Deformação de módulos fotovoltaicos devido ao seu peso próprio

O desenvolvimento contínuo da indústria fotovoltaica e a evolução dos materiais e da tecnologia trouxeram avanços consideráveis aos produtos. No início do século 21, a potência de um único módulo era de apenas 180 Wp, mas agora pode chegar a 700 Wp (veja a Figura 1).

O aumento da potência dos módulos fotovoltaicos contribuiu para a redução do LCOE (custo nivelado da energia) das usinas solares e elevou a importância da fonte fotovoltaica entre as fontes energéticas atuais.

Desde 2019 o tamanho das células fotovoltaicas tem mudado, primeiro de 156,75 mm para 158,75 mm, depois para 166 mm e agora elas já alcançam 210 mm (Figura 2). Com este aumento das células, o tamanho dos módulos também teve ganho significativo (veja a Tabela 1).

A estrutura construtiva dos módulos fotovoltaicos é feita em camadas (veja a Figura 3). Os módulos monofaciais recebem um revestimento traseiro de polímero (backsheet), enquanto os módulos bifaciais podem ter uma camada traseira de polímero transparente ou vidro.

No módulo monofacial o vidro representa cerca de 72,3% do peso total do painel, enquanto no módulo bifacial o vidro (com 2,0 mm de espessura) representa cerca de 82,96% do peso total.

Devido ao peso próprio do vidro, o centro do módulo fotovoltaico pode sofrer afundamento, conforme mostra o resultado de simulação ilustrado na Figura 4. A extensão desse afundamento depende de muitos fatores, sendo os mais significativos a área do painel, o tipo (mono ou bifacial), o ângulo e o método de instalação.

Foi realizado um estudo para avaliar o afundamento do módulo. Em primeiro lugar buscou-se avaliar a influência do tamanho do módulo. As condições de contorno são mostradas na Tabela 2 e na Figura 5.

Tabela 2. Condições de contorno de simulação

Na simulação foi utilizado o método de análise de elementos finitos para simular o fenômeno de afundamento do centro do módulo, com o algoritmo geral de Lagrange para o cálculo da iteração de convergência. Os resultados são mostrados na Tabela 3 e na Figura 6.

Tabela 3. Afundamento sob diferentes tamanhos de módulo

Através da simulação, fica claro que o afundamento do centro do módulo devido ao seu peso próprio  é um problema que realmente existe – e quanto maior a área, maior é a deformação sofrida pelo módulo.

Da mesma forma, a amplitude do afundamento do centro também varia com o ângulo de instalação. O módulo de maior área (tipo C) é utilizado para simular o afundamento em diferentes ângulos de instalação (0°, 15°, 30° e 40°) – conforme mostrado na Figura 7.

Através da simulação, pode-se concluir que com a diminuição do ângulo de instalação, o fenômeno de afundamento do centro do módulo passa a ser mais intenso. O módulo instalado na horizontal (ângulo de 0°) sofreu a maior deformação, conforme mostrado na Tabela 4 e na Figura 8.

Tabela 4. Deformações observadas com diferentes ângulos de instalação

Para avaliar se o afundamento central pode afetar a produção de energia do módulo, são adotadas as condições de contorno que sofreram maior afundamento, ou seja, seleciona-se o módulo bifacial do tipo C de maior área, instalado a 0°, e o ensaio de carga mecânica estática é realizado de acordo com norma IEC 61215, conforme mostrado na Figura 8.

De acordo com a IEC 61215, a sequência de teste de carga mecânica estática foi conduzida com 3 ciclos, cada um realizado com pressão positiva de 5400 Pa e negativa de 2400 Pa, como mostrado na Fig. 10.

Duas amostras foram testadas de acordo com a norma IEC 61215 e em seguida foi avaliada a degradação de potência (com teste de flash) e foram obtidas as imagens de EL (eletroluminescência) para verificar se houve ocorrência de microfissuras nas células fotovoltaicas após os testes. Vale ressaltar que os afundamentos medidos no teste foram ainda maiores que os levantados inicialmente por meio da análise de elementos finitos.

A partir da comparação das imagens de EL, não se observaram microfissuras e nenhuma outra falha visível foi constatada, como ilustram as Figuras 11 e 12.

Os testes de potência com flash de luz foram realizados para comparar a taxa de degradação de potência e os resultados também foram satisfatórios, conforme a Tabela 5.

Tabela 5. Degradação de potência após o teste de carga mecânica estática

Através dos resultados da análise realizada, as seguintes conclusões puderam ser obtidas:

1. É um fato que os módulos sofrem afundamento, principalmente na região central, devido ao seu peso próprio;
2. O afundamento central do módulo está relacionado principalmente ao tipo de módulo (monofacial – backsheet polimérico ou bifacial – backsheet de vidro), à área do módulo e ao seu ângulo de instalação;
3. O afundamento do módulo bifacial com duas lâminas de vidro (frontal e traseira) é mais evidente;
4. Quanto maior a área do módulo, mais pronunciado é o fenômeno de afundamento;
5. Quanto menor o ângulo de instalação, maior é o fenômeno de afundamento;
6. Um módulo com a maior área de superfície foi submetido ao teste de carga mecânica estática de acordo com a norma IEC 61215, que proporciona afundamento maior do que aquele que pode ser obtido com o peso próprio do módulo. Após este teste, nenhum problema de confiabilidade foi constatado nas duas amostras testadas;
7. A deformação causada pelo peso próprio não afeta a confiabilidade dos módulos fotovoltaicos, pois é inferior àquela observada nos testes de carga estática das duas amostras analisadas.