegatividad con respecto al oro de las aleaciones metálicas más comunes.

Tabla 1 – Valores de electronegatividad de aleaciones comunes en relación al oro

La corrosión se vuelve más crítica si el área del ánodo es más pequeña que el área del cátodo. En este caso, el ánodo cede electrones a un área mucho mayor y por tanto ve acelerada su degradación.

Si un tornillo entra en contacto con otro material que lo convierte en ánodo, se corroe rápidamente, aumentando el riesgo de rotura y aflojamiento del agarre. En definitiva, para que se produzca corrosión galvánica es necesario que:

1. Existe un electrolito que conecta los dos metales: el electrolito en el caso de estructuras expuestas a la intemperie es agua, humedad del aire y aire del mar;
2. Contacto eléctrico entre los dos metales: si hay un aislante entre los dos metales, no habrá camino para que fluya la corriente galvánica, por lo tanto no se produce corrosión galvánica;
3. Una diferencia de electropositividad o electronegatividad superior a 0,5 V.

Protección galvánica contra la corrosión

Existen medidas para prevenir la corrosión galvánica de las estructuras metálicas. La primera medida, que no siempre es posible, es utilizar metales compatibles entre sí, es decir, con una diferencia de electronegatividad inferior a 0,5 V. No siempre es posible analizar con antelación cada combinación de metales utilizada en la estructura que se ensamblará en campo en las instalaciones del cliente.

Una segunda medida puede ser la selección de materiales de modo que el ánodo tenga un área mucho mayor que el cátodo. Cuando esto ocurre, la corrosión se reduce y puede llegar a ser insignificante, dependiendo de la relación entre las zonas y de la ausencia de electrolito (en regiones de clima seco, con poca humedad en el aire).

Si no es posible elegir materiales compatibles, una solución es asegurar que las partes metálicas de una estructura tengan algún tratamiento que evite la corrosión galvánica. Este tratamiento puede ser añadiendo una capa de zinc al acero, anodizando el aluminio o realizando tratamientos superficiales especiales.

La capa de zinc sobre acero galvanizado o acero galvanizado protege el acero del contacto con el oxígeno y otras fuentes externas de corrosión. El zinc también actúa como ánodo de sacrificio si se rompe esta barrera, cediendo electrones al acero y evitando que se desintegre.

La ubicación de la instalación es un factor determinante en la durabilidad de las estructuras galvanizadas. Esta influye directamente en el espesor del recubrimiento de zinc que se aplicará. Este se corroe con el tiempo y puede exponer el acero a la corrosión si no se mantiene el espesor correcto. La velocidad de corrosión del recubrimiento de zinc depende directamente del entorno en el que se encuentra y del metal que protege, como se muestra en la tabla a continuación.

Tabla 2 – Corrosión estimada de la capa protectora de zinc para cada tipo de metal en contacto y ambiente de instalación, en micrómetros por año

En regiones costeras u oceánicas, el problema de la corrosión de los metales se acentúa debido a la salinidad y alta humedad del ambiente, dos aspectos que favorecen la formación de electrolitos en las estructuras metálicas.

En la siguiente figura, vemos un ejemplo de corrosión acentuada por el rocío del mar en una zona costera. En concreto la fotografía muestra un caso de corrosión bimetálica por el contacto de los terminales de puesta a tierra con el marco del módulo fotovoltaico.

Normalmente, estos conectores están hechos de cobre, bronce (aleación de estaño y cobre) o latón (aleación de cobre y zinc), que tienen mayor electronegatividad que el aluminio. Al ser más electropositivo, el aluminio tiende a desintegrarse.

En algunos casos es posible realizar otro tipo de tratamientos superficiales o adoptar estrategias para aislar piezas metálicas incompatibles. Si los metales están aislados entre sí o del electrolito, ya no hay forma de que el ánodo ceda electrones al cátodo.

Este aislamiento puede ser químico (con el tratamiento superficial de las piezas) o físico (donde las piezas metálicas quedan separadas por un aislante). La solución física no siempre es viable, ya que puede representar un incremento en el coste de la obra y la necesidad de un mantenimiento más frecuente para comprobar la calidad del aislamiento.

Las aleaciones de aluminio se pueden proteger haciendo crecer una capa adicional de óxido en su superficie. El óxido que se forma actúa como aislante eléctrico, reduciendo así el flujo de corriente y la corrosión bimetálica al entrar en contacto con otra aleación.

El aluminio tratado de esta forma se denomina aluminio anodizado. Por su buena durabilidad y compatibilidad, el aluminio anodizado es el material más común en la construcción de marcos y estructuras de fijación de módulos fotovoltaicos. 

A pesar de sus ventajas, el aluminio es caro y, en algunos casos, puede sustituirse con éxito por el acero. sometidos a tratamientos superficiales anticorrosivos como galvanizado, fosfatado y pintura electroforética.

La capa protectora creada por los tratamientos superficiales debe evitar el contacto del material debido a la presencia de electrolito, típicamente formado por condensados, polvo, rocío, lluvia, residuos húmedos en contacto con metales, humedad del suelo y otros.

Con el aislamiento entre metales no se forma la celda galvánica, interrumpiéndose así el intercambio de electrones, la generación de iones y la corrosión galvánica. Un punto importante en los tratamientos sobre estructuras para sistemas fotovoltaicos es la protección UV (ultravioleta) compatible con el resto de componentes.

Las estructuras están expuestas y, por tanto, sujetas a un importante factor de riesgo a la hora de definir la protección contra la corrosión utilizada. Los tratamientos superficiales más habituales en la industria y que también se pueden aplicar en el segmento fotovoltaico, además de la galvanización tradicional, son la fosfatación y la electroforesis catódica.

El fosfatado es un tratamiento superficial muy utilizado en la industria del automóvil, que ofrece una buena protección anticorrosión y una buena adherencia a la pintura. La fosfatación se utiliza normalmente como preparación para un tratamiento superficial final, como es el caso de la electroforesis catódica (KTL), que añade una película de pigmentos orgánicos y confiere a las piezas metálicas una extraordinaria protección contra la corrosión.

Corrosión en estructuras de suelo y sistemas de puesta a tierra.

Todos los sistemas solares requieren conexión a tierra. En los sistemas implementados en el suelo, tenemos el metal de la estructura enterrado y la malla de puesta a tierra, que normalmente están hechos de diferentes metales y pueden corroerse entre ellos.

La rejilla de puesta a tierra suele estar hecha de cobre desnudo enterrado directamente en el suelo y la estructura metálica enterrada suele ser de aluminio o acero. Ambos metales en la estructura forman baterías galvánicas con el cobre, sin embargo la relación entre las áreas de los metales es tal que la corrosión provocada por la asociación es pequeña.

Para fines adicionales de fijación y durabilidad, los aceros aleados comúnmente se unen a zapatas de concreto enterradas. El hormigón forma una especie de película sobre el acero que reduce los efectos de la corrosión galvánica sobre el material.

Esto no elimina la preocupación por la corrosión galvánica, ya que las conexiones al sistema de puesta a tierra aún deben realizarse con metales compatibles. Los materiales también pueden sufrir otros procesos de corrosión relacionados con la acidez y composición del suelo.

Corrosión en sistemas fotovoltaicos

El diseñador e instalador debe tener cuidado al seleccionar la estructura para un sistema fotovoltaico. La corrosión de las estructuras en estos sistemas se produce principalmente por:

• Incompatibilidad entre los metales de la estructura, módulo y techo;
• Elegir tornillos incompatibles. Por ejemplo, tornillo de acero cincado en estructura de acero inoxidable;
• Daño a la capa anodizada de aluminio o acero galvanizado;
• Metales inadecuados para lugares con mucho aire salado.

Conclusión

La elección adecuada de los materiales para la construcción de estructuras de fijación es un factor importante para determinar la vida útil de los sistemas fotovoltaicos. Los tornillos, clips de puesta a tierra y piezas estructurales deben elegirse en función de la electronegatividad de cada material.

También se debe tener en cuenta el entorno de instalación. Las regiones oceánicas, con fuerte presencia de salinidad, pueden presentar corrosión acelerada de los materiales. En todos los casos es importante verificar el tipo de tratamiento utilizado por los fabricantes de estructuras, como el proceso KTL (electroforesis catódica), el proceso Geomet y otros.