Análisis de la Sumersión de Cables Fotovoltaicos en Sistemas Flotantes: Impactos en el Aislamiento y la Calidad del Agua

2.1 Especificaciones del Cable y Configuración de Prueba

Se probaron dos tipos de cables fotovoltaicos con diferentes chaquetas de aislamiento: uno con aislamiento estándar a base de caucho y otro con aislamiento de polietileno reticulado (XLPE). Las muestras de cable se sumergieron completamente en dos tanques separados: uno que contenía agua dulce (simulando condiciones de embalse) y otro que contenía agua de mar artificial (preparada según la norma ASTM D1141). El período de sumersión duró 12 semanas.

2.2 Monitoreo de la Calidad del Agua

Se recolectaron muestras de agua semanalmente de cada tanque. Los parámetros monitoreados incluyeron:

• Conductividad Eléctrica (CE) y Salinidad (SAL)
• Oxígeno Disuelto (OD) y Potencial de Oxidación-Reducción (ORP)
• Sólidos Totales Disueltos (TDS) y Temperatura (T)
• Concentración de Iones de Cobre: Analizada mediante Espectrometría de Masas con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-MS).
• Microplásticos: El agua se filtró y las partículas se identificaron mediante Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR).

2.3 Prueba de Resistencia de Aislamiento Eléctrico

La resistencia de aislamiento se midió semanalmente utilizando un megóhmetro, aplicando un voltaje de prueba de 1000 V CC. La resistencia ($R_{ins}$) se registró en megaohmios (MΩ). Una caída significativa en $R_{ins}$ indica la degradación de las propiedades dieléctricas del material aislante. La prueba siguió el procedimiento descrito en la norma IEC 60227.

3.1 Degradación del Aislamiento en Agua de Mar

El hallazgo más significativo fue la degradación acelerada del cable con chaqueta de caucho en agua de mar artificial. Su resistencia de aislamiento disminuyó más del 70% en las primeras 4 semanas, estabilizándose en un nivel críticamente bajo. En contraste, el cable con chaqueta de XLPE mostró un declive mucho más lento, manteniendo una resistencia por encima del umbral mínimo aceptable (típicamente >1 MΩ/km) durante todo el período de prueba. En agua dulce, ambos tipos de cable exhibieron una degradación mínima. Esto destaca la naturaleza agresiva de los entornos salinos sobre ciertas matrices poliméricas, probablemente debido a la penetración de iones cloruro y reacciones electroquímicas.

3.2 Liberación de Iones de Cobre

Correlacionado con la falla del aislamiento, se detectó un aumento medible de iones de cobre disueltos en el tanque de agua de mar que contenía el cable degradado con chaqueta de caucho. Las concentraciones aumentaron desde por debajo de los límites de detección hasta aproximadamente 15 µg/L en la semana 8, superando los niveles de fondo y algunos estándares de calidad ambiental para la vida acuática. No se observó una liberación significativa de cobre en los tanques de agua dulce ni con el cable de XLPE en agua de mar. Esto confirma que la falla del aislamiento es una vía directa para la contaminación por metales pesados debido a la corrosión del conductor.

3.3 Detección de Microplásticos

El análisis FTIR confirmó la presencia de partículas poliméricas en el agua, identificadas como fragmentos del material de la chaqueta del cable. La cantidad fue mayor en los tanques de agua de mar, lo que sugiere que la abrasión mecánica combinada con la degradación química conduce al desprendimiento de microplásticos. Esto presenta una preocupación ecológica secundaria y a largo plazo para los despliegues de FPV.

4.1 Modelo de Cinética de Degradación

La degradación del aislamiento puede modelarse como un proceso cinético de primer orden, donde la tasa de pérdida de resistencia es proporcional a la concentración de iones agresivos (por ejemplo, Cl⁻). El modelo se puede expresar como:

$\frac{dR}{dt} = -k \cdot C_{ion} \cdot R$

Donde $R$ es la resistencia de aislamiento, $t$ es el tiempo, $k$ es una constante de tasa de degradación específica del material y $C_{ion}$ es la concentración de iones agresivos. Integrando esto se obtiene una descomposición exponencial: $R(t) = R_0 \cdot e^{-k \cdot C_{ion} \cdot t}$, que se ajusta al declive rápido observado en agua de mar para el caucho.

4.2 Marco de Evaluación de Riesgos

Una evaluación de riesgos efectiva para el despliegue de cables FPV debe seguir este marco de decisión:

1. Clasificación del Entorno: Determinar el tipo de cuerpo de agua (dulce, salobre, marino), salinidad, pH y perfil de temperatura.
2. Selección de Material del Cable: Seleccionar cables con materiales de aislamiento probados como resistentes al entorno identificado (por ejemplo, XLPE, cauchos específicos de grado marino). Consultar datos de pruebas de envejecimiento acelerado según la norma IEC 60811.
3. Mitigación de Diseño: Implementar protección física (conductos, bandejas de cables elevadas) para minimizar la sumersión permanente.
4. Protocolo de Monitoreo: Establecer una línea base de calidad del agua y pruebas periódicas para cobre y TDS alrededor de las rutas de los cables.
5. Plan de Fin de Vida Útil: Desarrollar un plan de desmantelamiento para la recuperación y reciclaje de cables, con el fin de prevenir la lixiviación a largo plazo.