Critérios para recondicionamento de instalações fotovoltaicas

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Este artigo — a ser publicado em duas partes — analisa inicialmente o conceito, as possibilidades e as limitações de retrofitting em geradores FV. A segunda parte, que estará na próxima edição de FotoVolt, vai quantificar a influência das diversas medidas sobre a rentabilidade da instalação.

Kai Barke, André Schumann e Martin John, da Solpeg GmbH (Alemanha)

Data: 11/10/2017

Edição: FV Setembro 2016 N^o6

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Com a disseminação de instalações de geração de energia soltar fotovoltaica (FV), e o aumento das horas de serviço acumuladas desses equipamentos, cresce também o desafio de mantê‐los em operação dentro de parâme‐ tros ótimos de economicidade. Nos últimos anos, patologias típicas da infância e outros efeitos de degradação já pes‐ quisados (PID) foram causas predominantes de perda de rentabilidade. Mas atualmente se ma‐ nifestam as consequências tardias de falhas de projeto e de instalações ina‐ dequadas, assim como de manutenção insuficiente. Quedas de rentabilidade resultam frequentemente de erros de dimensionamento e de materiais ou componentes impróprios. Também a falta de manutenção ou alterações nas condições ambientais podem ter in‐ fluência negativa sobre a rentabilidade da instalação. Muitas vezes a dimi‐ nuição da rentabilidade se situa numa faixa tal que o tipo de supervisão da instalação não permite identificar.

O conceito de retrofitting

Para a operação econômica de uma instalação FV corretamente projetada e instalada, é também necessária a ma‐ nutenção cuidadosa e regular, adap‐ tada à respectiva instalação. Uma falha num único elo da cadeia projeto – exe‐ cução – manutenção – operação pode causar, isoladamente ou em combina‐ ção com outras falhas ou influências externas, substancial redução da ren‐ tabilidade do gerador FV. A fim de utilizar plenamente o potencial do ge‐ rador são necessários, portanto, traba‐ lhos de reforma, atualização ou repa‐ ro. Esse conjunto de medidas para aumento da produtivi‐ dade, eficiência, vida útil e con‐ fiabilidade denomina‐se retro‐ fitting. Ao contrário do que ocor‐ re com a clássica repotenciação (repowering), que implica a subs‐ tituição parcial ou completa de equipamentos, em geral muito onerosa, é possível obter efeitos positivos com o retrofitting por meio de medidas relativamente simples e de baixo custo. Além de vantagens econômicas e ecológicas, o retrofitting normalmente dispensa a solicitação de nova licença de operação e formalidades congêne‐ res. Por isso, o cronograma do proces‐ so é flexível e de execução em prazo bastante curto.

A necessidade de retrofitting

Para que se possa otimizar uma instalação FV mediante retrofitting, deve ser constatada a existência de problemas econômicos reversíveis, que podem ocorrer em qualquer estágio da vida da instalação. A avaliação econômica das medidas de re- trofitting requer, pois, que seja sempre considerado o tempo de vida útil restante do equipa- mento. A seguir, são descritas diversas medidas de retrofitting e as respectivas causas que as tornam necessárias.

Erros de projeto

Muitos erros de projeto não permitem correção posterior dentro de critérios econômicos. Por exemplo, a substituição de cabos enterrados, para reduzir perdas ôhmicas, é geralmente inviável. De modo similar, tratando-se de usinas solares instaladas no solo, substituir completamente a estrutura de mon- tagem dos módulos FV, a fim de oti- mizar sua orientação, na maioria das vezes não é uma solução econômica. Contudo, conforme o tipo de suporte utilizado, uma adaptação da inclina- ção dos módulos FV pode trazer bene- fícios financeiros.

Configurações inadequadas na interligação dos módulos FV podem resultar em elevadas perdas por som- breamento. Em sistemas com múlti- plas séries de diversos módulos dis- postos na vertical formando os strings, as perdas por sombreamento podem ser reduzidas significativamente por meio de uma intervenção posterior que altere o esquema de interligação dos strings para o sentido horizontal (figuras 1 e 2). Em áreas com sombrea- mento causado por objetos externos próximos também se pode otimizar as configurações dos strings mediante uma análise da trajetória da sombra.

A conexão de módulos com ca- racterísticas elétricas heterogêneas num mesmo string resulta em perdas adicionais por incompatibilidade. Uma seleção posterior desses módulos reduz essas perdas. Analogamente, perdas por incompatibilidade negli- genciadas na fase de projeto, causadas por strings e módulos com orientações diversas conectados a um rastreador MPP, podem ser normalmente corri- gidas mais tarde. Em contrapartida, erros relativos à combinação e à interli- gação de componentes podem ter con- sequências muito dispendiosas. Erros na seleção dos componentes implicam sua substituição, complementação ou modificação que, conforme as circuns- tâncias, acarretam elevados custos.

Em geral, com o retrofitting é possí- vel adaptar o comprimento dos strings à faixa de tensão de entrada do inver- sor utilizado. Desse modo, consegue-se evitar as perdas por excesso ou redu- ção no valor das tensões admissíveis. Caso os inversores estejam evidente- mente subdimensionados, o que pode levar a perdas por limitação de potên- cia, a rentabilidade da instalação pode ser incrementada mediante um aumen- to posterior da potência do inversor. Neste caso, é preciso considerar a po- tência máxima admissível no ponto de alimentação. A alteração posterior do local de instalação dos inversores ou de outros componentes pode ser inte- ressante quando a potência máxima apresenta-se reduzida, por exemplo, em decorrência de más condições de arrefecimento.

Defeitos de instalação

Mesmo no caso de instalações FV bem planejadas e projetadas correta- mente pode existir, por experiência, um grande potencial de otimização. Independente- mente de desvios grossei- ros da instalação em relação ao projeto, como alteração na orientação dos módulos FV ou na configuração dos strings, a montagem de um gerador FV comporta uma variedade de possíveis defeitos passíveis de ser eliminados por medidas de retrofitting.

Defeitos de instalação devem ser normalmente identificados e eliminados a tempo nos ensaios de recebimento. Na falta de tais ensaios, ou quando eles são insuficientes, o risco de defei- tos ocultos aumenta substancialmente. Frequentemente, as consequências são perdas de rentabilidade. Pequenos defeitos, difíceis de descobrir, também podem resultar, ao longo de anos de operação da instalação, em problemas relevantes para a rentabilidade e para a segurança. Conexões soltas, sejam do tipo plugue-tomada ou com terminais aparafusados, podem causar aumento das resistências de contato e arcos elé- tricos, e provocar com isso o completo desligamento da instalação. Efeitos similares podem ter origem na corro- são das conexões dos cabos, em con- sequência da utilização de materiais inadequados. Ademais, o emprego de materiais e componentes inadequados reduz a vida útil de toda a instalação. Isso pode acontecer, por exemplo, com a perda de estabilidade mecânica devi- do à corrosão e sintomas de envelheci- mento, ou pela penetração de água em tomadas e caixas de conexão. Falta de proteção em cantos vivos pode danifi- car a isolação dos cabos com o passar do tempo e causar o colapso da instala- ção completa.

Outro fator capaz de prejudicar o desempenho da instalação é o ma- nuseio inadequado de componentes sensíveis durante a fase de montagem. Microfissuras nas células solares cau- sadas por esforços mecânicos durante a instalação afetam negativa e perma‐ nentemente o desempenho do gerador FV. Para atender a eventuais cláusulas de multa, tais casos devem ser tratados com brevidade. Mediante inspeções regulares e medidas de retrofitting em tempo hábil, podem ser evitados o colapso da instalação e falhas de fun‐ cionamento. Ademais, um ajuste fino da execução com o projeto logo após o término da montagem contribui para evitar danos de longo prazo.

Falhas de manutenção

Para que a operação de um gerador FV seja eficiente e livre de defeitos, a manutenção regular é indispensável. Testes periódicos também permitem detectar defeitos e outras causas de queda de rentabilidade, de modo que elas possam ser eliminadas ou otimiza‐ das no âmbito de medidas de retrofit- ting. A qualidade do sistema de super‐ visão também é decisiva para a rápida correção de defeitos. Nesse particular, principalmente em instalações FV de grande porte, é recomendável super‐ visionar individualmente as correntes de todos os strings. Esse procedimento possibilita reconhecer efeitos nocivos à rentabilidade mesmo em pequenos setores da instalação.

A fim de evitar perdas por sombrea‐ mento, especialmente em geradores FV montados no solo, é necessário po‐ dar a vegetação, que em poucas sema‐ nas pode alcançar os módulos e fazer sombra nas superfícies das células. A queda de rentabilidade daí resul‐ tante pode ser decisiva. Plantações nas áreas limítrofes da instalação FV devem ser observadas. O crescimento de plantas pode ainda interferir no funcionamento de outros componen‐ tes, como quadros, caixas de conexão (string boxes), e inversores decentra‐ lizados ou estações com inversores centrais. Plantas da espécie das tre‐ padeiras podem transpor as vedações de borracha dos invólucros e com isso permitir a contaminação por umidade e o ingresso de pequenos animais.

Além disso, o crescimento de plan‐ tas pode bloquear o funcionamento dos componentes de ventilação de in‐ versores instalados em áreas externas. O calor confinado no equipamento pode provocar queda de rentabilidade ou até mesmo o desligamento parcial ou total da instalação. A elevação de temperatura causada pelo efeito da vegetação não está excluída mesmo em se tratando de estações com inver‐ sores centralizados. Conforme o tipo de construção do inversor, a grade de ventilação e o filtro de ar encontram‐se logo abaixo da base de fundação, o que requer poda regular da vegetação para evitar perda de potência do inver‐ sor por efeito térmico.

Outra premissa importante para a produção otimizada de energia por geradores FV é a limpeza da superfície dos módulos a intervalos regulares. Os fatores de poluição dos módulos podem ser períodos de pouca chuva, poluentes trazidos pelo vento ou pela chuva (poeira, pólen, fuligem), excre‐ mentos de aves e folhas secas. O nível de influência sobre a rentabilidade depende, por exemplo, da construção mecânica (ângulo de montagem, altura do solo), das condições meteorológicas e das coordenadas do local.

Paralelamente à análise dos fatores redutores de rentabilidade causados por negligência de manutenção, pode‐ se também estudar a eventual mudan‐ ça de posição dos componentes da instalação, de modo a facilitar o acesso para serviços de manutenção.

Defeitos nos componentes

Componentes defeituosos podem igualmente contribuir para a perda de rentabilidade de geradores FV. Visando a otimização de custos, é fundamental que os defeitos sejam detectados, por exemplo, no curso de uma análise de retrofitting, em tempo hábil para fazer valer a garan‐ tia. Caso o reparo ou a substituição dos componentes defeituosos não seja possível rapidamente, pode ser conveniente modificar o esquema de interligaçãodos módulos (configuração dos strings) temporariamente, ou, em instalações antigas, definitivamente. Para evitar que módulos defeituosos prejudiquem o desempenho de strings inteiros, ou mesmo a instalação como um todo, eles podem ser trocados por módulos novos interconectados em strings separados.

Outros tópicos

Em certos casos, geradores FV li‐ vres de falhas e defeitos também po‐ dem ser otimizados via retrofitting. De um lado, isso pode ser obtido com a instalação de componentes adicionais. Por exemplo, é possível incrementar a rentabilidade de instalações sujeitas a sombreamento intenso por meio de otimizadores de potência. Esses dis‐ positivos ajustam o melhor ponto de potência para cada módulo e tratam de minimizar os efeitos do sombreamen‐ to. Tal recurso possibilita realizar uma supervisão detalhada da instalação. Em instalações não supervisionadas, é geralmente vantajoso implementar um sistema supervisório.

Por outro lado, o retrofitting é uma oportunidade de melhorar a qualidade dos componentes. Neste caso, o poten‐ cial está nas instalações mais antigas, onde a substituição de inversores por modelos mais modernos e eficientes pode aumentar a rentabilidade da instalação. O mesmo se aplica à insta‐ lação posterior de um sistema supervi‐ sório com melhores características de monitoramento e alarme.