La energía solar fotovoltaica flotante (FPV) ha experimentado en la última década una expansión sin precedentes. A finales de 2024, la capacidad instalada global de FPV alcanzó los 9,1 GW, lo que representa un incremento de más de 17 veces desde 2017. Este crecimiento responde a un conjunto de ventajas que hacen de esta tecnología una opción cada vez más atractiva: la eliminación de la competencia por el uso del suelo —especialmente relevante en regiones con alta densidad de población y terreno escaso o costoso—, la reducción de los costes de preparación del terreno, la posibilidad de hibridación con plantas hidroeléctricas o eólicas marinas, y el potencial beneficio de reducir la evaporación del agua al bloquear la radiación solar sobre la superficie.
Sin embargo, a pesar de este crecimiento vertiginoso, persiste una incertidumbre fundamental en torno a la fiabilidad de los sistemas FPV. El mercado de esta tecnología muestra una notable impredecibilidad en sus proyecciones futuras: mientras que en 2023 se pronosticaban 60 GW de capacidad instalada para 2030, en 2024 esa cifra se redujo a menos de la mitad. Esta volatilidad en las previsiones refleja, en buena medida, la falta de información sólida sobre la fiabilidad a largo plazo de los sistemas FPV.
La industria y la literatura científica han asumido tradicionalmente que los módulos FPV, al operar sobre el agua, están expuestos a niveles de humedad significativamente más altos que sus homólogos terrestres (GPV), lo que aceleraría los procesos de degradación asociados a la humedad. Esta suposición ha llevado a recomendar pruebas de estrés más severas, incluyendo ensayos de calor húmedo extendidos, pruebas de congelación por humedad, e incluso pruebas de inmersión en agua. Pero, ¿es realmente cierta esta suposición? ¿Están los módulos FPV condenados a sufrir un mayor estrés por humedad simplemente por estar instalados sobre el agua?
Un estudio pionero publicado en la revista Solar Energy por Nathan Roosloot y un equipo internacional de investigadores procedentes de Noruega, Estados Unidos, Suecia, Nueva Zelanda, Canadá, Italia y otros países, ha abordado esta cuestión con un enfoque riguroso y sistemático. El trabajo, titulado «Comparison of humidity-induced stress levels between floating and ground-mounted photovoltaics», representa el primer estudio que compara de manera sistemática los niveles de estrés por humedad entre instalaciones FPV y GPV en diferentes climas. Como señala el autor correspondiente, Nathan Roosloot: «Este trabajo es el primer estudio que compara sistemáticamente los niveles de estrés inducido por humedad sobre agua y tierra en distintos climas». El objetivo es claro: avanzar en la comprensión de la fiabilidad de los módulos FPV y proporcionar la base científica necesaria para desarrollar protocolos de prueba específicos y criterios de selección de materiales, aspectos ambos «imperativos para el crecimiento continuo del mercado FPV».
1. Fundamentos de la degradación inducida por humedad en módulos fotovoltaicos
1.1. Mecanismos de degradación asociados a la humedad
La humedad es uno de los principales factores de estrés para los módulos fotovoltaicos. Cuando la humedad relativa alrededor del módulo es elevada, se produce la entrada de humedad (moisture ingress) en el interior del encapsulante, lo que desencadena varios mecanismos de degradación que pueden comprometer la vida útil del sistema.
La delaminación es uno de los fenómenos más estudiados. La humedad debilita la adhesión entre las capas del módulo, provocando la separación de los materiales que lo componen. Este proceso no solo reduce la eficiencia óptica del módulo, sino que también facilita la entrada de más humedad y contaminantes, creando un ciclo de degradación acelerada.
La corrosión constituye otro mecanismo crítico. La presencia de agua, combinada con el ácido acético generado por la degradación del encapsulante de etileno-vinil acetato (EVA), ataca los contactos metálicos y las propias células solares. Este fenómeno es particularmente relevante en los módulos que utilizan tecnología de células de contacto pasivado por óxido de túnel (TOPCon) y heterounión de silicio (SHJ), tecnologías que se espera se conviertan en las más populares en la próxima década y que son especialmente sensibles al estrés inducido por humedad.
La degradación inducida por potencial (PID) es otro mecanismo en el que la humedad juega un papel facilitador. La presencia de humedad en el encapsulante permite la migración de iones a través del módulo, lo que reduce drásticamente el rendimiento eléctrico del sistema. Este fenómeno ha sido identificado como una de las principales causas de degradación en módulos instalados en climas cálidos y húmedos.
1.2. La física de la entrada de humedad: difusión y solubilidad
La entrada de humedad en un módulo fotovoltaico es un proceso físico que puede describirse mediante la segunda ley de Fick para la difusión:
donde C representa la concentración de humedad y D es el coeficiente de difusividad. Sin embargo, la aplicación de esta ley a los módulos fotovoltaicos presenta complejidades adicionales. Los módulos están compuestos por materiales con propiedades muy diferentes —vidrio, encapsulantes poliméricos, células semiconductoras y backsheets—, lo que requiere la imposición de condiciones de contorno específicas en las interfaces entre materiales. La ley de Henry establece la relación entre la concentración en el material y la presión parcial de vapor en el aire circundante:
donde S es el coeficiente de solubilidad. Tanto la difusividad como la solubilidad dependen de la temperatura mediante una relación de tipo Arrhenius:
Esta dependencia térmica es fundamental, ya que implica que la entrada de humedad no es un proceso constante, sino que varía significativamente con las condiciones ambientales.
1.3. Materiales de encapsulado y su comportamiento frente a la humedad
La elección del material de encapsulado es uno de los factores más determinantes en la resistencia de un módulo a la entrada de humedad. El EVA (etileno-vinil acetato) ha sido durante décadas el material de encapsulado predominante en la industria fotovoltaica debido a su bajo coste y buenas propiedades ópticas. Sin embargo, el EVA presenta una susceptibilidad significativa a la humedad. El ácido acético generado durante su degradación puede acelerar la corrosión de los contactos metálicos, y su coeficiente de difusividad relativamente alto permite una entrada de humedad más rápida.
El POE (poliolefina) ha emergido como una alternativa superior en aplicaciones donde la resistencia a la humedad es crítica. Aunque su coste es más elevado, el POE ofrece una mayor resistencia a la entrada de humedad y a la PID, lo que lo convierte en una opción atractiva para sistemas FPV.
La arquitectura del módulo también influye decisivamente en la entrada de humedad. Los módulos de arquitectura vidrio-vidrio presentan una resistencia superior, ya que la humedad solo puede penetrar por los laterales del módulo. En contraste, en los módulos vidrio-backsheet toda la cara posterior está expuesta, lo que facilita una entrada de humedad mucho más rápida.
2. Metodología del estudio
2.1. Recopilación de datos meteorológicos
El estudio de Roosloot y colaboradores se basa en el análisis de datos meteorológicos de siete masas de agua continentales y sus estaciones terrestres cercanas, obtenidos a través de la Global Lake Ecological Observatory Network (GLEON), una de las principales redes internacionales para el intercambio de mediciones in situ de alta calidad en cuerpos de agua. Los sitios analizados incluyen lagos en Suecia (Stortjärn, Erssjön y Erken), Noruega (Lake Almbergasjön), Estados Unidos (Lake Washington), Canadá (Harp Lake) y Nueva Zelanda (Lake Taupō).
Un aspecto crítico en la selección de los sitios fue la necesidad de disponer de al menos un año completo de datos en todas las estaciones, para eliminar cualquier sesgo estacional en las comparaciones. Esta exigencia limitó el número de sitios disponibles, pero garantizó la robustez de los análisis. Todos los sitios seleccionados se encuentran en climas relativamente fríos —polares, continentales y templados—, una limitación que los propios autores reconocen y que abre la puerta a futuras investigaciones en climas más cálidos.
Los datos recopilados incluyeron temperatura del aire, humedad relativa, velocidad del viento y temperatura del agua superficial, todos ellos medidos in situ en lugar de recurrir a productos satelitales o de reanálisis. Esta decisión fue crucial, ya que los productos de reanálisis no pueden resolver las diferencias locales entre áreas acuáticas y terrestres cercanas debido a su limitada resolución espacial.
2.2. Cálculo de la temperatura y humedad del módulo
Para la determinación de la temperatura del módulo, los investigadores emplearon el modelo de Faiman con un término de pérdida radiativa:
donde Gpoa es la irradiancia en el plano del módulo, F es el factor de vista, ϵϵ la emisividad del vidrio, σ la constante de Stefan-Boltzmann, qdrqdr la radiación térmica descendente, y u0 y u1 los componentes del coeficiente de pérdida de calor. La inclusión del término de pérdida radiativa permite una modelización más precisa de las temperaturas del módulo durante condiciones de baja o nula irradiancia, un aspecto importante para cuantificar correctamente el estrés por humedad.
A partir de la temperatura del módulo, la humedad relativa en la superficie del mismo se calculó mediante:
donde psat(Ti) es la presión de saturación a la temperatura Ti, calculada utilizando la ecuación de Arden-Buck de 1996. Esta ecuación permite que la humedad relativa en el módulo supere el 100%, situación en la que se produce condensación y que fue tratada limitando los valores a ese umbral.
2.3. Modelización de la entrada de humedad mediante elementos finitos
Para cuantificar el estrés inducido por humedad, los investigadores desarrollaron un modelo de entrada de humedad tridimensional utilizando el método de elementos finitos (FEM) con el software SiSim, desarrollado internamente. El modelo se basó en la segunda ley de Fick y asumió que la presión parcial de vapor es continua en todas las interfaces internas y externas del módulo.
Se simularon dos arquitecturas de módulo con diferente resistencia a la entrada de humedad. La arquitectura con mayor resistencia era un módulo vidrio-vidrio con encapsulante de POE, donde la humedad solo puede penetrar por los laterales. La arquitectura con menor resistencia era un módulo vidrio-backsheet con encapsulante de EVA y un backsheet compuesto únicamente de Tedlar, donde toda la cara posterior está expuesta a la entrada de humedad.
Los coeficientes de solubilidad y difusividad de todos los materiales se asumieron con una dependencia de tipo Arrhenius respecto a la temperatura. Las dimensiones del dominio computacional se basaron en módulos comerciales típicos de silicio cristalino, y el dominio final consistió en 42.480 elementos, proporcionando una resolución espacial suficiente para capturar los gradientes de concentración de humedad.
Las simulaciones se extendieron durante 25 años de exposición, repitiendo las series temporales de datos hasta cubrir ese período. El resultado final fue la concentración absoluta de humedad en función del tiempo en el punto medio del encapsulante, directamente sobre el centro geométrico de una célula situada cerca del centro del módulo.
3. Resultados principales
3.1. Temperaturas y humedades: similitudes y diferencias
El análisis de los datos ambientales reveló que las temperaturas del aire sobre el agua y sobre la tierra son notablemente similares, con diferencias medias absolutas inferiores a 2 °C en todos los sitios analizados. Las temperaturas del módulo, calculadas a partir de los datos ambientales y de irradiancia, mostraron un comportamiento comparable, con diferencias medias agua-tierra de entre -1,6 y 1,1 °C.
Sin embargo, la humedad relativa presentó un panorama más complejo. A diferencia de lo que la intuición podría sugerir, la humedad relativa sobre las superficies acuáticas podía ser mayor o menor que sobre la tierra, con diferencias medias absolutas de hasta 9 puntos porcentuales dependiendo de la ubicación. En algunos sitios, la humedad era mayor sobre el agua; en otros, ocurría lo contrario. Este hallazgo desafía directamente la suposición comúnmente aceptada de que los niveles de humedad son universalmente más altos sobre el agua que sobre la tierra.
Una diferencia significativa se observó en las fluctuaciones diurnas. Sobre la tierra, las oscilaciones diarias de temperatura y humedad relativa eran notablemente mayores que sobre el agua. Los investigadores atribuyeron este fenómeno al efecto estabilizador de los cuerpos de agua, cuya elevada capacidad calorífica y almacenamiento de calor reducen las variaciones térmicas diurnas en el aire que los sobrepasa. Esta menor fluctuación diurna de temperatura sobre el agua podría, a su vez, reducir el estrés termomecánico en los módulos FPV, disminuyendo las tasas de degradación asociadas a ciclos térmicos como la rotura de soldaduras.
3.2. El hallazgo clave: menor estrés por humedad en FPV
El descubrimiento más relevante del estudio, y aquel que ha generado mayor atención en la comunidad científica, es que los contenidos de humedad interna modelados fueron casi siempre mayores en los módulos terrestres (GPV) que en los flotantes (FPV). Las concentraciones medias de humedad en los módulos GPV fueron hasta un 37% superiores a las de los módulos FPV en los sitios analizados.
Este resultado es particularmente sorprendente porque invierte la lógica que había guiado hasta ahora el diseño y las pruebas de los sistemas FPV. Como señala el propio Roosloot: «El resultado más sorprendente de esta investigación es que los niveles de estrés inducido por humedad no son necesariamente peores sobre el agua que sobre la tierra«.
La explicación de este fenómeno reside en la interacción entre temperatura y humedad. Aunque la humedad relativa puede ser similar o incluso ligeramente superior sobre el agua, las temperaturas de los módulos FPV tienden a ser ligeramente más bajas debido al efecto refrigerante del agua. Dado que la difusión de humedad es un proceso térmicamente activado —es decir, se acelera con la temperatura—, esta pequeña reducción de temperatura puede tener un efecto significativo en la entrada de humedad. Además, las menores fluctuaciones diurnas de temperatura y humedad sobre el agua contribuyen a reducir la tasa de entrada de humedad.
3.3. El factor climático como determinante principal
El estudio no solo comparó FPV y GPV en los mismos climas, sino que también incluyó una comparación con un módulo GPV en Bangkok, en un clima tropical. Los resultados de esta comparación son reveladores: para la arquitectura vidrio-backsheet, la concentración media de humedad en Bangkok fue de 2,9 a 3,4 veces mayor que en los sitios de climas fríos. Para la arquitectura vidrio-vidrio, la diferencia fue aún más dramática: de 5,3 a 8,7 veces mayor.
Esta diferencia abismal entre climas tropicales y fríos supera con creces las diferencias observadas entre agua y tierra dentro de un mismo clima. Como concluyen los autores: «las diferencias en la entrada de humedad entre módulos FPV y GPV en la misma zona climática pueden ser mucho menores que entre módulos GPV en diferentes zonas climáticas». Esto sugiere que, cuando se diseñan o ensayan módulos para resistencia al estrés por humedad, la zona climática de despliegue debería ser una preocupación mayor que la decisión de instalar sobre agua o sobre tierra.
3.4. El diseño del sistema FPV: un factor crítico
El estudio analizó en detalle dos parámetros de diseño de los sistemas FPV y su impacto en la entrada de humedad. El primer parámetro fue la altura del módulo sobre la superficie del agua. Utilizando el Lake Heat Flux Analyzer para el sitio de Taupō, los investigadores compararon las condiciones a 2 metros de altura (la altura típica de los instrumentos) con las condiciones a 1 centímetro sobre la superficie del agua. La reducción de la altura provocó un aumento de la temperatura media del módulo de 1,3 °C y un incremento de la humedad relativa media de 8,6 puntos porcentuales. En términos de entrada de humedad, esta reducción de altura aumentó la concentración media de humedad en un 29,7% para la arquitectura vidrio-backsheet y en un 47,0% para la vidrio-vidrio.
El segundo parámetro analizado fue la eficiencia de transferencia de calor del sistema, cuantificada mediante los valores U. El aumento de la eficiencia de refrigeración (valores U más altos) redujo las temperaturas del módulo durante condiciones de alta irradiancia, pero las aumentó durante condiciones de baja irradiancia, resultando en una reducción general de las fluctuaciones diurnas. En términos de entrada de humedad, el aumento de la eficiencia de refrigeración redujo la concentración media de humedad en un 20,7-24,5% para la arquitectura vidrio-backsheet y en un 38,0-42,0% para la vidrio-vidrio.
Estas cifras son especialmente significativas porque las diferencias inducidas por el diseño —47% y 42% respectivamente— superan ampliamente las diferencias observadas entre agua y tierra (hasta 37%). Esto indica que el diseño del sistema FPV puede tener un impacto mayor en el estrés por humedad que la propia elección entre instalar sobre agua o sobre tierra.
4. Discusión
4.1. Implicaciones para la industria fotovoltaica
Los resultados de este estudio tienen implicaciones profundas y de amplio alcance para la industria fotovoltaica. La primera y más evidente es que no existe una justificación universal para aplicar pruebas de estrés más severas a todos los sistemas FPV, como se ha venido sugiriendo en la literatura y en algunos foros industriales. Como señala Roosloot: «Los resultados sugieren que los módulos FPV pueden no requerir siempre diseños adaptados o esquemas de prueba para abordar la degradación inducida por humedad mejorada, como se sugiere comúnmente«.
La segunda implicación es que el clima de despliegue debe ser el principal criterio para el diseño de los módulos y la selección de materiales. Las diferencias entre climas tropicales y fríos son tan grandes que cualquier estrategia de diseño o prueba que no tenga en cuenta el clima de destino corre el riesgo de ser inadecuada, ya sea por exceso (costes innecesarios) o por defecto (fallos prematuros).
La tercera implicación es que el diseño del sistema FPV —en particular la altura del módulo sobre el agua y la eficiencia de transferencia de calor— ofrece oportunidades significativas para mitigar el estrés por humedad. Un diseñador que optimice estos parámetros puede obtener reducciones en la entrada de humedad que superan las que se obtendrían simplemente instalando sobre tierra en lugar de sobre agua.
El estudio también pone de relieve una cuestión metodológica importante: la dificultad de transferir conclusiones sobre fiabilidad entre diferentes sistemas FPV o de definir «el entorno flotante» como un concepto único. Como señala Roosloot: «El trabajo también destaca que los resultados de la investigación sobre la fiabilidad de FPV pueden depender fuertemente de la zona climática y del diseño del sistema, lo que hace difícil transferir los hallazgos de fiabilidad entre diferentes sistemas FPV o definir ‘el entorno flotante’ como un concepto único en este contexto».
4.2. Limitaciones del estudio y oportunidades de investigación futura
Los propios autores reconocen varias limitaciones importantes en su trabajo. La más significativa es la ausencia de sistemas fotovoltaicos reales en los sitios analizados. Todos los datos provienen de estaciones meteorológicas, no de sistemas FPV operativos. Como señalan los autores, «la presencia física de los módulos FPV podría afectar a los parámetros ambientales». Los módulos pueden actuar como barreras contra el viento y pueden influir en la humedad relativa del aire, especialmente en sistemas con módulos muy juntos y montados cerca de la superficie del agua.
Otra limitación importante es que todos los sitios analizados se encuentran en climas relativamente fríos. Los autores recomiendan encarecidamente la realización de análisis similares en climas más cálidos, donde las diferencias entre agua y tierra podrían ser más pronunciadas.
El estudio tampoco consideró los efectos del agua líquida sobre los módulos. La presencia de agua líquida en o sobre los módulos puede acelerar la delaminación, la degradación inducida por potencial y la corrosión, fenómenos que los sistemas FPV podrían experimentar con mayor frecuencia que los terrestres.
Finalmente, los autores señalan que las propiedades de los materiales utilizados en la modelización provienen de una biblioteca estandarizada, pero reconocen que los materiales comerciales pueden presentar variaciones significativas en sus coeficientes de solubilidad y difusividad.
4.3. Comparativa con otros estudios
Los hallazgos de Roosloot y colaboradores contrastan con algunos estudios previos que habían encontrado diferencias más pronunciadas entre FPV y GPV en climas tropicales. Por ejemplo, un estudio en Singapur encontró que la temperatura media del módulo FPV era 11 °C menor y la humedad relativa 11 puntos porcentuales mayor que en tierra. Otro estudio en un clima tropical encontró una humedad relativa un 73% mayor en el sitio FPV en comparación con el 62% del sitio terrestre. Sin embargo, estos estudios no modelaron la entrada de humedad interna, lo que subraya la importancia del enfoque adoptado por Roosloot et al.
Investigaciones recientes en climas subtropicales húmedos han encontrado que los sistemas FPV pueden degradarse más lentamente que los terrestres debido al efecto refrigerante del agua, con tasas de degradación anual que oscilan entre el 0,70% y el 2,15%. Un estudio sobre módulos FPV en entornos marinos señala que, aunque las condiciones húmedas promueven la corrosión y reducen la vida útil del módulo, los sistemas FPV demuestran una producción de energía superior en un 5,26% en comparación con los modelos terrestres. Incluso con una humedad relativa un 10% mayor sobre los cuerpos de agua, los sistemas FPV mono y bifaciales pueden tener una vida útil y un rendimiento a largo plazo mejores que los sistemas terrestres con solo una reducción de temperatura de 1,6 °C.
Estos hallazgos sugieren que el balance entre los efectos de la humedad y la temperatura es complejo y depende de múltiples factores. El efecto refrigerante del agua, que reduce la temperatura de operación del módulo, puede compensar —e incluso superar— los efectos negativos de una mayor humedad relativa.
5. Conclusiones
El estudio «Comparison of humidity-induced stress levels between floating and ground-mounted photovoltaics«, publicado en Solar Energy por Nathan Roosloot y un equipo internacional de investigadores, representa un avance fundamental en la comprensión de la fiabilidad de los sistemas FPV. Sus conclusiones principales pueden resumirse en los siguientes puntos.
La suposición de que los módulos FPV están sometidos a un mayor estrés por humedad que los GPV no es generalmente válida. En la mayoría de los casos analizados, los contenidos de humedad interna modelados fueron mayores en los módulos terrestres que en los flotantes, con diferencias de hasta un 37% en la concentración media.
El clima de despliegue es el factor más determinante en el estrés por humedad. Las diferencias entre climas tropicales y fríos superan con creces las diferencias entre agua y tierra, con concentraciones de humedad de 3 a 8 veces mayores en climas tropicales.
El diseño del sistema FPV puede mitigar el estrés por humedad de forma más efectiva que la elección de la ubicación. La altura del módulo sobre el agua y la eficiencia de transferencia de calor del sistema pueden producir variaciones en la concentración de humedad de hasta el 47% y el 42%, respectivamente.
Se necesitan mediciones en sistemas FPV reales, especialmente en climas cálidos, para corroborar y extender estos hallazgos. La ausencia de sistemas fotovoltaicos operativos en los sitios analizados y la concentración en climas fríos son las principales limitaciones del estudio.
El estudio también pone de relieve una cuestión fundamental para la investigación en fiabilidad de FPV: la dificultad de definir «el entorno flotante» como un concepto único. Las condiciones ambientales, los parámetros de diseño y los materiales varían tanto entre diferentes sistemas FPV que las conclusiones sobre fiabilidad obtenidas en un contexto pueden no ser transferibles a otro.
Estos resultados tienen implicaciones directas para la certificación de módulos, el diseño de sistemas FPV y la selección de materiales. Proporcionan una base científica sólida para el desarrollo de protocolos de prueba específicos para FPV que tengan en cuenta el clima de destino y los parámetros de diseño, en lugar de aplicar enfoques universales basados en suposiciones no verificadas.
En definitiva, el estudio de Roosloot y colaboradores no solo desafía una creencia ampliamente extendida, sino que ofrece una hoja de ruta para el desarrollo de sistemas FPV más fiables y rentables. Al demostrar que el estrés por humedad en FPV es menos problemático de lo que se suponía —y que, cuando lo es, puede mitigarse mediante un diseño adecuado—, el trabajo contribuye a eliminar una de las barreras que frenaban el crecimiento de este prometedor sector de la energía solar.
Referencias
- Roosloot, N. et al. (2026). Comparison of humidity-induced stress levels between floating and ground-mounted photovoltaics. Solar Energy, 316, 114923.
- Mitterhofer, S. et al. (2022). Worldwide Moisture Ingress Evaluation in Photovoltaic Modules Using Finite Element Simulations and Machine Learning. 8th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion.
- Kempe, M. et al. (2024). The ‘PVLib’ of Degradation: PVDEG.
- IEC 61215: Damp heat test (85°C/85% RH for 1000 hours).
Autor: Marcos Carbonell Alemany
