Abril 02, 2020

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Degradação dos módulos FV em locais quentes e úmidos

Introdução

A infiltração de água nos módulos fotovoltaicos standard é a principal causa de deterioração em ambientes quentes e úmidos. O vapor de água e o oxigênio penetram o backsheet, que é um material plástico poroso, e reagem quimicamente com o EVA (etileno-vinil-acetato), o material que constitui o recheio dos módulos fotovoltaicos, ficando em contato direto com as células de silício. A reação de água e oxigênio com o EVA produz ácido acético, que corrói partes metálicas e contatos elétricos das células fotovoltaicas, reduzindo a eficiência do módulo.

Essa degradação é natural e prevista, fazendo parte da vida de qualquer módulo standard. Entretanto, em condições de intensa umidade e temperaturas elevadas essa degradação ocorre de forma acelerada, podendo reduzir drasticamente a vida útil do módulo. Em determinados ambientes a instalação de módulos standard com backsheet não é recomendada e os módulos double-glass tornam-se a única alternativa viável para os sistemas fotovoltaicos.

A figura a seguir ilustra o resultado de um estudo de caso de uma usina solar com módulos standard localizada em uma região tropical com temperatura média anual de 27,3oC e umidade relativa do ar média de 81,7%. Foi constatada a corrosão das células fotovoltaicas e dos ribbons (trilhas metálicas que interligam as células). A redução de potência dos módulos analisados foi superior a 20%, sendo que alguns módulos da usina deixaram e funcionar.

Figura 1: Imagem do teste de eletroluminescência de um módulo standard instalado em localidade quente e úmida (temperatura média superior a 27oC e umidade superior a 81%). O escurecimento das células revela a redução da capacidade de condução de corrente elétrica. Algumas células apresentam-se cortadas ou deterioradas em suas bordas, indicando que ali ocorreu corrosão. Fonte: Módulos Solares Vidro-Vidro – Ambientes quentes e úmidos, Trina Solar

Testes de degradação acelerada

Damp heat (calor húmido)

Na indústria fotovoltaica estabeleceu-se o padrão de teste de damp heat (calor úmido) denominado DH1000, que significa que o módulo fotovoltaico é submetido a uma câmara climática com temperatura de 85oC e umidade relativa de 85% durante 1000 horas. Esse teste faz parte do conjunto de procedimentos da norma internacional IEC 61625, que trata da qualidade dos módulos solares fotovoltaicos.

Os testes da IEC 61215 muitas vezes são empregados para a elaboração de estimativas da vida útil dos módulos. Pesquisas encontradas na literatura apontam que uma exposição DH1000 corresponde a 20 anos de exposição a condições climáticas reais na maior parte dos locais. Alguns autores afirmam que uma exposição de 2000 a 3000 horas no teste de damp heat seria necessária para assegurar uma vida útil de 20 anos em locais litorâneos, quentes e úmidos.

Em todo caso, os testes não visam determinar a vida útil de um módulo. Precisamente falando, são testes capazes de encontrar falhas em curto espaço de tempo sob condições mais rigorosas do que o normal. O resultado de um teste de degradação acelerada com damp heat não garante a vida útil do produto. Trata-se apenas de um dos requisitos mínimos de qualidade para um módulo fotovoltaico.

Thermal cycling (ciclo térmico)

O teste de ciclo térmico é outro procedimento encontrado na norma IEC 61215. Neste teste o módulo fotovoltaico é submetido a ciclos de aquecimento e resfriamento com o objetivo de provocar a fadiga térmica dos componentes. O estresse a que o módulo é submetido permite avaliar a confiabilidade do produto e identificar defeitos de fabricação, soldas mal feitas, células fissuradas, delaminação (descolamento das células), redução de eficiência e redução da capacidade de isolação elétrica, entre outras coisas.

A designação TC200 encontrada na norma IEC 61215 corresponde a uma sequência de 200 ciclos de 6 horas. Em cada ciclo o módulo é submetido a temperaturas que vão de -40oC a +85o, com variações máximas de 100oC/hora e permanência mínima de 10 minutos em cada valor de temperatura.

Outros testes

Existe uma diversidade de testes que podem ser empregados para a avaliação da qualidade de módulos fotovoltaicos. Os mais comuns são os testes damp heat (DH) e thermal cycling (TC) – sobre os quais falamos anteriormente, além dos testes de congelamento úmido (HF – humidity freeze), teste de efeito de degradação induzida por potencial (PID – potencial induced degradation), testes acelerados de estresse (HAST – highly accelerated stress tests) e teste de luz ultra-violeta, entre outros. Para saber mais sobre o efeito PID e como ocorre a degradação do módulo acesse nosso artigo: O efeito PID e sua ação sobre os módulos solares.

Para não nos alongarmos muito, vamos deixar as explicações detalhadas sobre esses e outros testes para outro artigo. Vamos nos concentrar agora em alguns resultados que serão apresentados a seguir.

Figura 2: Câmara climática usada em testes de damp heat (DH), thermal cycling (TC) e humidity freeze (HF). Fonte: ESPEC Solar Application Guide, Review of the IEC 61215 and 61646 methods

Módulos standard e double-glass

Os módulos fotovoltaicos mais encontrados atualmente no mercado são construídos com uma camada superior de vidro e uma lâmina traseira de plástico, conhecida como backsheet (folha traseira) na literatura. Módulos com backsheet, classificados como standard ou padrão, equipam a grande maioria dos projetos fotovoltaicos em todo o mundo. O que pouca gente sabe é que essa tecnologia não é adequada para todos os ambientes. Em locais com condições climáticas agressivas, com elevadas temperaturas e ar muito úmido, esses módulos podem falhar ou apresentar uma vida útil muito reduzida.

Outra categoria de módulos fotovoltaicos que podemos encontrar no mercado são os double-glass (vidro-vidro), que possuem lâminas de vidro na parte frontal e na parte traseira. Os módulos double-glass surgiram como uma alternativa para superar as fraquezas dos módulos fotovoltaicos convencionais em ambientes agressivos. Mais recentemente surgiram no mercado os módulos chamados bifaciais, que possuem obrigatoriamente vidro em suas duas faces, uma vez que empregam células fotovoltaicas bifaciais, que absorvem a luz solar pelas superfícies frontal e traseira. Mas antes mesmo do surgimento dos módulos bifaciais, módulos double-glass com células convencionais (com silício exposto na parte frontal e metalização integral na parte traseira) já eram encontrados e atualmente ainda são uma alternativa aos módulos com backsheet.

O módulo double-glass tem um custo mais elevado do que o standard (com backsheet), porém apresenta algumas vantagens que podem ser muito úteis (ou necessárias) em diversas situações. O módulo double-glass é mais robusto e apresenta desempenho e durabilidade superiores. A estrutura de vidro duplo protege as células fotovoltaicas contra os fatores naturais de deterioração. Uma das principais vantagens é a vedação completa do módulo, impedindo totalmente a penetração de umidade durante a vida do produto.

Resultados de testes de degradação acelerada

Os gráficos mostrados abaixo ilustram resultados de testes comparativos realizados com módulos fotovoltaicos cristalinos standard (com backsheet) e double-glass.

Figura 3: Resultados de testes comparativos com módulos standard e double-glass. Testes realizados: HAST (teste acelerado de estresse), PID (efeito de degradação por potencial induzido), DH (calor úmido), TC (ciclo térmico) e HF (congelamento úmido). Fonte: Módulos Solares Vidro-Vidro – Ambientes quentes e úmidos, Trina Solar

Os resultados da Figura 3 mostram que os módulos standard (designados como TM – traditional modules – nas legendas das figuras) apresentam degradação muito acelerada em comparação com seus irmãos double-glass. Observação: no primeiro gráfico foram testados dois tipos e módulo double-glass: com EVA e com POE (poliolefina, um material mais caro que o EVA). Os módulos fotovoltaicos podem ser fabricados com encapsulamento (recheio do módulo) de EVA ou POE, que é um material mais moderno. A quase totalidade dos módulos standard é fabricada com EVA. O gráfico mostra qual seria a diferença de desempenho entre um módulo double-glass com EVA e outro com POE. A diferença é pequena, mas vemos que o módulo com POE apresenta degradação ligeiramente menor ao final dos testes HAST.

Figura 4: Estrutura de um módulo fotovoltaico, ilustrando a aplicação do encapsulante, que é o material que fica em contato direto com as células. Esse material é comumente o EVA (etileno-vinil-acetato), mas módulos de maior desempenho podem ser obtidos com o POE (poliolefina). Fonte: Dow, ENGAGE™ PV Polyolefin Elastomers (adaptado)

O primeiro gráfico da Figura 2 mostra que após 96 horas de teste HAST os módulos standard já começam a ter sua potência reduzida, chegando a uma degradação quase total ao final de 384 horas de teste. Enquanto isso, os módulos double-glass permanecem praticamente intactos, apresentando redução de potência inferior a 10% ao final de 384 horas de testes.

O segundo gráfico mostra que os módulos double-glass sofrem muito pouco com o efeito PID após 600 horas de testes, apresentando redução de potência inferior a 4%. No mesmo período de testes os módulos standard chegam a apresentar mais de 12% de redução de potência.

O terceiro gráfico mostra que os módulos double-glass suportam milhares de horas de testes de DH, TC e HF, apresentando reduções de potência inferiores a 10%. Os módulos standard, por outro lado, apresentam degradação extrema após os testes de calor e umidade. Um detalhe interessante: nesses gráficos os testes DH e TC foram executados por 2000 horas e 400 ciclos, respectivamente, duas vezes mais o exigido na norma IEC 62215.

Garantias dos módulos fotovoltaicos

Já entendemos que os módulos double-glass são mais duráveis do que os módulos standard. Enquanto os módulos standard devem apresentar uma vida útil relativamente longa em locais com climas não muito agressivos, os módulos double-glass podem ser a única opção viável para locais com condições climáticas extremas. Mas o que dizem os fabricantes sobre isso?

As tabelas a seguir foram extraídas do manual de garantia de um fabricante de módulos fotovoltaicos. Os produtos listados como (c), (d), (e) e (f), que são módulos do tipo double-glass, são os únicos para os quais o fabricante oferece garantia em locais quentes e úmidos.

Tabela 1: Condições de garantia de módulos fotovoltaicos de um determinado fabricante. Legenda: (a), (b) são a maior parte dos produtos no catálogo desse fabricante, incluindo todos os módulos cristalinos com backsheet. (c), (d), (e) e (f) são os módulos da família double-glass.

Fonte: LIMITED WARRANTY MODULES PS-M-0135 Rev. L Nov 11th, 2019

A tabela seguinte mostra outra tabela do mesmo manual de garantia, onde são definidas as condições que se aplicam aos produtos (c), (d), (e) e (f), que são módulos double-glass.

Tabela 2: Definição das condições climáticas que se aplicam a módulos da família double-glass de um determinado fabricante.

Fonte: LIMITED WARRANTY MODULES PS-M-0135 Rev. L Nov 11th, 2019

Legenda da Tabela 2– Linha 1: alta temperatura (média anual acima de 23oC e média mensal acima de 18oC) e elevada umidade (média anual maior que 70% e média mensal mínima maior que 60%). Linha 2: Altas diferenças de temperatura e elevada irradiação solar (locais desérticos e região de Gobi, no sul da Mongólia, com irradiações superiores a 1800 kWh/m2). Linha 3: Regiões frias e com baixa irradiação (temperaturas inferiores a -10oC e irradiações menores do que 1400 kWh/m2).

Em outras palavras, resumindo as informações acima, este fabricante (assim como muitos outros) só oferece garantia dos seus produtos se as condições de utilização forem respeitadas. Módulos standard submetidos às condições da Tabela 2 estarão fora da garantia. Nas condições dessa tabela o fabricante garante apenas os seus módulos da família double-glass.

O que isso quer dizer na prática? A resposta é que nós devemos ter cuidado com o tipo de módulo que especificamos para nossos projetos. Módulos standard vão funcionar bem na maior parte do território brasileiro, mas em regiões litorâneas quentes e úmidas e na região amazônica os módulos double-glass podem ser necessários. Vamos analisar a seguir, por exemplo, as condições climáticas da cidade de Manaus.

Estudo de caso – condições climáticas de Manaus

Tabela 3: Dados climáticos da cidade de Manaus-AM. Fonte: Wikipedia / INPE

Figura 5: Temperaturas médias mensais (linha vermelha) e máxima e mínima (nuvem vermelha) em Manaus-AM. No mês de agosto a temperatura média é de 28,2oC e no mês de janeiro é de 26,9oC. A temperatura média anual é de 27,4oC. Fonte: climate-data.org

Analisando as informações do gráfico e das tabelas acima vemos que a cidade de Manaus já se enquadra nas condições de garantia mostrada na Tabela 2. A temperatura média anual de Manaus é muito superior a 23oC e a umidade relativa de aproximadamente 82% é muito superior ao limite de 70% das condições de garantia.

Conclusão: para as condições de temperatura e umidade da cidade de Manaus-AM, somente os módulos double-glass desse fabricante estariam dentro dos termos de garantia. O fabricante não garante a durabilidade do seus módulos standard nessas condições.

Conclusões

Os módulos fotovoltaicos estão sujeitos à degradação natural com o uso. A maior causa de degradação é a penetração de umidade, que pode ser maior em locais quentes e úmidos. Módulos tradicionais (standard) com folha traseira de plástico (backsheet) não suportam condições climáticas agressivas. Em locais de alta temperatura e elevada umidade é necessário empregar módulos double-glass (com duas lâminas de vidro, frontal e traseira).

Pegamos como exemplo os termos de garantia e os resultados de testes apresentados por um fabricante. Observamos que os módulos standard falham muito antes dos módulos double-glass nos testes de umidade, calor e frio (DH, TC e HF). Quanto à garantia, esse fabricante tomado como exemplo informa que os seus módulos standard não poderão operar em determinadas condições. Nessas mesmas condições os termos de garantia asseguram somente o desempenho dos módulos double-glass, mais resistentes e duráveis.

Não se anime se outros fabricantes informarem que seus módulos standard suportam condições agressivas – ou se não informarem nada. Qualquer módulo com backsheet vai falhar, cedo ou tarde, em condições de elevada temperatura e umidade. Módulos standard com backsheet são a grande maioria dos produtos ofertados no mercado atualmente. Todos os fabricantes submetem geralmente seus módulos às certificações IEC, que avaliam requisitos mínimos de desempenho. Testes mais agressivos (como os mostrados neste artigo, com o dobro de horas de testes), mostram que apenas módulos double-glass podem suportar condições mais agressivas, semelhantes àquelas que serão enfrentadas ao longo da vida de um módulo, que deve ser superior a 20 anos.


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Last modified on Terça, 17 Março 2020 18:03
Marcelo Gradella Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP (http://www.lesf.com.br). Autor de mais de 200 artigos técnicos de alcance internacional nas áreas de eletrônica de potência e sistemas fotovoltaicos. É autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações". Pioneiro em treinamentos em sistemas fotovoltaicos no Brasil. É coordenador do programa de Extensão em Energia Solar Fotovoltaica da UNICAMP (http://cursosolar.com.br), onde apresenta cursos de Introdução à Energia Solar Fotovoltaica, Projeto e Dimensionamento de Sistemas com PVSyst e Instalação e Integração de Sistemas Conectados à Rede Elétrica.

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