Pernos fotovoltaicos: tipos, materiales y guía de selección

Pernos fotovoltaicos son los sujetadores que aseguran los paneles solares, rieles de montaje, marcos de estanterías y anclajes al suelo en un sistema fotovoltaico completo y estructuralmente sólido. No son tornillos genéricos de ferretería. El entorno exterior en el que opera una instalación solar (radiación ultravioleta, ciclos térmicos de -40 °C a 85 °C, niebla salina costera o contaminación industrial) impone exigencias a los sujetadores que el acero al carbono común no puede satisfacer durante una vida útil del sistema de 25 a 30 años.

Elegir el grado o material de perno incorrecto puede provocar corrosión galvánica, aflojamiento bajo carga de viento o falla estructural que anula las garantías del equipo y crea riesgos de seguridad. Esta guía cubre los tipos, materiales, estándares, requisitos de torque y criterios de selección que más importan en instalaciones fotovoltaicas reales.

Dónde se utilizan pernos fotovoltaicos en un sistema solar

Un sistema fotovoltaico típico montado en el techo o en el suelo utiliza sujetadores en múltiples juntas estructurales, cada una con diferentes requisitos de carga y condiciones de exposición:

• Pernos de sujeción del panel: Asegure las abrazaderas intermedias y finales que sujetan el marco del panel al riel de montaje. Estos ven los ciclos térmicos más frecuentes a medida que las temperaturas de los paneles fluctúan diariamente.
• Empalme de riel y pernos de riel a soporte: Conecte las secciones de rieles y fije los rieles a soportes de montaje en techo o postes de tierra. Es fundamental para transferir cargas de viento y nieve a través de la estructura.
• Tirafondos de penetración en el techo: Ancle los soportes de tapajuntas o los pies de lastre a las vigas del techo. Requiere acero inoxidable para evitar manchas de óxido y corrosión dentro de la estructura del techo.
• Pernos de anclaje para montaje en tierra: Asegure pilotes hincados, anclajes helicoidales o zapatas de hormigón al marco de la estantería. A menudo, los sujetadores más grandes del sistema: M16 a M24 en instalaciones de gran escala de servicios públicos.
• Pernos de montaje de la caja del inversor y del combinador: Fije gabinetes eléctricos a paredes o marcos. Requiere aislamiento eléctrico en algunas configuraciones para evitar corrientes parásitas.
• Hardware de conexión a tierra: Pernos de brida dentada o clips de conexión a tierra que perforan la superficie anodizada de los rieles de aluminio para establecer continuidad eléctrica.

Tipos de pernos comúnmente utilizados en sistemas de estanterías fotovoltaicas

Los fabricantes de estanterías fotovoltaicas diseñan sus sistemas en torno a geometrías de pernos específicas que permiten una instalación rápida y una sujeción confiable sin apretar demasiado los perfiles de aluminio delgados. Los tipos más comunes son:

Selección de materiales: por qué el acero inoxidable domina los sujetadores fotovoltaicos

La decisión sobre el material más importante para los pernos fotovoltaicos es la resistencia a la corrosión. Los sistemas solares están diseñados para Vida útil operativa de 25 a 30 años , y los sujetadores deben sobrevivir todo ese período sin que se aflojen, se atasquen o se degraden la estructura debido a la oxidación.

Acero inoxidable A2 (304) frente a A4 (316)

La mayoría de los sistemas de estanterías fotovoltaicas especifican pernos de acero inoxidable A2 o A4. La diferencia práctica es el contenido de molibdeno: El acero inoxidable A4 (316) contiene entre 2 y 3 % de molibdeno. , que mejora drásticamente la resistencia a la corrosión por picaduras inducida por cloruro, el modo de falla específico en ambientes costeros y marinos. A2 (304) es adecuado para instalaciones en tierra; A4 (316) debe utilizarse dentro de 1 a 5 km de costa o en zonas industriales con cloruros en el aire.

Acero galvanizado en caliente (HDG) para montaje en suelo

Las grandes instalaciones montadas en el suelo, en particular los parques solares a escala comercial, a menudo utilizan pernos estructurales galvanizados en caliente (HDG) para pernos de anclaje y conexiones de marco primario. Espesor del recubrimiento HDG de 85 µm o más (según ASTM A153 o ISO 1461) Proporciona entre 30 y 50 años de protección contra la corrosión en la mayoría de los entornos de suelo a un costo significativamente menor que el hardware totalmente inoxidable a gran escala. No se recomienda HDG donde se produce contacto directo con estanterías de aluminio, debido al riesgo de corrosión galvánica.

Corrosión galvánica: el riesgo oculto en las interfaces aluminio-acero

Prácticamente todos los rieles de estantería fotovoltaica son de aluminio extruido (6005-T5 o 6061-T6). Cuando los pernos de acero inoxidable entran en contacto con el aluminio en un ambiente húmedo, se forma una celda galvánica. El acero inoxidable y el aluminio tienen una diferencia de 0,25 a 0,50 V en la serie galvánica. — lo suficientemente cerca como para que los pernos A2/A4 generalmente se consideren aceptables en este par. Sin embargo, los pernos de acero al carbono o HDG en contacto directo con el aluminio son problemáticos: la diferencia de potencial acelera la corrosión del aluminio en la unión. Utilice siempre herrajes de acero inoxidable o compatibles con aluminio en las interfaces de aluminio a sujetadores.

Requisitos de resistencia y grado de pernos para aplicaciones fotovoltaicas

Los pernos fotovoltaicos deben soportar cargas sostenidas de viento, cargas de nieve y fuerzas sísmicas durante décadas. La resistencia del perno se define por la clase de propiedad (métrico) o el grado (pulgadas):

Para la mayoría de los sistemas de tejado residenciales y comerciales, El acero inoxidable A2-70 es la especificación estándar . Se recomienda actualizar a A4-80 para sitios costeros, áreas con fuertes vientos (velocidad del viento ASCE 7 ≥ 130 mph) o cualquier instalación donde los cálculos estructurales del ingeniero de estanterías requieran una mayor precarga de pernos.

Especificaciones de torsión para pernos fotovoltaicos: por qué apretar demasiado es tan peligroso como apretar mal

Las especificaciones de torque para pernos fotovoltaicos son más estrictas de lo que esperan la mayoría de los instaladores. Las extrusiones de aluminio utilizadas en las estanterías solares son relativamente blandas. El aluminio 6005-T5 tiene un límite elástico de sólo 240 MPa. en comparación con los 700 MPa de los pernos de acero inoxidable que se enroscan en él. El exceso de torsión daña las roscas de la tuerca de aluminio o del canal del riel, lo que requiere el reemplazo de toda la sección del riel.

Un torque insuficiente deja la articulación con una precarga insuficiente, lo que permite el movimiento bajo la vibración del viento que provoca fatiga por fricción y aflojamiento gradual. Valores de torsión típicos especificados por el fabricante para tamaños de pernos fotovoltaicos comunes:

Utilice siempre una llave dinamométrica calibrada para el ajuste final. Los destornilladores de impacto ajustados al par máximo no son aceptables para los pernos de sujeción de los paneles fotovoltaicos; habitualmente exceden los límites del fabricante. Muchos fabricantes de estanterías especifican valores de torque en seco (sin lubricante); Si se aplica lubricante para roscas o antiagarrotamiento, reduzca el torque aproximadamente entre un 20% y un 25% para lograr la misma fuerza de sujeción.

Funciones antiaflojamiento: prevención del aflojamiento de pernos durante 25 años

Las instalaciones solares experimentan vibraciones continuas de baja amplitud debido al viento y a la expansión y contracción térmica diaria de los rieles de aluminio (el aluminio se expande a 23,6 µm/m°C — una sección de carril de 6 metros crece y se contrae aproximadamente 12 mm entre una noche de invierno de -10 °C y una temperatura superficial del panel de 60 °C en verano). Este movimiento puede hacer retroceder gradualmente los pernos que carecen de disposiciones antiaflojamiento.

Las soluciones antiaflojamiento comunes utilizadas en los sistemas fotovoltaicos incluyen:

• Contratuercas con inserto de nailon (Nyloc): La solución más utilizada en fotovoltaica sobre tejados. El collar de nailon sujeta la rosca del perno y resiste la rotación. Efectivo hasta aproximadamente 100 °C: verifique la idoneidad si los gabinetes de las cajas de conexiones generan calor localizado.
• Tuercas y pernos con brida dentada: Las estrías muerden la superficie de contacto y resisten mecánicamente la rotación. Se utiliza para uniones de puesta a tierra y juntas estructurales donde la dureza de la superficie permite que los dientes se enganchen correctamente.
• Arandelas de seguridad con resorte: Generalmente se consideran menos confiables que las tuercas nyloc bajo carga dinámica según la prueba de vibración DIN 65151; utilícelas solo cuando lo especifique el fabricante de las estanterías.
• Adhesivo bloqueador de roscas (Loctite 243 o equivalente): Eficaz para pernos de pequeño diámetro en ubicaciones de baja vibración. No es práctico para conexiones de campo que pueden requerir un nuevo ajuste de torsión o reposicionamiento del panel en el futuro.
• Configuración de dos tuercas (contratuerca): Se utiliza en patas de ajuste montadas en el suelo donde se requiere resistencia a la vibración y capacidad de ajuste en el campo.

Estándares y certificaciones relevantes para pernos fotovoltaicos

Las certificaciones de sistemas fotovoltaicos y los permisos estructurales exigen cada vez más que los sujetadores cumplan con estándares documentados de materiales y dimensiones. Las normas más referenciadas son:

• ISO 3506: La principal norma internacional que rige las propiedades mecánicas de los elementos de fijación de acero inoxidable. Especifica las clases de propiedad A2-70, A2-80, A4-70 y A4-80. Muchos contratistas EPC a gran escala exigen certificados de conformidad que hacen referencia a la norma ISO 3506.
• ASTM F593/F594: Equivalente estadounidense para pernos y tuercas de acero inoxidable. Requerido para proyectos bajo códigos de construcción de EE. UU. donde no se especifica hardware métrico ISO.
• ASTM A307/A325/A490: Gobierna los pernos estructurales de acero al carbono y de aleación utilizados en estructuras de acero HDG montadas en el suelo.
• ISO 1461/ASTM A153: Especifique el espesor mínimo del recubrimiento para los sujetadores galvanizados en caliente, algo fundamental para verificar la vida útil frente a la corrosión de los pernos de anclaje HDG.
• IEC 61215 / IEC 61730: Si bien estos son estándares de módulos, rigen indirectamente el hardware de montaje al especificar las condiciones de carga mecánica (viento, nieve, granizo) que las estanterías y los sujetadores deben estar diseñados para soportar.

Para instalaciones que requieren permiso, solicite informes de pruebas de materiales (MTR) o certificados de conformidad de los proveedores de pernos que hagan referencia a estos estándares. Los sujetadores falsificados o de calidad inferior etiquetados con marcas de clase de propiedad falsas son un problema documentado en cadenas de suministro de bajo costo: se recomienda la verificación de la composición química y la dureza por parte de terceros para proyectos grandes que obtienen hardware fuera de los canales de distribución establecidos.

Lista de verificación práctica para seleccionar pernos fotovoltaicos

Utilice la siguiente lista de verificación al especificar o adquirir sujetadores para un proyecto fotovoltaico:

1. Confirme el tipo de perno requerido por el manual de instalación del fabricante de la estantería (cabeza en T, cabeza hexagonal, perno de carro o tirafondo) y no sustituya diferentes estilos de cabeza sin la aprobación del ingeniero.
2. Seleccionar A4-316 inoxidable para ambientes costeros, marinos o de alta humedad; El acero inoxidable A2-304 es aceptable para climas secos del interior.
3. Especificar Clase de propiedad mínima A2-70 o A4-70 para sistemas de tejado estándar; actualice a A4-80 para sitios con fuertes vientos o mucha nieve según los cálculos estructurales.
4. Asegúrese de que todas las tuercas y arandelas sean del mismo grado de acero inoxidable que el perno: mezclar pernos A2 con tuercas de acero al carbono crea un par galvánico que acelera la corrosión de la tuerca.
5. Verifique las disposiciones antiaflojamiento: tuercas nyloc para abrazaderas de paneles y la mayoría de conexiones de rieles; Hardware de brida dentada donde se requiere continuidad de conexión a tierra.
6. Obtener y presentar certificados de conformidad (ISO 3506 o equivalente ASTM) con la documentación del proyecto para fines de permiso y garantía.
7. Utilice una llave dinamométrica (no un destornillador de impacto) para el ajuste final y registre los valores de torsión en el informe de puesta en servicio para cualquier referencia futura de inspección de operación y mantenimiento.