Termografia aérea de usinas solares fotovoltaicas

A termografia é uma conhecida aliada na detecção de falhas em instalações elétricas. Nas usinas fotovoltaicas, a técnica pode ser empregada também na avaliação dos painéis solares.

Ela deve ser realizada no comissionamento e nas intervenções rotineiras de operação e manutenção (O&M) das usinas fotovoltaicas.

Termografia é o nome que damos ao processo de obtenção de imagens por meio de uma câmera equipada com sensor de radiação infravermelha.

O infravermelho é a parte do espectro da radiação eletromagnética associada à transmissão do calor. Ao obtermos uma imagem infravermelha estamos na prática enxergando a quantidade de calor emitida pelos corpos.

A intensidade da luz infravermelha irradiada por um objeto permite identificar sua temperatura. Essa poderosa ferramenta é útil para mapear a temperatura dos objetos, permitindo ampliar bastante a percepção de falhas em sistemas fotovoltaicos e elétricos em geral.

Elevações de temperatura pontuais em módulos fotovoltaicos são, em geral, indício de danos ou defeitos de fabricação.

Ocorrências desse tipo devem ser detectadas no início da operação da usina, na etapa de comissionamento a quente (quando a usina ou parte dela é colocada em operação ainda na fase de testes) e também em ações de operação e manutenção que devem ser realizadas periodicamente ao longo da vida útil do sistema.

Câmeras de infravermelho estão disponíveis no mercado em uma ampla gama de modelos e características. O que geralmente diferencia um equipamento de outro são sua resolução gráfica, sua sensibilidade térmica e os seus recursos tecnológicos, como a possibilidade de sobrepor diferentes camadas de imagens e configurar os mapas cromáticos, entre outras coisas.

Uma câmera de grande resolução pode permitir a inspeção simultânea de grandes áreas, enquanto uma resolução menor requer maior atenção em objetos individuais, o que dificulta o processo de análise termográfica em grandes sistemas.

Em se tratando de usinas solares – em solo ou telhado – com mais de uma centena de módulos torna-se importante o uso da termografia aérea, que pode ser realizada por meio de um drone equipado com uma câmera termográfica.

Drones têm se tornado equipamentos imprescindíveis na manutenção de usinas fotovoltaicas. Felizmente, esses equipamentos estão cada vez mais acessíveis e existem modelos bastante sofisticados ao alcance de profissionais e empresas de pequeno porte.

Os drones disponíveis no mercado possuem recursos tecnológicos que permitem a realização de sobrevoos com trajetos programados em usinas fotovoltaicas, tornando muito ágil o processo de inspeção térmica.

Os drones já são fornecidos pelo fabricante em versões específicas para a realização de termografia, não sendo necessária (nem recomendável) a realização de adaptações em equipamentos para imagens convencionais.

Problemas que podem ser detectados

O objetivo da termografia aérea é a inspeção dos painéis solares da usina fotovoltaica. A inspeção de cabos e conexões elétricas deve ser realizada por termografia terrestre, com câmeras manuais.

Os defeitos mais comuns encontrados nos módulos fotovoltaicos são:

• Células quebradas ou fissuradas durante o transporte, ou durante a instalação;
• Vidros quebrados durante o processo de corte da vegetação ou durante a limpeza;
• Descolamento de células por falha na laminação (processo de fabricação);
• Penetração de umidade causada geralmente por defeitos na folha plástica traseira (backsheet) do módulo;
• Defeitos nas conexões elétricas e defeitos nos diodos da caixa de junção.

A presença de anomalias térmicas percebidas na forma de pontos quentes (hotspots) pode indicar a existência de um desses defeitos.

A identificação de módulos defeituosos é importante para evitar problemas no desempenho e na segurança das usinas. Módulos com células muito quentes podem tornar-se focos de incêndio.

Mesmo nas situações que não evoluem para casos de incêndio, os defeitos ocasionam a redução do desempenho e limitam a vida útil do sistema.

Tabela 1: Algumas anomalias que podem ser percebidas pela inspeção termográfica dos módulos fotovoltaicos. Fonte: adaptado de Guia de Termografia Testo

Estudo de casos

Usina de minigeração em solo

As imagens abaixo foram capturadas com um drone DJI Mavic 2 Entreprise Dual, equipado com câmera convencional e câmera infravermelha.

Neste caso, não foram detectadas anomalias nos módulos fotovoltaicos. As imagens termográficas indicaram superfícies com temperaturas uniformemente distribuídas, sem pontos de alta concentração térmica (hotspots).

Usina experimental em solo

No caso mostrado abaixo, detectaram-se pontos de sobreaquecimento causados pela presença de uma sombra.

A presença de sombras ou sujeiras pode falsear os resultados da inspeção termográfica. É importante que os módulos estejam limpos e operando sob condições uniformes de irradiação solar.

Sistemas fotovoltaicos em telhado

A figura a seguir mostra imagens que revelam um sistema fotovoltaico em telhado livre de anormalidades térmicas. O diagnóstico foi posteriormente confirmado com imagens mais próximas.

Por outro lado, a figura a seguir mostra um sistema fotovoltaico, também em telhado, no qual foi detectado um defeito em um dos módulos.

O problema passou despercebido nos testes elétricos. Não há sujeira ou dano visível ao painel, indicando um possível defeito de fabricação.

Cuidados durante a inspeção termográfica

Existem muitos detalhes na ciência da termografia. A determinação precisa da temperatura de um ponto depende da emissividade da superfície inspecionada, da distância e do ângulo de posicionamento da câmera, entre outras coisas.

Entretanto, no escopo da inspeção das usinas fotovoltaicas o que se busca não é a determinação exata das temperaturas superficiais, mas sim a identificação de padrões de temperaturas que possam revelar anormalidades.

Um profissional devidamente treinado no manuseio do drone, mesmo sem conhecimentos avançados sobre técnicas de termografia, é capaz de realizar com êxito inspeções de comissionamento ou rotineiras nas usinas fotovoltaicas.

O vidro presente na parte frontal do módulo fotovoltaico atrapalha a análise da distribuição da temperatura das células.

Isso se deve ao fato de que o vidro reflete a luz presente no ambiente. A radiação luminosa do vidro mistura-se com a luz infravermelha irradiada pelas células fotovoltaicas, impedindo a percepção clara do que ocorre com as células.

A literatura recomenda câmeras infravermelhas com sensibilidade térmica inferior a 80 mK (mili-kelvin) para a obtenção de boas imagens termográficas de módulos fotovoltaicos.

Um problema muito conhecido na prática da termografia é a falsa identificação de ponto quente causada pelo reflexo do disco solar ou pela reflexão de objetos próximos.

A figura a seguir exemplifica essa situação. Isso pode ser corrigido através do ajuste do ângulo de posicionamento da câmera. Embora dificilmente um termografista experiente se deixe enganar por esse fenômeno, a presença do reflexo altera a escala cromática e torna difícil a  identificação do problema real.

Outro aspecto importante é que os módulos devem estar operando próximo à sua temperatura normal de trabalho. O sistema deve ser ligado e deve ser mantido em operação por alguns minutos até que a temperatura se estabilize.

O ideal é que a inspeção termográfica seja realizada o mais próximo possível do meio-dia, com uma irradiância mínima de 700 W/m².

Em outras palavras, testes realizados em dias nublados ou chuvosos não produzirão resultados aceitáveis. O sistema fotovoltaico deve estar o mais próximo possível da temperatura NOCT (normal cell operating temperature) para que a termografia apresente resultados confiáveis.

A resolução gráfica da câmera empregada também impacta os resultados. Câmeras de baixa resolução vão exigir proximidade com o objeto a ser inspecionado, o que torna mais lentos os trabalhos de inspeção de usinas fotovoltaicas.

A resolução mínima considerada aceitável para a termografia de sistemas fotovoltaicos encontra-se em torno de 320 x 240 pixels, sendo que a resolução recomendável deve ser superior a 640 x 480 pixels.