Módulos solares de grande formato e premissas legadas

Da pv magazine Global

Na conferência RE+ 2023, em Las Vegas, fornecedores de todo o mundo exibiram seus maiores, e mais finos,  módulos solares bifaciais, mostrando conquistas em eficiência fotovoltaica de custo. Ostentando potências antes impensáveis, o rolo compressor de redução de custos da energia solar avançou.

Para aqueles entre nós que projetaram um módulo solar e realizaram testes de carga mecânica, há um detalhe que se destaca e implora por mais exploração. Estes módulos maciços vêm equipados com alguns dos menores frames de módulo já vistos.

O módulo de 2 por 1 metro anteriormente onipresente com uma altura de frame de 50 mm é agora aproximadamente 55% maior em área de superfície com alturas de quadro tão baixas quanto 30 mm. Como isso é possível quando as cargas mecânicas permanecem constantes e a altura de uma viga é de suma importância para sua resistência? Essa física vale para pontes, edifícios e até mesmo a estrutura de um módulo solar. A carga de vento e neve, por exemplo, aumenta proporcionalmente com o aumento da área de superfície, mas os quadros de módulo mais recentes e mais longos de todos os tempos veem uma redução de altura de aproximadamente 40%, reduzindo severamente sua capacidade de carga.

Os módulos são testados para vários testes de carga mecânica padrão para certificação. Esses testes aplicam cargas no lado frontal e traseiro do módulo para classificá-los para resistir às condições ambientais do mundo real. As normas atuais da indústria (UL 61730-2, IEC 61730, IEC 61215-2) geralmente concordam com os procedimentos de teste de carga mecânica. Muitos dos módulos expostos na conferência anunciam a conformidade com esses padrões e os principais laboratórios de teste do setor realizam essas avaliações para certificação com o máximo cuidado e diligência.

Embora os módulos de grande formato atendam a esses padrões no laboratório, o laboratório não é o mundo real. O carregamento de campo aplicado a um módulo solar depende da estrutura em que ele é montado e do terreno do projeto. Quanto maior a zona de vento, maior a carga no módulo.

Menos óbvio é que ângulos de inclinação maiores normalmente também aumentam a carga de vento nos módulos e que isso varia entre os locais em todo o arranjo. Imagine um navio com suas velas levantadas versus abaixadas durante uma tempestade. Qual deles tem mais força para projetar sua embarcação para frente?

A neve muitas vezes pode ter o efeito oposto. Painéis com um ângulo de inclinação mais alto geralmente derramam mais neve do que painéis com inclinação mais baixa e, portanto, são mais favoráveis ao carregamento de neves nos módulos. Qualquer telhado de casa em uma latitude norte mostrará esse fenômeno. Os projetistas devem verificar cuidadosamente se os módulos selecionados trabalham com a estrutura de montagem em cada local no local do projeto.

Portanto, para entender a lacuna de engenharia em questão, um casamento entre o projeto de estrutura de módulo de grande formato e o projeto estrutural de sistemas de racking é fundamental. Como o carregamento do módulo depende da estrutura de suporte (por exemplo, ângulo de inclinação, entre várias variáveis), os fornecedores de estruturas normalmente especificam o carregamento esperado do módulo no projeto. Muitos fornecedores de estruturas são bons em validar se o módulo em si se enquadra na classificação de certificação. No entanto, é possível que alguns fornecedores ainda estejam deixando de enxergar as cargas de módulo nos picos de vento?

Um projeto de pesquisa financiado pela SETO que está sendo realizado por meio de uma joint venture do Lawrence Berkeley National Lab e da UC Berkeley determinou que os fornecedores precisam olhar para áreas de vento efetivas menores do que os vãos entre fundações ao estimar o carregamento individual do módulo. Os módulos fotovoltaicos podem ser quebrados se áreas atribuíveis tão pequenas quanto um quarto do módulo estiverem sobrecarregadas (carga de nível de fixador individual – D na Figura 1) e isso tem se mostrado possível de ocorrer nas condições extremas de projeto de muitos sistemas que estão sendo instalados hoje. Embora a avaliação normalmente realizada seja em torno de uma carga máxima de projeto, a equipe de pesquisa financiada pelo SETO está atualmente explorando como um carregamento cíclico mais baixo e desigual pode levar a falhas estruturais também.

Se o carregamento discreto do vento de pico no módulo tem sido uma prática comum na concepção de projetos nos últimos 15 anos, então as falhas do módulo devem ser galopantes, não? Na prática, quadros de módulos mais antigos têm puxado o dobro de máscaras para camuflar essa fiscalização. Alguns desses quadros de módulo foram projetados com fatores de segurança de 3. Hoje, os módulos de grande formato parecem ser projetados de acordo com fatores de segurança de 1,5 com base em revisões dos manuais de alguns fabricantes de módulos e padrões da indústria. Isso permite que os módulos sejam competitivos na marcha descendente do custo.

Quando um laboratório de certificação testa um módulo para uma carga traseira real de 2.400 Pa, a pressão máxima de projeto para a qual ele é certificado é de 1.600 Pa. É fundamental verificar se a classificação do módulo anunciado é o que foi testado (incluindo fatores de segurança) ou qual é a pressão máxima de projeto permitida (sem fatores de segurança). 1.600 Pa de pressão em um módulo é aproximadamente igual a uma rajada de vento de 72 mph, para um coeficiente de pressão do módulo de 3. A equipe de pesquisa do LBNL/UC Berkeley determinou que esse coeficiente é alcançável nas extremidades das fileiras para inclinações do módulo acima de 15 graus. Este não é um projeto suficiente para qualquer projeto nos EUA com base nos mais recentes mapas de vento ASCE 7-22. Se um projetista erroneamente usou 2.400Pa para ser a pressão de projeto, isso aumentaria a rajada de vento permitida para 88 mph. Assim, é importante entender o que a classificação do módulo inclui.

Capacidade de carga

O mercado levou a capacidade de carga dos módulos ao seu ponto de ruptura. Este parece ser particularmente o caso no que diz respeito ao carregamento traseiro (elevação do vento). A combinação de suposições de engenharia legadas, áreas de módulo maiores, alturas menores do quadro do módulo e classificações de fabricante pouco claras produz uma receita para falhas. O objetivo não é culpar, mas entender as questões técnicas em pauta e oferecer orientação sobre o que as partes interessadas podem fazer.

Aqui estão maneiras tangíveis pelas quais desenvolvedores, financiadores, seguradoras, proprietários, gerentes de ativos, fabricantes de estruturas e fabricantes de módulos podem gerenciar esses riscos:

1. Certifique-se de que o orçamento e o tempo suficientes do engenheiro independente (IE) sejam alocados por projeto (particularmente projetos menores) para que os principais detalhes sobre o carregamento do módulo possam ser verificados não apenas por projeto, mas em todos os locais do projeto (por exemplo, linhas externas, cantos, fixadores).
2. A diligência devida do fabricante da estrutura deve confirmar que:

• As cargas de clipe e parafuso para retenção de módulo usam “cargas de clipe de módulo” (D na Figura 1) em vez de áreas médias de linha (A na Figura 1) ou mesmo áreas de nível de módulo (B na Figura 1). Consulte os coeficientes de teste do túnel de vento para obter mais detalhes.
• O carregamento do módulo não deve ser assumido como sendo o mesmo em toda a matriz para vento. As cargas de vento nos módulos no final das fileiras são tipicamente mais altas do que as do interior. Isso vale tanto para sistemas de rastreamento quanto de inclinação fixa. [Veja as últimas Projeto eólico SEAOC PV2 para matrizes de carregamento]
• O carregamento do clipe/parafuso não deve ser assumido como sendo o mesmo em cada local do módulo. O carregamento em uma metade do módulo é muitas vezes bem diferente da outra. Os fixadores podem acabar sendo do mesmo projeto, mas devem ser projetados para suportar a carga mais alta e não uma carga média mais baixa distribuída entre os quatro fixadores.
• Os carris dos módulos também devem ser dimensionados em conformidade, com especial ênfase nos carris dos módulos exteriores e na sua área de carga adequada ao nível dos carris (C na Figura 1) e com hipóteses de carregamento irregular dos módulos.

3. A due diligence do módulo deve confirmar:

• Se a classificação de carga mecânica dianteira e traseira da folha de dados do módulo inclui o fator de segurança de teste (normalmente 1,5). Caso contrário, reduza a classificação de carga pelo fator de segurança apropriado e confirme que a demanda de carga estrutural não excede essa nova classificação mais baixa com base no ângulo de estiva do módulo vento/neve (tracker) ou no ângulo de inclinação da instalação (inclinação fixa).
• Que a estrutura do módulo é projetada para suportar as forças extras que vêm com o carregamento irregular para o ângulo de estiva vento/neve (rastreador) ou ângulo de inclinação de instalação (inclinação fixa) do sistema.
• O método de montagem corresponde exatamente ao método de montagem da certificação do módulo e está listado no manual de instalação do módulo. Caso contrário, o fabricante do módulo deve ser solicitado a emitir uma carta informando que o método de montagem não aprovado manterá a garantia nas condições do projeto. Testes podem ser necessários.

Frank Oudheusden é gerente da Azimuth Advisory Services, uma consultoria que fornece serviços de consultoria para desenvolvedores fotovoltaicos líderes do setor, EPC’s, gestores de ativos e empresas de racking. Oudheusden juntou-se à indústria solar em 2008 e, antes da consultoria, foi engenheiro sênior da SunEdison, ajudando a orientar a seleção de sistemas de racking da AVL globalmente e liderando uma equipe de due diligence para fornecedores de AVL e atividades de M&A.  

Chris Needham é gerente da Azimuth Advisory Services. Needham juntou-se à indústria solar em 2007 e, antes da consultoria, foi engenheiro sênior da SunEdison, onde projetou e desenvolveu estruturas internas, incluindo rastreadores de eixo único, inclinações fixas, carports e sistemas de racking no telhado.  Ele é especializado em testes em túnel de vento de sistemas fotovoltaicos.