Testes de carga mecânica dos módulos fotovoltaicos

Artigo publicado na 11ª edição da Revista Canal Solar

Os testes de carga mecânica são um dos requisitos para a homologação internacional de módulos fotovoltaicos de acordo com a norma IEC 61215. No Brasil esta homologação ainda não é obrigatória e os testes não fazem parte da lista de ensaios exigidos pelo INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia).

Entretanto, os testes de carga mecânica já são realizados (ainda em caráter de pesquisa) no LESF (Laboratório de Energia e Sistema Fotovoltaicos), construído em uma parceria entre a BYD Energy e a UNICAMP, Universidade Estadual de Campinas.

Originalmente exigia-se, de acordo com a norma IEC 61215, apenas o teste de carga mecânica estática, ou seja, com a aplicação de pressões constantes sobre os módulos pelo período de uma hora – alternando-se entre pressão negativa e positiva ao longo de três ciclos.

A versão mais recente da norma IEC 61215 (de 2021) incluiu o teste de carga dinâmica no conjunto de testes obrigatórios, que deve ser realizado conforme os procedimentos da norma IEC 62782:2016, tornando ainda mais rígido o controle de qualidade dos módulos fotovoltaicos que almejam obter a certificação internacional.

A principal motivação para o teste de carga mecânica estática está relacionada a um problema encontrado nos países de clima frio: a neve que se acumula sobre os módulos durante o inverno.

O carregamento de neve representa um problema significativo para a integridade dos módulos fotovoltaicos. O peso da neve acumulada exercida sobre os módulos fotovoltaicos pode causar a quebra das células e a redução da sua vida útil.

No Brasil não temos o problema relacionado à neve, mas de qualquer forma o teste de carga mecânica estática é um bom parâmetro para verificar a resistência mecânica do produto. Muitos efeitos climáticos, como temporais com chuvas e ventos fortes, causam preocupação quanto à durabilidade dos módulos fotovoltaicos ao longo de sua vida útil.

O endurecimento das exigências da IEC 61215 com relação aos testes de carga mecânica vem ao encontro da necessidade de testar módulos capazes de suportar diferentes intempéries sem sofrer danos severos ou deterioração acelerada.

Os testes das normas IEC examinam o efeito de cargas uniformes estáticas ou dinâmicas sobre os módulos fotovoltaicos, mas não consideraram as cargas não uniformes devido aos efeitos dos ventos.

Embora sejam importantes como testes de qualidade, os procedimentos normativos atualmente existentes não reproduzem a complexidade e a intensidade das ações sofridas pelos módulos fotovoltaicos em condições reais.

Existe ainda o desafio de aprimorar os procedimentos dos testes de carga mecânica, sobretudo para ventos fortes, além de compreender de que forma os diferentes fenômenos climáticos afetam a integridade dos componentes e reduzem a vida útil dos módulos fotovoltaicos.

Preparação da amostra

O módulo fotovoltaico a ser testado deve ser submetido a um processo de pré-condicionamento, de acordo com a IEC 61215-2. Esse pré-condicionamento tem o objetivo de estabilizar a potência do módulo, fazendo-o sofrer a degradação inicial de potência a que todo módulo cristalino está sujeito nas primeiras horas de uso.

O procedimento consiste em deixar o módulo exposto a uma irradiação acumulada entre 5 kWh/m2 e 5,5 kWh/m2, com luz natural ou artificial. O tempo de pré-condicionamento depende da irradiância disponível, que pode depender das condições climáticas caso o procedimento seja realizado com luz natural.

Considerando, por exemplo, uma irradiância média de 800 W/m2, o teste deve demorar em torno de 7 horas para ser concluído. Tipicamente esse teste demora de 1 a 2 dias, se as condições climáticas forem favoráveis.

Testes de qualificação e aprovação

Os testes de qualificação são necessários para verificar o estado de saúde do módulo antes e depois dos ensaios mecânicos.

Teste 1: Inspeção visual

O objetivo do teste de inspeção visual é principalmente verificar defeitos de fabricação ou danos ocorridos após os ensaios mecânicos. Normalmente, defeitos em células e conexões elétricas não podem ser percebidos nesta inspeção.

O que se busca neste teste são defeitos que possam reprovar o módulo, impedindo que um módulo em más condições seja testado. Além disso, após a realização dos ensaios mecânicos, deseja-se verificar se o módulo ainda continua íntegro.

A inspeção visual poderá revelar a existência de bolhas e delaminação (descolamento do material plástico que envolve as células), desalinhamento de células, soldas mal feitas, defeitos e trincas no vidro, deformações na moldura, falhas nas vedações, danos na caixa de junção e rachaduras ou arranhões no backsheet, por exemplo.

Teste 2: Máxima potência

O teste de máxima potência é realizado com um pulso de luz. Para isso utiliza-se uma máquina capaz de emitir um flash de luz com as mesmas características da luz solar.

Durante o teste é obtida a curva I-V (de corrente e tensão) do módulo fotovoltaico em STC (condições padrão de teste), a partir da qual se obtêm os parâmetros elétricos (potência de pico, tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito).

O módulo será considerado aprovado neste teste se, após ter passado pelos ensaios mecânicos, não tiver sofrido degradação de potência superior a 5%.

Teste 3: Isolação elétrica

O principal objetivo do teste de isolação elétrica é atestar a segurança do módulo, verificando se ele oferece risco de choques elétricos quando estiver em funcionamento.

Um módulo fotovoltaico em bom estado não permite qualquer contato de pessoas com os componentes internos (células, condutores elétricos e outras partes vivas). Além disso, o teste de isolação também é usado para verificar a extensão dos danos sofridos pelo módulo após passar por determinados testes.

A redução do valor da resistência de isolação elétrica é um forte indicativo de deterioração do módulo, o que pode causar sua reprovação. Em qualquer situação, antes ou depois dos ensaios mecânicos, a resistência de isolação elétrica do módulo não pode ser inferior a 40 MΩ/m2 (resistência entre os terminais elétricos e a moldura dividida pela área do módulo fotovoltaico).

Teste 4: Eletroluminescência

Embora a norma IEC 61215 não exija o teste de eletroluminescência, este procedimento é um importante aliado na verificação de defeitos nas células fotovoltaicas e também nas interconexões elétricas das células.

Neste teste, o módulo fotovoltaico é alimentado por uma fonte de energia externa, funcionando como um diodo emissor de luz. O brilho emitido pelas células fotovoltaicas não é visível ao olho humano, mas pode ser detectado com uma câmera especial.

O resultado do teste de eletroluminescência é uma imagem que se parece com um “raio-X”. A imagem de eletroluminescência denuncia a existência de trincas e microfissuras nas células fotovoltaicas. Não há um parâmetro claro para definir um critério de aprovação no teste de eletroluminescência.

Idealmente, espera-se que nenhuma trinca ou microfissura ocorra nas células fotovoltaicas, mas isso é impossível. Após os ensaios mecânicos, algum grau de deterioração das células será percebido. O critério objetivo de aprovação ou reprovação é a verificação da potência de saída do módulo, bem como da resistência de isolação (testes 2 e 3).

O teste de eletroluminescência pode ser útil para revelar uma quantidade maior ou menor de células danificadas, permitindo comparar diferentes modos de instalação, diferentes modelos ou fabricantes ou diferentes configurações (pressão aplicada, número de ciclos, velocidade) para os testes mecânicos, entre outras coisas.

Procedimentos de teste de carga mecânica estática

Este teste consiste em aplicar pressões positiva e negativa de no mínimo 2400 Pa sobre a superfície do módulo durante o período de 1 hora para cada valor de pressão.

O teste possui 3 ciclos, cada qual contendo 1 hora de aplicação de pressão positiva e 1 hora de aplicação de tensão negativa. O teste total tem duração de 6 horas.

Embora a norma IEC 61215 exija uma pressão mínima de 2400 Pa, muitos fabricantes especificam seus módulos para valores de pressão superiores, como 3600 Pa, 4000 Pa ou 5400 Pa.

Os fabricantes definem as pressões positivas e negativas suportadas pelos módulos de acordo com o método de fixação, como no exemplo a seguir.

O teste deve ser realizado de acordo com os valores apresentados na folha de dados, além dos valores mínimos exigidos por norma. Durante o teste deve ser aplicada uma pequena corrente elétrica por meio de uma fonte de alimentação externa.

A tensão do módulo deve ser mantida próximo de sua tensão de circuito aberto. Isto serve para garantir a continuidade elétrica do módulo durante os ensaios mecânicos. Se a corrente for cortada e houver perda de continuidade, isso significa que o módulo foi danificado e deve ser imediatamente reprovado.

O teste de carga mecânica estática pode ser realizado de várias formas, com a aplicação de sacos de areia ou colunas d’água com o módulo virado para cima e para baixo (para aplicar pressão positiva e negativa em relação à superfície do vidro frontal).

O método mais adequado, entretanto, é a utilização de uma máquina de teste de carga mecânica dotada de ventosas e cilindros pneumáticos. Os testes são feitos apenas com o módulo virado com sua face frontal para cima. A ventosas grudam-se à superfície do vidro, permitindo aplicar pressões positivas (empurrando o módulo para baixo) e negativas (puxando o módulo).

O controle dos cilindros pneumáticos permite ajustar com precisão a pressão exercida sobre o módulo, além de permitir testes com diferentes valores de pressão, de acordo com a configuração feita pelo usuário. A figura a seguir, ilustra uma máquina Hototech para teste de carga mecânica, modelo HTPV-08B.

As configurações de pressão e tempo de aplicação podem ser definidas pelo usuário. A precisão da pressão aplicada é de 5%. O equipamento tem 12 cilindros, distribuídos em 4 grupos, que movimentam ventosas pneumáticas que se prendem à superfície do módulo fotovoltaico.

Procedimentos de teste de carga mecânica dinâmica

O teste de carga dinâmica (ou cíclica) é realizado de acordo com a norma IEC 62782:2016, com ciclos compostos por aplicação de pressão positiva 1200 Pa (módulo sendo pressionado) e negativa de -1200 Pa (módulo sendo puxado por ventosas).

São realizados 1000 ciclos com aplicação de pressão positiva e negativa, com duração de 6 segundos para cada aplicação. Na realidade, o que difere os testes de carga estática e dinâmica são a quantidade de ciclos, a intensidade (pressão aplicada) e a velocidade.

Conclusões

Os testes de carga mecânica estática e dinâmica objetivam verificar a suportabilidade do módulo ao estresse mecânico. Originalmente a norma IEC 61215 exigia apenas o teste estático, cuja motivação principal era verificar a capacidade do módulo de suportar cargas de neve nos países de clima frio. Recentemente, a norma IEC 61215 passou a exigir também o teste de carga dinâmica, cujo procedimento é descrito em outra norma – IEC 62782.

* Artigo escrito com a colaboração de Mendelsson Rainer, Thais Crestani e Eslam Mahmoudi

---

As opiniões e informações expressas são de exclusiva responsabilidade do autor e não obrigatoriamente representam a posição oficial do Canal Solar.