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Uso de cámaras térmicas en
el mantenimiento de plantas fotovoltaicas

En la última década, la creciente demanda de energía ha llevado a la aparición de otras fuentes de generación como una alternativa al petróleo. Se han desarrollado varias tecnologías que implican el uso de energía renovable, como la energía eólica, la energía de las mareas o la radiación solar.

El uso de la radiación solar para generar electricidad a través de sistemas fotovoltaicos se ha desarrollado espectacularmente en los últimos cinco años. Este desarrollo se debe a varios factores, incluida la madurez de esta tecnología y los incentivos financieros ofrecidos por los gobiernos. En cualquier caso, este crecimiento ha llevado a la aparición de muchas empresas dedicadas al desarrollo, la instalación y la gestión de parques o granjas solares. Tomemos España como ejemplo de este desarrollo en el sector fotovoltaico; dicho país es actualmente uno de los principales productores internacionales de energía fotovoltaica con una potencia instalada estimada de 3200 MW (solo en 2008 la potencia instalada en España fue de alrededor de 2500 MW).

Obviamente, estas instalaciones deben proporcionar un rendimiento suficiente de la inversión para que sean rentables. Esto dependerá, entre otros factores, de que las instalaciones funcionen perfectamente o, en otras palabras, del rendimiento óptimo de toda la planta, especialmente cuando el costo de la electricidad a partir de la energía solar es más alto que el costo de otras tecnologías más convencionales.


Instalaciones fotovoltaicas

Una instalación fotovoltaica consiste básicamente en sistemas de paneles fotovoltaicos instalados en estructuras apropiadas, inversores que convierten la tensión continua generada por los paneles solares en tensión alterna, sistemas de orientación de paneles dependiendo del tipo de instalación, cableado y sistemas de protección, así como los elementos relacionados a media tensión si el sistema está conectado a una red comercial. Todos estos elementos forman un sistema que, cuando funciona correctamente, proporcionará un rendimiento de la inversión dentro del período calculado.


Paneles fotovoltaicos

El sistema de paneles fotovoltaicos consiste en paneles o módulos que contienen células basadas en semiconductores que son sensibles a la radiación solar. Estas celdas generan el voltaje de CC. La tecnología utilizada en estas células fotovoltaicas puede variar, y estos incluyen silicio policristalino, película fina, teluro de cadmio o GaAs, cada uno con su propia salida específica.

Estas celdas se agrupan en el panel en una o varias series paralelas para lograr la tensión y la potencia deseadas. En condiciones de funcionamiento normales, cada célula fotovoltaica, cuando recibe radiación solar, genera una tensión que, cuando se agrega al resto de las células en la serie, proporciona la tensión de salida para el panel que alimentará el inversor para generar la tensión de salida alterna. La relación entre la tensión y la corriente proporcionada por la celda se muestra en su curva característica I-V. Si la célula recibe radiación solar, el valor de IxV será superior a cero; en otras palabras, se generará electricidad.

Cuando una celda no está funcionando o no está generando energía porque no está recibiendo radiación solar, puede estar inversamente polarizada. Entonces se comportará como una carga en lugar de un generador, lo que puede provocar una gran disipación de calor.

Esta situación es fácilmente detectable si se utiliza una cámara termográfica con buena resolución y nitidez. Así, el equipo capturará simultáneamente una imagen térmica totalmente radiométrica junto con una imagen de luz visible, superponiéndolas píxel por píxel con diferentes grados de translucidez. La imagen obtenida mostrará las temperaturas de la superficie de los objetos (en este caso, los paneles fotovoltaicos) usando una paleta de colores que puede seleccionar el usuario y que representarán las diferentes temperaturas usando diferentes colores, así como una imagen de luz visible, permite que los elementos sean identificados. Gracias a la imagen térmica podemos ver cómo las células defectuosas se sobrecalientan.

Las condiciones más favorables para detectar este tipo de problemas son cuando el panel proporciona la mayor potencia, normalmente en el medio de un día despejado. Bajo estas condiciones, las células se pueden encontrar con temperaturas de hasta 111°C.

Dependiendo de la estructura del panel fotovoltaico y dado que las celdas están conectadas en serie para obtener la tensión más adecuada para el inversor utilizado, una falla en una de las celdas podría provocar una pérdida de potencia total o parcial en un panel fotovoltaico. En cualquier caso, este tipo de problema conduce a una disminución en la producción del panel, lo que significa que toma más tiempo obtener un retorno de la inversión. Además, los problemas asociados con el sobrecalentamiento pueden hacer que las celdas adyacentes disminuyan en eficiencia o incluso se descompongan, y el problema se propague a través del panel.

Los paneles fotovoltaicos pueden inspeccionarse utilizando una cámara termográfica desde la parte frontal o posterior del panel. Este último tiene la ventaja de evitar problemas relacionados con los reflejos o reflejos solares a causa de la baja emisividad asociada con la superficie cristalina del panel. En cualquier caso, la termografía nos permite identificar los paneles que tienen puntos calientes de forma rápida y a distancia. Simplemente tenemos que escanear la instalación usando la cámara termográfica.

Para tratar de evitar los problemas asociados con la polarización inversa de las células, los módulos fotovoltaicos pueden incluir diodos de protección (bloqueo, unidireccional o derivación), que disiparán más potencia cuanto mayor sea el número de células defectuosas. Este calentamiento también podría detectarse utilizando la cámara termográfica examinando el panel desde el lado de las conexiones.

Se debe prestar especial atención a la presencia de sombras en los paneles fotovoltaicos causadas por árboles, torres de voltaje medio, otros paneles, etc., que pueden provocar la aparición de áreas termales irregulares que dan como resultado una interpretación falsa (especialmente si las imágenes térmicas son tomadas demasiado temprano en la mañana o muy tarde).

Del mismo modo, se debe tener en cuenta el viento, ya que reducirá la temperatura de los puntos calientes a través de la convección, y es posible que no se los considere como fallas reales.


Otros elementos a inspeccionar

Otras áreas que pueden examinarse con una cámara termográfica son los motores. Debido a diversas circunstancias, como las condiciones atmosféricas que rodean a los motores o si su dimensionamiento fue incorrecto, estos pueden calentarse hasta el punto de que su vida útil se reduzca significativamente. Este calentamiento podría ser causado por problemas mecánicos (problemas en los cojinetes y alineación), de ventilación, fugas de devanado, etc.

Para comprobar que el motor funciona perfectamente, vale la pena utilizar otros instrumentos de medición, como abrazaderas para medir fugas y medidores de aislamiento.

Asimismo, podemos utilizar el generador de imágenes térmicas para detectar problemas de calentamiento en inversores y transformadores de media tensión. En los transformadores podemos detectar problemas en las conexiones de baja y media tensión, así como en los problemas de devanado interno.

Otra área donde la termografía puede ser de gran ayuda en mantenimiento preventivo y predictivo es la inspección de todos los puntos de conexión, que pueden perderse con el tiempo, lo que lleva a problemas operativos y roturas innecesarias, especialmente dado que una planta fotovoltaica puede tener un gran número de conexiones CC y CA y paneles eléctricos.

A este respecto, debe tenerse en cuenta que una mala conexión da como resultado un punto de mayor resistencia; en otras palabras, un punto donde habrá una mayor disipación térmica a causa del efecto Joule.


Conclusión

Dado el período de amortización de las plantas fotovoltaicas (entre 6 y 10 años), es esencial asegurar que la producción de la planta esté dentro de los límites considerados durante su fase de diseño, de modo que se pueda garantizar su rentabilidad durante todo el período de operación. En este sentido, la termografía es una herramienta esencial para analizar el funcionamiento y la eficiencia de los diferentes elementos que componen la instalación: módulos fotovoltaicos, conexiones, motores, transformadores, inversores, etc. Una reducción en la eficiencia de los paneles fotovoltaicos puede conducir a un aumento significativo en el período de amortización de la planta. Como con muchas otras instalaciones y procesos, la temperatura es una variable decisiva en el funcionamiento correcto del equipo. Por ejemplo, existe una regla básica que establece que, para un equipo dado, un aumento de 10ºC por encima de la temperatura de funcionamiento recomendada por el fabricante podría reducir en un 50% su vida útil.

Esta simple regla nos muestra cómo las temperaturas excesivas pueden generar costos significativos con respecto a los equipos y el mantenimiento general. Además, si consideramos que los paneles solares son elementos que incorporan una gran cantidad de células semiconductoras, el calor generado en una celda defectuosa podría conducir a un deterioro de las células vecinas, empeorando el problema con el tiempo.

Otro aspecto muy importante es el éxito de la planta durante el proceso de puesta en marcha. En este caso, una cámara termográfica es una herramienta muy valiosa, ya que le permite al gerente de planta detectar paneles fotovoltaicos con defectos de fabricación y hacer referencia a las garantías relevantes.

Todos estos aspectos nos muestran cómo la termografía es una herramienta esencial para el mantenimiento de las instalaciones. Además, el equipo es muy simple de usar, lo que permite que esté completamente integrado en el conjunto de herramientas utilizadas por los técnicos de mantenimiento (multímetros, pinzas amperimétricas, abrazaderas de fuga, medidores de aislamiento, analizadores de calidad de potencia, etc.).


Artículo gentileza de Intronica. / www.intronica.com
Enero 2018
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