Prueba de aislamiento eléctrico de módulos fotovoltaicos.

Los módulos y sistemas fotovoltaicos funcionan a niveles de tensión que son potencialmente peligrosos para la seguridad humana. En los módulos e instalaciones fotovoltaicas existe una gran preocupación en proporcionar aislamiento eléctrico entre las partes activas (que producen potenciales eléctricos) y las partes que tendrán contacto directo con las personas (marcos, cables, cajas de conexiones y vidrios).

Una medida importante del aislamiento eléctrico de un módulo fotovoltaico es su resistencia de aislamiento. La resistencia de aislamiento se analiza en laboratorios de certificación y es uno de los principales requisitos de seguridad para la homologación de módulos fotovoltaicos. Esta prueba tiene como objetivo analizar la corriente de fuga que surge con la aplicación de un alto voltaje, verificando consecuentemente la resistencia de aislamiento del módulo [Hernandez, 2010].

La prueba de resistencia de aislamiento de alta tensión se realiza en Brasil de acuerdo con la Ordenanza 004/2011 del INMETRO (Instituto Nacional de Metrología, Calidad y Tecnología), de acuerdo con los procedimientos enumerados en la norma internacional IEC 61215. La ordenanza INMETRO 004/2011, de acuerdo con la norma IEC 61215, regula las pruebas de certificación de módulos fotovoltaicos en Brasil, con el fin de otorgar la etiqueta de calificación y así permitir la inserción de los equipos en el mercado brasileño.

Entre las pruebas obligatorias para la calificación de los módulos fotovoltaicos, es necesario que pasen dos pruebas relacionadas con la resistencia de aislamiento, de acuerdo con la nomenclatura de la norma IEC 61215: 10.3 – Prueba de aislamiento en seco y 10.15 – Prueba de corriente de fuga con humedad. El primero se tratará con más detalle en este artículo, mientras que el segundo se presentará en un artículo futuro.

Si bien el aislamiento de un módulo fotovoltaico juega un papel fundamental en la prevención de descargas eléctricas, el aislamiento de las partes activas también cumple el objetivo de evitar que las células fotovoltaicas entren en contacto con el medio exterior, evitando su contacto con el aire, el agua y otras impurezas. y su consiguiente proceso de degradación.

Según la premisa de la mayoría de los fabricantes de módulos del mercado, los módulos están desarrollados para funcionar durante 25 años, por lo que es fundamental que se mitiguen todos los riesgos potenciales para la durabilidad de los módulos, ya sea por aspectos constructivos mecánicos o eléctricos.

Aislamiento eléctrico en plantas fotovoltaicas

También se realizan pruebas de aislamiento eléctrico en sistemas fotovoltaicos en el campo. Los procedimientos de prueba de laboratorio y de campo difieren, pero el objetivo es el mismo: probar la seguridad del aislamiento eléctrico del sistema fotovoltaico.

Mientras que la prueba de laboratorio prueba la resistencia eléctrica entre los terminales eléctricos de un solo módulo y su marco metálico, la prueba de campo mide la resistencia eléctrica entre los terminales de la cadena fotovoltaica y el bus de tierra de la instalación (al que se deben conectar los marcos). de todos los módulos).

En Brasil se sigue la norma ABNT NBR 16274:2014 para realizar pruebas de resistencia eléctrica en campo, lo que concierne a las cadenas de sistemas fotovoltaicos. En la puesta en servicio de plantas fotovoltaicas, la ABNT NBR 16274:2014, actualmente en revisión, especifica dos métodos para probar la resistencia de aislamiento del conjunto fotovoltaico.

La norma establece que en situaciones donde los resultados sean cuestionables, se deberá realizar una prueba de humedad, en línea con lo que se realiza en los laboratorios, aunque los parámetros de aprobación sean diferentes. El tema de las pruebas de aislamiento en la puesta en servicio de sistemas fotovoltaicos se trata con mayor profundidad en el artículo publicado en Canal Solar: “Ensayo de resistencia de aislamiento en sistemas fotovoltaicos”.

Componentes del módulo fotovoltaico

La siguiente figura muestra los componentes de un módulo fotovoltaico típico, con vidrio frontal y lámina de plástico trasera (lámina trasera). Los componentes eléctricos de los módulos están encapsulados entre capas de plástico y vidrio. La encapsulación se realiza mediante un proceso de laminación al vacío, lo que debe dar como resultado un embalaje hermético y libre de aire en su interior.

El encapsulado de componentes eléctricos tiene como objetivo proporcionar estabilidad mecánica y aislamiento de las piezas eléctricas del medio exterior, evitando especialmente que las células fotovoltaicas sufran degradación por contacto con el aire o el agua.

En la figura superior vemos cómo se estructuran los siguientes componentes de un módulo fotovoltaico típico:

• Hoja trasera: En módulos como estándar,el hoja posterior Está compuesto por un material polimérico como Tedlar (fluoruro de polivinilo), que aparece como un plástico blanco. Conforma la estructura de aislamiento de la celda con el ambiente externo en la parte posterior del módulo;
• EVA: El etileno-acetato de vinilo es un termoplástico encapsulante, responsable de aislar eléctrica y mecánicamente las células fotovoltaicas del ambiente externo. Al tratarse de un polímero con excelente capacidad de aislamiento y alto grado de transmisividad óptica, es el material más extendido entre los módulos actualmente en el mercado;
• Células: Células fotovoltaicas conectadas mediante cintas metálicas (cintas) y soldaduras;
• Marco: Marco de módulo fotovoltaico, generalmente de aluminio;
• Caja de conexiones: Caja de conexiones del módulo fotovoltaico, donde se alojan los diodos de bypass y los terminales eléctricos de las células fotovoltaicas.

Modelado de resistencia de aislamiento

A partir de la composición de un módulo fotovoltaico típico es posible modelar la resistencia de aislamiento [Roy, 2015].

De este modelado se puede observar que la resistencia de aislamiento se calculará a partir de la resistencia resultante del paralelo entre R1, R2, R3 y R4 con las resistencias R5, R6, R7 y R8. Cabe señalar que la resistencia de aislamiento no tiene en cuenta las células fotovoltaicas, los diodos de bypass ni los cables solares, debido a que son partes activas y conductoras.

En cuanto a la contribución de cada una de las resistencias, tenemos los siguientes órdenes de magnitud:

• R1 y R8: miliohmios [mΩ];
• R2, R3 y R7: megaohmios [MΩ];
• R4 y R5: megaohmios a teraohmios [MΩ – TΩ];
• R6: teraohmios [TΩ].

La resistencia equivalente entre los terminales que se muestran en la figura anterior se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

Req = (R1+R2+R3+R4)*(R5+R6+R7+R8)/(R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8)

Esta resistencia suele tener una dimensión de gigaohmios [GΩ], según [Roy, 2015].

Consecuencias de un mal aislamiento de las partes activas

• corriente de fuga

Según la norma IEC 61215, el módulo tendrá aprobada su resistencia de aislamiento si el producto de la resistencia de aislamiento por su área es mayor o igual a 40 MΩ.m2. Esta resistencia debe medirse entre los terminales en cortocircuito y el marco del módulo, como se muestra en la Figura 2.

Realizando un cálculo sencillo, según la ley de Ohm, la corriente de fuga asociada a esta prueba debe ser inferior a 1 mA. Cabe mencionar que la resistencia de aislamiento en campo toma en su composición varios otros factores, así como la posibilidad de fuga de corriente a través de conductos y bandejas de cables.

A continuación se presenta la Tabla 1 de la norma ABNT NBR 16274:2014, que muestra la parametrización de la prueba y los valores mínimos esperados para la prueba de resistencia de aislamiento en cadenas fotovoltaicas.

En este escenario, tenemos dos valores distintos del parámetro de resistencia. Como los módulos se validan en laboratorios, se supone que la resistencia de aislamiento, cuando se fabrican recientemente, es de al menos menos 40 MΩ.m2.

Como los módulos suelen tener una superficie de unos 3,1 m2, la resistencia de aislamiento (medida entre los dos terminales y el marco) es de al menos 13 MΩ. En segundo lugar, los módulos en el campo están sujetos a diferentes condiciones ambientales, como temperaturas más altas y potencialmente una humedad más alta, lo que afecta directamente el comportamiento de aislamiento de los módulos.

Desde el punto de vista de la seguridad, la corriente de fuga de 1 mA no presenta mayores riesgos para la salud si cualquier individuo es sometido a ella. Sin embargo, el envejecimiento del módulo fotovoltaico puede reducir la resistencia y aumentar esta corriente de fuga con el tiempo.

• Aceleración de los procesos de degradación de los módulos fotovoltaicos

Una baja resistencia de aislamiento del módulo fotovoltaico produce una mayor amplitud de la corriente de fuga que circula en las partes inactivas (conductores no eléctricos), acelerando los procesos de degradación. El aumento de la corriente de fuga (o fallo de aislamiento) intensifica fenómenos de degradación como el efecto PID [Vinturini, 2919] y procesos corrosivos que degradan las células fotovoltaicas [Li, 2018].

Respecto al aislamiento constructivo del módulo fotovoltaico, un mal aislamiento de las partes activas del ambiente externo provoca que las células y medios encapsulantes entren en contacto con impurezas que aceleran los procesos de degradación, pudiendo generar burbujas, delaminación, amarilleamiento de las células, degradación. de soldaduras y en consecuencia, generando desajustes en las cuerdas [Manganiello, 2015][Sako, 2019]

Ensayo de resistencia de aislamiento eléctrico en condiciones secas según IEC 61215-2021

Según la norma, el objetivo de esta prueba es determinar si las partes activas del módulo fotovoltaico están suficientemente aisladas de las partes accesibles. Como se trata de una prueba que cubre todos los componentes del módulo fotovoltaico, sirve como referencia para las demás enumeradas en la IEC.

En otras palabras, antes y después de que el módulo sea sometido a otras pruebas de degradación, como estrés térmico, niebla salina, congelación, degradación UV (ultravioleta), estrés mecánico, entre otros, se evalúa su resistencia de aislamiento, lo que aumenta la importancia de esta prueba. Como requisito previo para la prueba, la temperatura ambiente aceptable para la prueba es de 25 ºC, con variaciones de hasta ±5 ºC, y la humedad relativa del aire ambiente debe ser inferior al 75%.

El equipo requerido para la prueba es: (a) fuente de alto voltaje CC con limitador de corriente, capaz de aplicar los voltajes necesarios para la prueba y (b) instrumento capaz de medir la resistencia de aislamiento. En la siguiente figura se muestra un equipo que incorpora ambas funciones, conocido como probador “hipot”.

Procedimientos de prueba de aislamiento según IEC 61215:2021

Inicialmente es necesario cortocircuitar los terminales del módulo fotovoltaico al terminal positivo del “hipot” mediante un pigtail en Y, como se muestra en la Figura 4.

El terminal negativo del probador “hipot” debe conectarse al marco metálico del módulo fotovoltaico bajo prueba, como se muestra en la Figura 5. En situaciones donde la muestra no tiene marco, como en algunos módulos del tipo doble vidrio, es necesario cubrir los bordes con papel de aluminio y luego conectar el terminal negativo a esta estructura auxiliar.

Una vez realizado el montaje de prueba, se debe configurar el probador “hipot” según los parámetros requeridos por la norma y según el área del módulo y la tensión máxima del sistema (generalmente 1000 V o 1500 V). Las dimensiones del módulo y su clase de tensión se encuentran en la etiqueta que debe acompañar al producto.

La primera prueba de aislamiento es un proceso de preacondicionamiento, donde se aplica un voltaje Vtest equivalente a 1000V + 2*Vmax del sistema, es decir, para módulos de 1000 V se debe aplicar un voltaje de 3000 V, mientras que para módulos de 1500 V el voltaje Se debe aplicar una tensión de 4000 V.

El comprobador “hipot” debe configurarse de manera que el aumento de tensión no supere una tasa de 500 V/s hasta que se alcance la tensión de prueba especificada. El preacondicionamiento se produce durante el período de 1 minuto bajo la tensión de prueba. Para que el módulo pase el preacondicionamiento, son decisivas dos condiciones:

• El material dieléctrico no puede sufrir rotura, es decir, el EVA no puede sufrir daños visibles.
• La resistencia medida entre los terminales no puede ser menor que el valor de Risol = (40 M.ohms/m2) / área del módulo.

Para que se cumpla la última condición, se configura el probador “hipot” de manera que la prueba se interrumpa (y en consecuencia falle) con una corriente de fuga mayor que Ifuga = Vteste / Risol.

Luego se realiza una segunda prueba, con los mismos supuestos de condición de falla. En este segundo caso, sin embargo, el módulo fotovoltaico se expone a una tensión igual a su tensión máxima del sistema durante 120 segundos.

Si el módulo fotovoltaico no alcanza el límite de corriente de fuga establecido al inicio del ensayo se podrá considerar aprobado. En la certificación INMETRO, que actualmente cumple con la ordenanza 004/2011, la prueba de aislamiento es la primera a la que se somete el módulo (después de la etapa inicial de estabilización a la luz solar).

Una vez superada esta prueba, el módulo se somete a las siguientes pruebas. La ordenanza INMETRO 004/2011 sigue los mismos parámetros y procedimientos especificados en la norma IEC 61215. La norma IEC 61215 incluye un amplio conjunto de pruebas que provocan un envejecimiento acelerado y la degradación de los módulos fotovoltaicos: niebla salina (ambiente salino), calor húmedo (calor húmedo), exposición a la luz UV (ultravioleta), carga mecánica, ciclo térmico (calentamiento y enfriamiento) y congelación por humedad (congelación en un ambiente húmedo).

Estos ensayos intensifican los procesos de degradación que se producirían de forma natural a lo largo de la vida útil del módulo fotovoltaico, por lo que antes y después de cada uno de estos ensayos se realiza la prueba de aislamiento eléctrico.

Conclusión

La prueba de resistencia de aislamiento descrita por la norma IEC 61215, y respetada por la ordenanza INMETRO 004/2014, establece los procedimientos necesarios para medir la capacidad de aislamiento de un módulo fotovoltaico en condiciones secas. La resistencia de aislamiento de un módulo fotovoltaico viene proporcionada por las capas de materiales aislantes utilizadas en su fabricación, siendo el EVA el principal material que contribuye a este aislamiento.

Según la norma IEC 61215, la resistencia de aislamiento mínima para la aprobación del módulo es de 40 MΩ.m2. Los valores siguientes se consideran potencialmente peligrosos en relación con la corriente de fuga, que podría provocar descargas eléctricas a la persona que manipula el módulo.

Además del aislamiento eléctrico, las células fotovoltaicas necesitan estar muy bien selladas del ambiente exterior, ya que su contacto con el agua, el aire y las impurezas pueden acelerar los procesos de degradación. La prueba de aislamiento eléctrico acaba siendo, indirectamente, una medida de la calidad del encapsulado de los componentes internos, cuya calidad es fundamental para alargar la vida útil del módulo.

Referencias

• [Hernández,2010] Hernández, JC, Vidal, PG, & Medina, A. (2010). Caracterización del aislamiento y corrientes de fuga de generadores fotovoltaicos: Relevancia para la seguridad humana. Energía renovable, 35(3), 593–601. https://doi.org/10.1016/j.renene.2009.08.006
• [Roy,2015] Roy, JN (2015). Modelado de características de aislamiento de módulos solares fotovoltaicos (SPV). Energía solar, 120, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.06.036
• [Vinturini, 2919] Mateus Vinturini, El efecto PID y su acción sobre los módulos fotovoltaicos, 2019. https://canalsolar.com.br/o-efeito-pid-e-sua-acao-sobre-os-modulos-fotovoltaicos/
• [Li, 2018] Li, J., Shen, YC, Hacke, P. y Kempe, M. (2018). Mecanismos electroquímicos de delaminación y corrosión mejoradas por corrientes de fuga en módulos fotovoltaicos de Si. Materiales de energía solar y células solares, 188 (mayo), 273–279. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.09.010
• [Manganiello, 2015] P. Manganiello, M. Balato y M. Vitelli, “Una encuesta sobre el desajuste y el envejecimiento de los módulos fotovoltaicos: el circuito cerrado”, IEEE Trans. en el Indo. Electron., vol. 62, págs. 7276–7286, 2015.
• [Sako, 2019] Sako, EY, Lucas De Souza Silva, J., Bastos Mesquita, D. De, Espino Campos, R., Moreira, HS, & Gradella Villalva, M. (2019). Conceptos y Caso de Estudio de Pérdidas por Desajuste en Módulos Fotovoltaicos. 2019.ª Conferencia Brasileña de Electrónica de Potencia del IEEE de 15 y 5.ª Conferencia Sureña de Electrónica de Potencia del IEEE, COBEP/SPEC 2019, 1–6. https://doi.org/10.1109/COBEP/SPEC44138.2019.9065311