Teste de salt spray para módulos fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos podem ser empregados em uma grande diversidade de locais como grandes cidades, regiões litorâneas, fazendas, rios, florestas, desertos ou até mesmo no espaço. Cada uma dessas localidades exige que os equipamentos empregados possuam características especiais, garantindo o seu devido funcionamento ao longo de sua operação. Este artigo vai abordar estudos relacionados aos efeitos da salinidade presente nas regiões litorâneas sobre os módulos fotovoltaicos, além de apresentar o teste de salt spray, que é um dos procedimentos de avaliação que podem ser realizados nos módulos fotovoltaicos para assegurar sua qualidade e durabilidade. Os módulos fotovoltaicos são desenvolvidos para suportar as mais diversas condições ambientais, sejam condições de vento, chuva, neve, granizo, maresia, radiação ultravioleta ou até mesmo a amônia presente no ar. Visando à certificação de acordo com padrões de conformidade, a IEC (International Electrotechnical Commision) propõe na norma IEC 61215, uma sequência de testes que determinam as características elétricas, térmicas e mecânicas de um módulo fotovoltaico. Por se tratar de uma norma que abrange diversos testes de qualificação de módulos fotovoltaicos, ela se tornou uma referência para a Portaria 004/2011 do INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia), a qual regulamenta a certificação dos módulos fotovoltaicos em nosso território. Embora a certificação compulsória do INMETRO exija apenas uma pequena parte dos requisitos da norma IEC 61215, os próprios fabricantes solicitam testes mais específicos aos grandes laboratórios de teste, podendo adquirir selos de qualidade de diferentes níveis – como por exemplo, o selo de certificação TÜV, que contempla todos os testes descritos na norma da IEC. No Brasil existem algumas iniciativas no sentido de realizar testes complementares aos exigidos pelo INMETRO. O LESF (Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos) da UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas), por exemplo, deverá realizar a partir de 2021 uma grande parte dos procedimentos listados na norma IEC 61215 e complementares, proporcionando uma referência adicional de qualidade aos módulos fotovoltaicos comercializados no mercado nacional. Por se tratar de uma norma que contém os principais testes que caracterizam um módulo fotovoltaico, a IEC 61215 é comumente citada em outras normas regem diferentes condições de atuação dos módulos fotovoltaico. Como o escopo deste artigo é voltado para os efeitos de salinidade sobre os módulos fotovoltaicos, serão apresentadas discussões sobre a IEC 60068-2-52 (norma de testes ambientais com módulos fotovoltaicos, a qual define os testes sob condições secas, úmidas e salinas), além da IEC 61701 (norma de teste de corrosão de módulos fotovoltaicos devido à névoa salina). Pelo fato de este artigo orbitar em torno do efeito da salinidade sobre os módulos fotovoltaicos de acordo com as normas supracitadas, também serão demonstrados os procedimentos dos testes de salt spray.

Motivação do teste de salt spray

Em instalações fotovoltaicas próximas às regiões litorâneas, há uma grande preocupação a respeito de um fenômeno denominado névoa salina, popularmente conhecida como maresia. Este efeito ocorre devido ao fato de as ondas do mar, ao quebrarem na costa litorânea, liberarem um spray com teor salino, fazendo com que as partículas de sal fiquem dispersas no ar. A propagação do spray marinho no ar depende de diversos fatores, tais como: concentração de sal marinho dos oceanos, umidade relativa do ar, propagação de ventos na região, temperatura ambiente, além das construções civis nas proximidades. Em função dos diversos fatores apresentados, a propagação da névoa salina possui um padrão completamente diferente de uma localidade para a outra. De acordo com o mapa de salinidade dos oceanos, podem-se notar as diferentes concentrações de sal, demonstrando que o efeito da névoa salina pode se apresentar com diferentes níveis de intensidade nas mais diversas localidades do mundo. A costa litorânea brasileira, por exemplo, é uma das regiões que apresentam os maiores níveis de salinidade no mundo.

Um estudo realizado no Rio de Janeiro analisou o alcance do spray marinho proveniente do mar que banha a praia de Copacabana. Neste estudo, teve-se como resultado a presença de sais marinhos a uma distância de 7 km da costa, demonstrando que os efeitos da salinidade devem ser considerados, mesmo que a instalação esteja relativamente distante do mar. Mediante o inerente efeito corrosivo da maresia sobre elementos metálicos, resta saber como os módulos fotovoltaicos se comportam diante deste fenômeno natural. O teste de salt spray envolve três diferentes normas, sendo elas: IEC 61701, IEC 61215 e a IEC 60068-2-52. Para a sua execução, são necessárias duas amostras de mesmo modelo para a realização do ciclo de testes.

Procedimentos preparatórios

Diante do fato de o teste de salt spray ser uma atividade que causa danos ao módulo fotovoltaico, a norma IEC 61701 define uma série de testes que devem ser executados previamente e posteriormente ao teste de salt spray, a fim de elucidar qualitativamente os efeitos do teste. Os testes prévios ao teste do salt spray são os seguintes:

• Pré-condicionamento com luz ultravioleta (UV), no qual o módulo é exposto a uma radiação ultravioleta de, no mínimo, 5 kWh/m2;
• Inspeção visual para detectar quaisquer imperfeições ou degradações no módulo.;
• Teste de flash para determinar as principais características elétricas como Isc (corrente de curto-circuito), Voc (tensão de circuito aberto), Pmp (máxima potência);
• Teste de resistência de isolamento;
• Teste de corrente de fuga com umidade.

Câmara de salt spray

Finalizada a coleta de dados preliminares das amostras, os módulos estão preparados para realizar o teste de salt spray. Neste instante, a norma IEC 60068-2-52 será preponderante para definir os requisitos de teste das amostras em questão. Esta norma regulamenta 8 diferentes testes de névoa salina, baseados em 3 diferentes processos. Por este motivo, faz-se necessário explicitar os principais mecanismos que compõem a câmara de salt spray.

A câmara possui conexão hidráulica com uma fonte de água deionizada, de forma que possa ter o seu tanque da solução preenchido por um líquido sem minerais que possam afetar negativamente o teste. Neste mesmo tanque, são misturados 100 litros de água deionizada e 5 kg de cloreto de sódio de alta pureza, compondo a solução salina especificada de acordo com a IEC 60068-2-52. Para que esta solução se torne efetivamente uma névoa salina, é necessário que a solução passe pela torre de saturação (componente interno da máquina). Nesta torre a solução é aquecida e pressurizada através de um compressor, atingindo uma combinação ideal de temperatura e pressão para a transformação da água em névoa. A neblina gerada pela torre de saturação é direcionada para a torre de dispersão da solução, fazendo o spray salino possa se espalhar pela câmara. Ao fim dos testes que envolvem a névoa salina, o funil de coleta de solução capta as partículas dispersas no ar, transportando as partículas de volta para o tanque da solução. A norma IEC 600682-52 menciona 8 diferentes testes, baseados em quatro diferentes processos que podem ocorrer na câmara, além de explicitar os níveis de intensidade de cada processo, sendo os seguintes processos:

1. Processo de névoa salina: Neste processo a amostra fica exposta a uma névoa salina durante 2 horas e uma temperatura de 35oC ± 2oC. A solução, ao se depositar na superfície da amostra, pode criar uma película eletrolítica, podendo iniciar o processo de corrosão;
2. Processo sob condição seca: Neste processo a câmara atua sob uma temperatura de 60oC ±  2oC e umidade relativa de 30%, durante 4 horas. O ar aquecido causa a evaporação da água na superfície da amostra, aumentando a concentração das partículas salinas na superfície da amostra, acelerando, portanto, o processo de corrosão;
3. Processo de condição úmida precedida da névoa salina: Neste processo, a câmara atua durante 22 horas seguidas sob uma temperatura de 40 oC ± 2 oC, além de uma umidade relativa de 93% ± 3%. Este funcionamento do equipamento mantém a umidade existente sobre a superfície do módulo ao fim do processo de névoa salina;
4. Processo de atmosfera padrão: Neste último processo que pode ser executado pela câmara, a temperatura e umidade relativas são próximas das condições normais de ambiente. Tal processo serve para que a solução depositada na amostra seque naturalmente, podendo desencadear diferentes processos corrosivos nos módulos.

Com base nestes procedimentos, a IEC60068-2-52 define 8 diferentes testes para diferentes escopos de análises, sendo eles:

• Testes 1 e 2: Testes voltados para elementos que operam nas proximidades do oceano, sendo de alto interesse para módulos instalados em embarcações navais ou nas mediações do litoral, cujo período varia entre 3 a 28 dias;
• Testes 3 a 6: Testes voltados para elementos que operam sob condições intermitentes de salinidade, com períodos de teste que variam entre 7 a 56 dias;
• Testes 7 e 8: Testes voltados para o âmbito automobilístico, cujo período varia de 1 a 60 dias.

Embora estes testes não consigam retratar perfeitamente uma situação real de maresia, o teste 3 da IEC 60068-2-52 é o que mais se aproxima da interação spray salino e módulo fotovoltaico, além de possuir um período de teste satisfatório para que seja possível realizar análises comparativas do efeito sobre as amostras.

Método de teste 3 da norma IEC60068-2-52

De acordo com o teste 3 da norma IEC 60068-2-52, durante 4 dias os módulos são submetidos por 2 horas a uma névoa salina e em seguida são submetidos durante 22 horas a condições de umidade. A umidade relativa da câmara deve se encontrar no intervalo de 90% a 96%, além de uma temperatura interna de 38oC a 42oC. Finalmente, os módulos ficam na câmara por mais 3 dias sob condições de ambiente usuais de 21oC a 25oC e umidade relativa entre 45% a 50%. O fluxograma do teste na câmara é mostrado na Figura 4.

Procedimentos finais

Finalizado o ciclo de testes, o módulo é cuidadosamente retirado da câmara e imediatamente higienizado com água desmineralizada, de modo que os resíduos salinos sejam completamente removidos. Em seguida, o módulo é sujeito a uma nova sequência de testes, a fim de comparar com os resultados obtidos previamente ao teste. O primeiro teste a ser feito é o da inspeção visual. Nesta etapa, buscam-se vestígios de degradações no elemento de teste, tais como: corrosão das superfícies metálicas, dos conectores MC4, dos diodos de by-pass e também das soldas internas. Como os módulos passam por um ciclo térmico, as soldas internas acabam sendo cuidadosamente avaliadas, visto que o processo de contração e expansão das soldas ocorre devido a esta variação térmica. Em casos em que a solda é de baixa qualidade, as bruscas variações de temperatura podem causar danos irreversíveis às conexões e trazer consequências indesejadas como a maior propensão a hotspots [3]. As falhas podem ser detectadas visualmente, bastando checar se as soldas que ligam as busbars estão deformadas, ou demonstrando descontinuidades elétricas. Em seguida é realizado o teste de flash, a fim de analisar se os parâmetros elétricos foram mantidos ou se houve alguma degradação significativa durante o processo. Após este teste, o elemento passa pelo teste de corrente de fuga em condições de umidade, visando à comparação da resistência de isolação do módulo antes e depois do teste. Por fim, o módulo passa por um teste de ativação dos diodos de by-pass. Neste teste, uma das células é totalmente sombreada com o auxílio de um anteparo escuro e em seguida o módulo passa novamente pelo de teste de flash para verificar o devido funcionamento do diodo.

Requisitos de aprovação

Após a realização da sequência de testes na câmara de salt spray os seguintes requisitos devem ser observados para a aprovação ou reprovação dos módulos fotovoltaicos:

• As amostras devem passar por uma rigorosa inspeção visual, descrita pela norma IEC 61730-2, sem apresentar deterioração mecânica ou corrosão dos componentes do módulo;
• A potência máxima medida de acordo com o teste de flash não pode ser inferior a 5% em relação ao valor medido antes do teste;
• As resistências de isolamento sob condições secas e úmidas devem se manter íntegras;
• Os diodos de by-pass do módulo devem se manter íntegros.

Conclusão

Os módulos fotovoltaicos devem passar por rigorosos testes laboratoriais antes de se poder afirmar, com certeza, que são capazes de suportar as mais diversas condições de operação. O teste de salt spray, que corresponde à submissão do produto a um ambiente de névoa salina, é um importante procedimento de qualificação dos módulos fotovoltaicos no escopo de análises. O teste de salt spray não é exigido no Brasil, mas diversos fabricantes mundiais submetem seus produtos à certificação em laboratórios internacionais. Caso o consumidor tenha a necessidade de saber se o módulo possui certificação para atuar em regiões de elevada salinidade, é recomendável consultar a folha de dados do produto ou entrar em contato com o distribuidor ou o próprio fabricante.