Impiego dei droni nell’ispezione di pannelli fotovoltaici

di Lorenzo Lorenzoni

Premessa

La rapida crescita nell’ultimo mezzo secolo del fabbisogno energetico mondiale,  e la contemporanea necessità di ridurre l’immissione in atmosfera di inquinanti gassosi (NOx e CO2)  tipici dei combustibili fossili,  che i sono promotori dell’effetto serra,  principale causa del riscaldamento globale del pianeta,  ha generato una notevole accelerazione nello sviluppo di sistemi alternativi per la produzione di energia elettrica.

Tra queste nuove tecnologie il fotovoltaico riveste un ruolo di primo piano.

Nei sistemi di produzione di energia elettrica che utilizzano i pannelli fotovoltaici, l’energia fornita dal sole sotto forma di radiazione luminosa viene convertita in energia elettrica utilizzando sistemi di celle fotovoltaiche.

Effetto fotovoltaico

L’effetto fotovoltaico si verifica quando un dispositivo formato da due strati congiunti e sovrapposti, costituiti da silicio drogato con atomi di fosforo (conduttore di tipo N cioè a carica negativa) e da silicio drogato con atomi di boro (conduttore di tipo P cioè a carica positiva) viene esposto direttamente all’incidenza della luce e quindi dei fotoni.

Nello specifico la corrente si crea in corrispondenza dell’area di giunzione, ed è tanto maggiore quanto più elevata è intensità della luce.

Per rendere utilizzabile il dispositivo le celle vengono costruite in strutture “a maglia”, con collegamenti in serie e parallelo in grado di fornire una tensione di uscita utilizzabile con correnti sufficientemente elevate per l’impiego pratico.

Ogni singolo modulo viene denominato “pannello FV” (fotovoltaico).

La tensione disponibile ai morsetti di uscita di un pannello FV sono tipicamente 24V CC (corrente continua) con potenza di picco intorno a 150 – 300 W, in funzione superficie dell’area attiva che compone il pannello FV, e dalla sua “efficienza di conversione”, cioè dal rapporto tra la potenza elettrica generata e l’energia luminosa incidente sul pannello FV.

L’ efficienza di conversione è un parametro di cui costruttore abitualmente ne garantisce la costanza per un periodo temporale di cinque anni, per poi decrescere lentamente con l’invecchiamento del pannello.

I pannelli FV vengono cablati a loro volta in strutture “a maglia”, con collegamenti in serie e parallelo, in grado di fornire una tensione di uscita tipicamente  di qualche centinaio di Volt e correnti di diverse decine, o centinaia di Ampere, idonee a pilotare inverter a onda sinusoidale per riversare l’energia in rete.

Impianti fotovoltaici di piccola potenza

Gli incentivi messi in atto dal governo al fine di sostenere la produzione di energia da fonti rinnovabili, ha spinto, parallelamente a grandi aziende che gestiscono interi parchi fotovoltaici con potenze di picco di centinaia di MW, anche privati, aziende manifatturiere, o singoli condomini, a installare impianti fotovoltaici con dimensioni e potenze limitate ( <10 KW per privati e condomini, < 100 KW per industrie manifatturiere).

Questi impianti vengono posizionati su tetti dei fabbricati, sia ad uso abitativo, sia ad uso industriale.

Molto spesso l’utilizzatore finale non viene informato sulla necessità di ricorrere a periodiche ispezioni del proprio impianto, questo al fine di mantenerne l’efficienza   al valore più alto possibile, (compatibilmente con il naturale invecchiamento dei moduli) ma soprattutto per identificare e correggere problematiche gravi e tali da creare potenziali inneschi di incendio, o in ogni caso da danneggiare in maniera permanente uno o più moduli.

Metodologie di indagine per verificare l’integrità di impianti fotovoltaici

Per mitigare i fenomeni negativi precedentemente descritti, nel corso degli anni sono state messe a punto tecniche di indagine mediante analisi termografica e ispezione visiva.

La termografia è una metodologia di indagine di tipo non distruttivo, in cui vengono effettuate delle riprese filmate (oppure una sequenza di fotografie) di un oggetto, utilizzando una speciale camera di ripresa sensibile alla radiazione infrarossa.

L’elaborazione delle immagini radiometriche acquisite fornisce una mappatura delle temperature del soggetto ripreso, come mostrato nella Fig. 1

Fig. 1 – immagine termografica e visiva di pannello fotovoltaico con hot spot > 15°C

Contemporaneamente alle riprese termografiche vengo effettuate anche delle riprese foto/cinematografiche del soggetto, utilizzando fotocamere ad alta risoluzione (12 – 20 Mpixel).

L’ispezione visiva dei moduli fotovoltaici ne verifica l’integrità di cornici e vetri, identifica  eventuali rotture dei supporti e dei sistemi di ancoraggio, la presenza d’acqua, segni di cortocircuito e danneggiamenti meccanico cavi.

 L’analisi congiunta della ripresa termografica e nello spettro della luce visibile, consente di evidenziare malfunzionamenti e anomalie dell’impianto quando queste sono ancora nella fase iniziale, in modo da poter applicare misure correttive tali da mantenerne alto il livello di sicurezza nei confronti del rischio di incendio e di  minimizzarne  le perdite produttive 

Abitualmente, durante la fase di ispezione, le anomalie di un pannello FV vengono classificate in 7 tipologie di difetti.

  • Hot spot con differenza di temperatura tra zone adiacenti del pannello FV maggiori di 15°C
  • Hot spot con differenza di temperatura tra zone adiacenti del pannello FV minori di 15°C
  • Diodi di bypass
  • Effetto patchwork
  • Effetto PID
  • Rotture meccaniche
  • Altre tipologie difetti

Ai fini della mitigazione del rischio di incendio le principali tipologie di difetti da prendere in considerazione sono:

Hot spot con differenza di temperatura maggiori di 15°C

Sono anomalie in cui nel pannello FV sono presenti gradienti termici, tra zone contigue, di valore molto elevato, che può superare di gran lunga i 100 °C. un tipico esempio è mostrato in Fig. 3

Queste zone ad elevata temperatura provocano uno stress termico all’interno del pannello FV, la fusione delle saldature delle griglie raccoglitrici di corrente, e in ultimo l’incendio della zona interessata, alimentato dai materiali combustibili con cui sono realizzate alcune parti del pannello.

In Fig. 2 viene mostrata immagine visiva del particolare di un pannello FV con evidenti danneggiamenti causati da un severo hot spot

Fig. 2 – immagine visiva del particolare  di un pannello fotovoltaico danneggiato severo da hot spot

Diodi di bypass

I diodi di bypass sono usati in ogni modulo fotovoltaico e all’interno delle singole celle solari. Servono a far transitare la corrente in ogni stringa dei pannelli messi in serie anche in presenza di una cella o un modulo non colpito dai raggi solari, evitando così la perdita di energia e impedire che la corrente inversa danneggi la cella stessa.

Il mancato funzionamento di uno o più diodi genera il surriscaldamento dell’intera serie di celle FV che compone parte del pannello FV, provocando a lungo termine l’avaria dello stesso.

Nella Fig. 3 è mostrato un pannello che evidenti segni avaria a uno o più diodi di bypass.

Fig. 3 – pannello fotovoltaico con criticità nei diodi di bypass

Rotture meccaniche

Le rotture meccaniche hanno una componente non trascurabile nella casistica di danneggiamento dei pannelli FV.

L’elevato irraggiamento solare a cui sono sottoposti i pannelli FV, che in alcuni casi può attestarsi intorno a 1KW/mq, e i conseguenti cicli termici giorno/notte ed estate/inverno, inducono in questi sistemi fenomeni di fatica termomeccanica, i quali, nel lungo periodo, possono dal luogo a criticità tali da compromettere l’efficienza del modulo, e di determinarne il surriscaldamento che ne riduce drasticamente la vita.

Inoltre è importante controllare l’integrità dei componenti accessori, come i cavi di collegamento tra i vari pannelli FV e l’inverter (abitualmente collocato nel sotto tetto) e i relativi connettori, che possono andare incontro a rottura dovuta a varie cause, come strisciamento contro oggetti provocato dal vento o rosicchiature dell’isolamento provocato da ratti.

Criteri per l’ispezione di un impianto fotovoltaico

Per eseguire un’ispezione corretta di un impianto FV bisogna eseguire due tipologie di indagini separate, ma che abitualmente vengono condotte contemporaneamente.

  • La prima consiste in un’analisi termografica  di ogni pannello FV , condotta mentre l’impianto è in produzione.
  • La seconda consiste in un’ispezione visiva di tutte le componenti meccaniche ed elettriche che formano il pannello.

L’ispezione di un impianto fotovoltaico è un’operazione non priva di rischi.

La presenza di numerose strutture metalliche, la presenza di cavi elettrici operanti in corrente continua con valori di tensione che possono raggiugere i 400V, e nel caso dei tetti fotovoltaici la necessità di operare in quota, con tutti i rischi e le misure di prevenzione che ne conseguono, fanno si che l’impegno per eseguire l’attività ispettiva abbia un costo in termini economici e di tempo non trascurabile. 

Utilizzo dei droni per l’ispezione di un impianto fotovoltaico

Il rapidissimo sviluppo dei SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto), chiamati comunemente DRONI,  e lo sviluppo di una sensoristica dedicata, ha permesso di sviluppare metodologie di ispezione molto efficaci e con costi estremamente competitivi rispetto alle metodologie tradizionali che impiegano personale a terra.

In Fig.4  è mostrato il Drone  In The Air mod. ITA Y6 durante l’attività di ispezione

Fig. 4 – Drone  In The Air mod. ITA Y6 durante l’ ispezione di un parco fotovoltaico

Principali vantaggi dell’ispezione termografica a mezzo SAPR

  • Assenza di personale all’interno dell’impianto, o nel caso di tetti fotovoltaici, sul tetto
  • Velocità di esecuzione della prova
  • Ispezione del 100% dei pannelli, indipendentemente dalle dimensioni dell’impianto, (con tecniche termografiche tradizionali, soprattutto in impianti di grandi dimensioni, viene eseguita abitualmente un’ispezione  “a campione”).
  • Angolo di ripresa termografico selezionabile al valore ottimale.
  • Analisi delle immagini raccolte in back-office, in modo da poter visionare con calma il materiale acquisito per una migliore qualità dell’elaborazione

Conclusioni 

l’utilizzo dei DRONI per analisi termografica e visiva  dei pannelli FV si è rivelato un potente metodo in grado prevenire il possibile rischio di incendio di impianti fotovoltaici. Applicato in maniera sistematica, a intervalli di 1 o 2 anni, permette inoltre di mantenere alta la produttività dell’impianto, il tutto a fronte di un impegno economico sicuramente molto competitivo se raffrontato ai costi di un’ispezione di tipo tradizionale.

Chi siamo

In The Air è una società che opera nel settore del lavoro aereo con SAPR (DRONI) dal 2014.

Siamo specializzati in termografia, aerofotogrammetria, ispezioni visive di grandi manufatti.

Per maggiori informazioni vi invitiamo a visitare il nostro sito www.Intheairdroni.it