Inspeções aéreas com uso de drones na operação e manutenção de usinas fotovoltaicas

À medida que as instalações fotovoltaicas (FV) aumentam em número e escala em todo o mundo, cresce também a necessidade de aumentar a confiabilidade da tecnologia. Neste contexto, o desenvolvimento de técnicas de inspeção rápidas e eficientes para a operação e manutenção (O&M) de usinas FV de forma econômica é essencial para a expansão do seu uso em larga escala.

Com o surgimento dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VAnTs) comercialmente disponíveis e mais comumente chamados de drones, as inspeções aéreas vêm sendo utilizadas como uma abordagem inovadora para a realização de inspeções rotineiras de O&M de grandes usinas FVs.

Os drones são aeronaves de pequeno porte que podem ser operadas remotamente ou de forma completamente autônoma. Eles foram originalmente projetados para fins militares, mas avanços recentes e reduções de custos na área tornaram essa tecnologia aplicável para operações civis, como atendimento em desastres naturais, inspeções de linhas de energia, monitoramento ambiental, florestal e de minas, entre outro. A tecnologia tem se tornado cada vez mais popular, especialmente nos setores de energia e agricultura.

O uso de drones para inspecionar grandes usinas FVs cresceu significativamente ao longo dos anos, graças à sua confiabilidade, rapidez, alta durabilidade, leveza, baixo custo e alta robustez para operar em ambientes hostis. Em usinas e em telhados, estes equipamentos são comumente utilizados com câmeras RGB ou com câmeras para termografia infravermelha (Infrared Thermography - IRT).

A ampla adoção de drones em aplicações autônomas também aumentou a disponibilidade de softwares de controle e planejamento de rotas. As rotas podem variar em altura, direção e velocidade, o que depende da qualidade do drone e da câmera, do formato da usina, da velocidade do vento durante o voo e do objetivo da inspeção.

Inspeção Visual Aérea

Diversas falhas de módulos FVs podem ser detectadas por uma simples inspeção visual do sistema. A grande vantagem do método é a sua simplicidade e o baixo custo, pois a maioria dos drones disponíveis ao consumidor são adequados para a tarefa, sem adaptações adicionais se fazendo necessárias.

Alguns equipamentos são economicamente acessíveis o suficiente para que qualquer operador de usina FV possa realizar rápidas inspeções visuais aéreas de forma periódica. Estas inspeções podem ser realizadas em grandes altitudes, a fim de monitorar a planta e verificar o impacto da sujidade, existência de módulos quebrados, presença de vegetação sobre os módulos e outras falhas que são assim facilmente detectadas de forma rápida.

Já os drones profissionais estão mais bem preparados para inspecionar grandes usinas, pois proporcionam melhor qualidade de imagem, maior autonomia de voo, maior estabilidade e melhor isolamento contra interferências de ondas eletromagnéticas, garantindo um voo mais seguro em áreas com grande potencial de interferência.

Termografia infravermelha aérea

O método de termografia infravermelha aérea (aIRT) é um método rápido e eficaz para detecção e classificação de falhas e já existem alguns equipamentos disponíveis comercialmente que oferecem câmeras IRT montadas em drones.

A aIRT proporciona rápida identificação de problemas causados por eventos ambientais como chuvas de granizo, vendavais, raios, etc. Sua grande vantagem é avaliar um número significativo de módulos em um curto espaço de tempo sem necessidade de desligamento do sistema (apenas os rastreadores precisam ser posicionados na horizontal).

As medições são realizadas ao ar livre, sob condições estáveis de irradiância acima de 600 W/m2. O diagnóstico de falhas ocorre avaliando o padrão térmico do módulo que é uniforme para módulos saudáveis e revela falhas por variações no perfil da imagem (tons de cinza ou cores).

Exemplos de falhas detectáveis incluem fissuras e pontos quentes, corrosão, strings desconectadas, sombreamento, sujeira, etc. A classificação das falhas detectadas é realizada com base na norma IEC TS 62446-3: 2017.

Os problemas mais comuns encontrados nas inspeções aIRT são os pontos quentes causados por fissuras nas células ou sujeira e vegetação devido ao sombreamento do módulo. As falhas que resultam em pontos quentes são mais comumente detectadas em sistemas FV instalados há alguns anos ou que sofreram eventos meteorológicos extremos.

Elas aparecem em módulos de vidros quebrados, trincas severas, problemas de solda, entre outros. Os pontos quentes normalmente não produzem uma perda significativa de desempenho FV nos estágios iniciais; portanto, geralmente não são detectados pelos sistemas supervisórios. No entanto, eles representam um risco de incêndio na usina e devem ser identificados e removidos.

No caso de inspeções realizadas durante a fase de comissionamento da usina, é comum encontrar várias strings de módulos desconectadas. Essas são as falhas que mais causam perdas na produção de energia de uma usina FV e suas causas variam entre diferentes defeitos de componentes como inversores, fusíveis e diodos, especialmente devido a eventos extremos de irradiação excessiva, além de desligamentos programados para manutenções ou limitações de potência pelo operador do sistema.

Strings desconectadas podem ser detectadas mais facilmente através do sistema supervisório da usina quando o monitoramento de corrente é realizado em um nível de string ou stringbox (dependendo da topologia e da tecnologia do módulo FV). Porém, como o sistema supervisório muitas vezes não está totalmente funcional durante a fase de comissionamento, a aIRT ainda é um método rápido para realizar a detecção deste tipo de falha.

Outra falha comumente encontrada é a desconexão de grupos de células de um módulo FV, chamados de subséries. Este tipo de falha geralmente está associado a um defeito de fabricação do módulo FV. A subsérie pode sofrer uma desconexão dentro caixa de junção devido ao estresse térmico durante o transporte, instalação e operação, fazendo com que o diodo de bypass assuma a corrente nominal da string.

Essa falha pode causar a perda de um terço da potência de pico do módulo FV (porque os módulos FVs típicos apresentam seis fileiras de células e um diodo de bypass para cada duas fileiras de células), além de causar estresse desnecessário no diodo de bypass.

Devido à sua flexibilidade, a aIRT pode ser aplicada de várias maneiras e níveis de detalhes. O operador de uma usina FV deve decidir quão detalhada e cara a inspeção de falhas deve ser e escolher a altitude de voo de acordo com essa decisão. Por exemplo, uma inspeção realizada a uma altitude de 50 m pode detectar séries abertas, subséries desconectadas e células quebradas em módulos FV de 1 Wp em uma única imagem.

Essas falhas representam a maior parte das perdas de energia em uma usina FV. Para detectar o restante das falhas, que causam apenas uma pequena fração das perdas de energia, seria necessária uma inspeção a 20 m de altitude de voo.

Essa inspeção levaria cerca do dobro do tempo para ser realizada e cerca de duas a quatro vezes mais tempo para a análise das imagens e, portanto, seria muito mais cara. Quanto mais detalhada for a inspeção, mais falhas serão detectadas; contudo, os custos crescem exponencialmente com o aumento da resolução.

Os desafios da análise de dados

O maior desafio das inspeções aéreas em usinas FV de grande porte consiste na análise das imagens adquiridas pelos drones. O processo é muito demorado e requer mão de obra qualificada.

A análise pode ser realizada em tempo real ou após a coleta de todos os dados, sendo que a segunda é mais popular, pois reduz o tempo de voo do drone e o tempo dos especialistas em campo, reduzindo assim os custos. A aquisição de dados também pode ser realizada através de imagens fixas (fotos) ou vídeos.

Para o caso de dados coletados em forma de fotos, milhares de imagens são captadas, e o correto georreferenciamento de cada imagem é uma tarefa complexa; contudo essencial para o mapeamento das falhas identificadas. O processo pode ser feito através de mosaico ou criando uma ortofoto de toda a usina que também requer grande esforço computacional.

A aquisição de imagens por meio de vídeos é mais conveniente para os casos em que um especialista analisará as imagens adquiridas manualmente, pela facilidade maior em acompanhar o movimento da câmera, detectar falhas e distingui-las de artefatos artificiais, como reflexão do sol e de objetos. O tamanho dos arquivos, que podem chegar a gigabytes por vídeo, é um problema associado ao método, exigindo equipamentos adequados e habilidades de manipulação de dados.

As longas horas investidas na análise de dados não são apenas um investimento de recursos, mas também podem levar a falsos negativos devido a erro humano pelo possível descuido ao analisar tantas imagens repetitivas. Por esses motivos, o próximo passo no desenvolvimento de inspeções aéreas é a aplicação de técnicas de automação para análise de imagens de aIRT.

A literatura traz diversos métodos que se encontram em estudo para automatizar este processo através da aplicação de técnicas de processamento digital de imagens e inteligência artificial e no Laboratório Fotovoltaica/UFSC alguns destes estão sendo avaliados e desenvolvidos.

Muitos destes métodos mostram resultados satisfatórios e em breve poderão processar as grandes quantidades de imagens aéreas, detectar as falhas e categorizá-las. No entanto, a localização correta dos módulos defeituosos e sua identificação em relação à série FV em que se encontram é a etapa mais complexa a ser automatizada. Esta etapa requer geolocalização precisa, processamento dos dados e correlação com cada projeto de usina.

A automatização de todo o processo de análise de dados de inspeções aéreas será uma grande contribuição para a eficácia e redução de custos da técnica. Esta automatização abre a possibilidade de um piloto não especialista realizar as inspeções e deixar que o software gere um relatório automático das possíveis falhas.

O operador da usina poderá então substituir módulos defeituosos, reparar strings abertas e corrigir outros problemas rapidamente com o mínimo de esforço e custo. Isso reduzirá os custos de viagem e o tempo de inatividade da usina FV e aumentará as taxas de desempenho e a produtividade energética. O rápido reconhecimento e reparo de falhas em componentes FV ainda aumentará a confiabilidade e a durabilidade dos sistemas.

No entanto, pessoas altamente qualificadas ainda se farão necessárias na análise de casos mais graves ou incomuns. Não serão mais contratados especialistas para realizar trabalhos repetitivos e manuais, mas para analisar questões mais complexas como motivos por trás de números elevados de determinadas falhas em uma usina, ou até o motivo por trás da recorrência de determinadas falhas em um empreendimento.

A melhoria geral do desempenho das usinas FV que as inspeções aéreas eficientes podem trazer aumentará a confiabilidade das usinas FV, reduzirá seu custo nivelado de energia e aumentará a atratividade da tecnologia FV como um todo.

Sobre o autor: Ricardo Ruther é professor titular da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), doutorado em Electrical and Electronic Engineering - The University of Western Australia (UWA-1995) e pós-doutorado em Sistemas Solares Fotovoltaicos realizado no Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems na Alemanha (Fraunhofer ISE-1996) e na The University of Western Australia (UWA-2011). Atualmente é coordenador do Laboratório FOTOVOLTAICA/UFSC (Grupo de Pesquisa Estratégica em Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina, cadastrado no Diretório de Grupos de Pesquisa do CNPq).