Estação de alta incidência de sombreamento e sujeira: Como folhas e excrementos de pássaros causam hotspots nos módulos fotovoltaicos?

Índice

1. Introdução
2. Como se formam os hotspots nos módulos fotovoltaicos?
3. Que tipos de sujeira mais frequentemente geram hotspots nos módulos fotovoltaicos?
4. Qual é o impacto dos hotspots no sistema fotovoltaico?
5. Como identificar e resolver um hotspot?
6. Como prevenir sistematicamente os hotspots no sistema fotovoltaico?

Introdução

Ao chegar o outono e o inverno, tanto os sistemas fotovoltaicos empresariais quanto residenciais são mais frequentemente afetados por sombreamento e sujeira. Acúmulo de excrementos de pássaros, folhas secas e poeira podem gerar consequências inesperadas. Por que um sombreamento localizado pode fazer com que todo o módulo aqueça? Como uma pequena mancha pode afetar a eficiência de geração de toda a usina?
Comparado a tempestades ou altas temperaturas, os hotspots causados por sujeira e sombreamento são mais sutis e fáceis de serem ignorados. Eles podem não causar danos imediatos, mas acumulam estresse térmico ao longo do tempo, levando à perda de potência, quebra do vidro ou até falha dos módulos. Quando o problema de geração se manifesta, muitas vezes já é difícil rastrear sua causa.
O problema dos hotspots gerados por sujeira não é um evento isolado, mas sim um risco estrutural. Sem identificação prévia e estratégias de prevenção no design, ele tende a ocorrer repetidamente nas estações de maior incidência, comprometendo a segurança operacional e o desempenho do sistema fotovoltaico.

1. Como se formam os hotspots nos módulos fotovoltaicos?

Hotspot é uma região de aquecimento anormal localizada em células do módulo fotovoltaico devido a superaquecimento. A origem não está na temperatura, mas sim no sombreamento. Quando materiais como excrementos de pássaros ou folhas cobrem uma célula, aquela área não consegue gerar energia, o fluxo de corrente é bloqueado, ocorre polarização reversa e a célula deixa de ser geradora para se tornar consumidora de energia, aquecendo localmente e formando um hotspot.
Mas o problema não se limita a uma única célula. Para aumentar a tensão, um módulo fotovoltaico geralmente conecta entre 60 e 100 células em série, e vários módulos também são conectados em série para formar uma string. Se uma única célula tiver restrição de corrente, toda a string sofre redução proporcional. Mesmo que apenas 5% da superfície do módulo esteja sombreada, a perda de geração pode superar 30%. Quanto mais concentrado o sombreamento e maior a corrente, mais rápido o hotspot se forma e maior o aumento da temperatura.
O diodo de bypass pode ser ativado quando o sombreamento se intensifica, isolando a área afetada do circuito. No entanto, ele só entra em operação após a acumulação de uma tensão reversa de 0,5 a 0,7 V. Em situações de sombreamento concentrado, como no caso de excrementos de pássaros, o hotspot frequentemente aparece antes da resposta do diodo. Se o design do módulo ou o ambiente operacional não forem devidamente otimizados, o hotspot pode se repetir e evoluir para danos térmicos no encapsulamento, corrosão dos pontos de solda ou até rachaduras no vidro, representando um risco de longo prazo.

2. Que tipos de sujeira mais frequentemente geram hotspots nos módulos fotovoltaicos?

Sujeira causada por excrementos de pássaros

O excremento de pássaros é a fonte mais típica e de maior risco de geração de hotspots nos sistemas fotovoltaicos. O problema central não está na área de sombreamento, mas sim na concentração do bloqueio e na sua característica de bloqueio total da luz. Um pequeno excremento cobrindo completamente uma única célula pode causar uma obstrução severa da corrente no circuito em série.

Em um módulo fotovoltaico, todas as células funcionam em série, e a corrente deve permanecer consistente. Quando uma célula é sombreada por excremento de pássaro, ela não consegue gerar eletricidade normalmente, mas a corrente da série continua forçada a passar. Isso faz com que a célula sombreada não consiga fornecer corrente e entre em estado de polarização reversa no circuito em série, formando um hotspot.

Além disso, o excremento de pássaros tem baixa condutividade térmica. Após a evaporação da umidade, os resíduos orgânicos sólidos são extremamente difíceis de dissipar o calor, o que faz com que o calor se concentre intensamente. Segundo dados de inspeção da DNV, o aumento de temperatura local sob o sombreamento de excremento de pássaros varia geralmente entre 35°C e 70°C, muito superior a outros tipos de poluição. Basta que uma única célula (cerca de 2% da área do módulo) seja completamente sombreada para que a potência de todo o módulo caia entre 25% e 30%, ativando rapidamente um efeito evidente de hotspot.

Sujeira causada por folhas

Poluição por folhas

O risco de hotspots causados por folhas acumuladas é diferente do provocado por excrementos de pássaros, dependendo da forma de cobertura e da sua duração. Uma única folha normalmente possui certa transparência (cerca de 20%–40%), o que leva apenas à redução da eficiência de geração, mas a corrente interna do módulo permanece equilibrada, portanto é pouco provável que cause hotspot.

No entanto, quando várias folhas se acumulam — especialmente em condições úmidas — a taxa de transparência cai rapidamente para menos de 10%. Nesse momento, várias células na área afetada entram simultaneamente em um estado de baixa geração ou falha total, impedindo a passagem da corrente elétrica, o que leva ao polarização reversa.

O relatório da IEA no PVPS Task 13 aponta que, especialmente nas áreas centrais dos módulos, há um atraso na ativação dos diodos de bypass, fazendo com que a elevação local de temperatura atinja entre 20°C e 40°C.

Este risco apresenta uma clara sazonalidade. Se não forem removidas a tempo, as folhas acumuladas podem gerar múltiplos hotspots distribuídos, comprometendo seriamente a segurança operacional de todo o string fotovoltaico.

Sujeira causada por poeira

O principal risco da poluição por poeira não está na formação de hotspots, mas na redução contínua da eficiência de geração de energia. Diferente dos excrementos de pássaros e das folhas, a poeira se caracteriza por uma cobertura uniforme, afetando a intensidade da luz de maneira global.

Sob condições de luz enfraquecida de forma uniforme, todas as células do módulo experimentam uma redução sincronizada na corrente gerada, mantendo-se corrente equilibrada, o que significa que não ocorre polarização reversa local. Mesmo que a poeira cubra 80%–90% da superfície, isso não leva diretamente à formação de hotspots. Testes com imagens térmicas geralmente mostram que a diferença de temperatura causada pela poeira não ultrapassa 5°C.

De acordo com o estudo do NREL sobre perdas de desempenho devido à sujeira, a poluição por poeira normalmente provoca uma redução de 3%–7% na geração de energia do sistema. No entanto, se houver acúmulo simultâneo de poeira com excrementos de pássaros ou musgo, ainda poderá surgir um hotspot localizado, afetando de forma duradoura a eficiência do sistema.

Poluição por musgo

O risco do musgo está na sua localização fixa, na longa duração da obstrução e na sua alta retenção de calor. O musgo geralmente cresce nas áreas da moldura do módulo onde há acúmulo de água, aderindo por longos períodos e formando uma obstrução local semi-permanente, sem apresentar sazonalidade clara.

O mecanismo elétrico é semelhante ao dos excrementos de pássaros: as células solares cobertas por musgo apresentam restrição contínua na geração de corrente, enquanto a corrente do circuito em série é forçada a passar, levando essas células a permanecerem em polarização reversa constante. Além disso, a alta umidade interna do tecido do musgo e sua baixa condutividade térmica fazem com que a região afetada acumule calor de forma constante.

Testes térmicos realizados pela TÜV Rheinland indicam que as células sob obstrução de musgo costumam apresentar um aumento de temperatura de 25°C a 35°C. Esse tipo de hotspot crônico não só reduz a produção de energia, como também acelera o envelhecimento da encapsulação, provoca corrosão nas soldas e pode até gerar microfissuras no vidro.

3. Hvor stor indvirkning har hotspots på et PV-system?

Effekttab – vedvarende nedgang i output

Hotspots er en af de største risici, der medfører løbende effekttab i solcellemoduler. Når en celle går i omvendt bias på grund af skygge eller blokering, stopper den med at producere strøm og bliver en modstand, der genererer varme. Dette forårsager ikke kun lokal fejl, men forplanter sig gennem hele strengen, fordi den serieforbundne strøm tvinges ned.

Selv hvis kun 2–5 % af moduloverfladen er delvist blokeret, falder modulernes effekt typisk med 20–35 %. Hvis der opstår flere hotspots, kan hele strengens produktion falde med over 40 %. Denne type tab opstår ikke tilfældigt, men forværres gradvist, da blokering gentager sig over tid.

På længere sigt fører gentagne hotspots til et årligt produktionstab på 5–10 %. En lokal blokering kan dermed udvikle sig til et vedvarende tab på streng- eller anlægsniveau og kan også føre til yderligere elektriske fejl.

Termisk belastning på indkapslingen: Fremskyndet materialenedbrydning

Den vedvarende høje temperatur, som et hotspot skaber, er en væsentlig faktor, der accelererer aldringen af modulindkapslingen. Når lokal temperatur konstant overstiger 60°C, starter en termisk nedbrydningsproces, hvor EVA-indkapslingen bliver gul, mister krydsbindinger og gradvist udvikler bobler og delaminering. Denne kædereaktion er irreversibel.

Når indkapslingen delaminerer, mister modulet sin strukturelle beskyttelse, og samtidig reduceres lysgennemtrængeligheden markant. De delaminerede områder danner hulrum, som bliver en indgang for fugt. Fugtindtrængning fører til korrosion, forværret loddeforbindelse og brud på fingerskinner, hvilket yderligere accelererer både materialenedbrydning og elektriske fejl.

Tests fra TÜV Rheinland og NREL viser, at under hotspot-påvirkning sker bobledannelse og delaminering typisk inden for 12–24 måneder – langt tidligere end den normale ældningscyklus på 8–10 år. Mere kritisk er, at denne form for svigt starter indefra og derfor ikke er synlig udefra, før skaden er alvorlig og påvirker modulernes optiske egenskaber, strukturelle stabilitet og langsigtede ydeevne.

Elektriske fejl: Loddefejl og afbrydelser

Ud over materialenedbrydning skaber hotspots betydelige elektriske problemer. Den vedvarende høje temperatur forårsager termisk træthed i loddepunkter, fingerskinner og samleskinner. Især ved belastninger mellem 90°C og 120°C begynder loddematerialet at danne mikrosprækker, rekristallisere og brænde væk, hvilket reducerer pålideligheden drastisk.

Når loddepunkterne forringes, opstår der også brud i fingerskinner og samleskinner på grund af kombinationen af termisk stress og elektrisk belastning. Når strømvejen brydes, aktiveres bypass-dioder hyppigt for at omgå den defekte celle, men det medfører samtidig lavere produktion og ujævn belastning i strengen. I værste fald kan dette føre til strengnedbrud, ubalanceret spænding og endda jordfejl.

Inspektionsrapporter fra DNV og PVEL viser, at over 18 % af hotspot-skadede moduler har loddefejl, fingerskinnebrud eller smeltede samleskinner. I modsætning til naturlig ældning opstår disse fejl hurtigere og har en stærkt eskalerende effekt, der hurtigt kan føre fra en enkelt cellefejl til fejl på hele strengeniveau.

Strukturelle skader: Fra mikrorevner til glasbrud

De ekstreme temperaturer, der genereres af hotspots, påvirker ikke kun det elektriske kredsløb og indkapslingen, men også modulernes struktur. Gentagne termiske belastninger forårsager udvidelse og sammentrækning af glas, solceller og loddepunkter, hvilket fører til spændingskoncentration. Under store dag-nat temperaturforskelle eller ekstreme vejrforhold bliver hotspot-området et svagt punkt i strukturen.

Denne termiske mekaniske cyklus skaber først mikrorevner i cellerne, som derefter spreder sig langs spændingslinjerne. Med tiden udvikler dette sig til delaminering, rammeforvridning og revner i glasoverfladen — både i hjørnerne og som gennemgående revner. Mikrorevner kan eskalere til decideret glasbrud og alvorlig strukturel svigt.

Ifølge data fra DNV og PVEL er sandsynligheden for mikrorevner i moduler med hotspots over 2,5 gange højere end i intakte moduler. Cirka 12 % af disse udvikler sig til synlige revner eller fuldstændigt glasbrud. Disse strukturelle skader reducerer ikke kun lysindfaldet, men skaber også permanente fugtindtrængningsveje, som accelererer både indkapslingsfejl og elektrisk nedbrydning, og forkorter modulernes levetid betydeligt.

Hvordan identificerer og håndterer man hotspots?

Identifikation af hotspots via data og visuelle signaler

Hotspots opdages typisk gennem en kombination af driftsdata og fysiske inspektioner. Det mest direkte tegn er et markant fald i produktionen fra en streng sammenlignet med andre strenge i samme system. Et andet typisk signal er strømubalance, hvor DC-strømmen er unormalt lav uden en logisk forklaring som skygge, orientering eller konfiguration.

Invertere vil ofte udløse fejl som “String Power Imbalance” eller “DC Fault”. Derudover viser IV-kurven klassiske tegn som strømkollaps på skulderen, fald i kortslutningsstrøm, eller aktivering af bypass-dioder, hvilket indikerer elektrisk belastning og cellefejl.

På stedet kan man finde fysiske tegn såsom:

• Lokale forureninger (f.eks. fugleklatter, blade, mos)
• Delaminering eller blister i indkapslingen
• Fugtindtrængning (vandmærker, tåge under glas)
• Mikrosprækker i glas eller deformerede rammer

Hvis man ser både forurening og produktionsnedgang, peger det typisk på forureningsbaserede hotspots. Hvis der samtidig er vedvarende strømfejl kombineret med blister eller delaminering, tyder det på strukturelle eller elektriske hotspots. Jævnt fordelt støv forårsager derimod kun generelt produktionstab, men udløser ikke hotspots.

Ved at krydsvalidere driftsdata med fysiske inspektioner kan man hurtigt identificere mistænkelige moduler, der potentielt er ramt af hotspots.

Bekræftelse af hotspot-position og årsag via måleværktøjer

Termografisk inspektion er den mest direkte metode til at identificere hotspots. Når temperaturspringet på moduloverfladen er ≥10°C, vurderes det som et potentielt hotspot. Hvis temperaturforskellen er under 5°C, skyldes det typisk blot forskelle i varmeafledning. Inspektionen skal foretages på solrige dage med høj belastning for at undgå fejldiagnose ved lav stråling.

• EL-test (Elektroluminescens) anvendes til at opdage mikrosprækker, brutte cellestrenge eller delaminering, som ikke kan ses med det blotte øje. Denne metode er effektiv til at identificere begyndende hotspots eller strukturelle fejl.
• IV-kurveanalyse fokuserer på elektriske fejl. Typiske tegn er fald på strømkurvens skulder, omvendt træk eller bypass-diodeaktivering. IV-test kan ikke lokalisere fejlens præcise position, men kan bekræfte strømubalance eller diodefejl.
• Termografi med drone bruges ofte i store solparker for hurtigt at lokalisere områder med unormal varme. I tagbaserede systemer anvendes håndholdte termiske kameraer kombineret med EL-test for at identificere strukturelle fejl. IV-analyse bruges til at understøtte vurderingen af elektriske fejl.

Ved at kombinere termografisk temperaturmåling, elektrisk kurveanalyse og strukturelle billeddiagnoser kan man præcist afgøre, om hotspot skyldes forurening, strukturelle defekter eller elektriske fejl — og dermed vælge den korrekte behandlingsmetode.

Vælg den korrekte behandlingsmetode baseret på hotspot-typen

Uanset årsagen gælder følgende princip: Forureningsrelaterede hotspots kan repareres, mens strukturelle og elektriske hotspots kræver udskiftning.

• Forureningshotspots er en reversibel risiko og kan løses gennem hyppig rengøring og målrettet vedligeholdelse. Hvis forureningen er gentagen — især på tagrygge, fremspring eller fugtige områder — anbefales det at installere fugleafskrækkere eller forbedre drænsystemet.
• Strukturelle hotspots, såsom delaminering, blærer eller mikrosprækker, er irreparable. Når de er bekræftet, skal de berørte moduler straks udskiftes, da fortsat drift kun accelererer materialenedbrydning og elektriske fejl.
• Elektriske hotspots opstår ofte på grund af svejsepunktsforbrænding, brudte busbars eller defekte bypass-dioder. Midlertidig isolering er mulig ved diodefejl, men alle elektriske fejl, der ledsages af høj varme, kræver omgående udskiftning.

Etablering af hotspot-forebyggelse og risikokontrolmekanisme

Forebyggelse af hotspots handler om at eliminere udløsende faktorer og opretholde en lukket risikoovervågningscyklus. Fuld risikostyring er baseret på to lag: det første er miljømæssig og strukturel beskyttelse, det andet er tidlig fejldetektering og rettidig udskiftning – hvilket skaber en kontinuerlig lukket proces fra forebyggelse til håndtering.

Forureningsrelaterede hotspots kræver regelmæssig rengøring, effektivt dræn og installation af fugleafskrækkere for at reducere gentagelse. Strukturelle og elektriske hotspots kræver streng kvalitetskontrol af moduler og overholdelse af installationsstandarder. Det er afgørende at eliminere stresskoncentration og svejsedefekter under installationen.

Driften bør kombinere daglig termografisk screening med årlige dybdegående inspektioner for at opretholde en konstant overvågningstilstand.

5. Hvordan forebygger man systematisk hotspots i solcelleanlæg?

(1) Forebyggelse af hotspots gennem modulstruktur

Moduldesignet afgør, om skygger kan føre til hotspots. Moduler med opdelte celler, multi-busbar eller fuld bagkontakt (IBC) kan effektivt sprede lokal strømmismatch og reducere risikoen for hotspots.

Tre-delte celler yderligere opdeler de elektriske kredsløb, så skyggeeffekten begrænses til et mindre område. Multi-busbar tilbyder flere strømveje, hvilket forhindrer strømkonsolidering. Halv-celle-strukturen deler strømmen op i parallelle kredsløb, hvilket reducerer strømstyrken i hver streng. IBC med fuld bagkontakt har ekstremt korte strømbaner og ingen frontskygge, hvilket giver den stærkeste skygge-tolerance på markedet.

Bifaciale glas-glas-moduler har ikke direkte elektrisk beskyttelse mod hotspots, men kan i miljøer med høj refleksion delvist kompensere for effekttab forårsaget af front-skygger gennem bagsideproduktion.

(2) Reducer hotspots gennem installation og layout

Installation og layout er afgørende for at forebygge hotspots. Skygge kommer primært fra tagets struktur, omgivelserne og ophobning af forurening over tid. Ved at optimere rækkelayout og anvende passende beskyttelsesforanstaltninger kan risikoen for hotspots reduceres markant.

I installationsfasen stammer hotspots hovedsageligt fra skygge og forurening. Typiske skyggekilder inkluderer tagrygge, brystninger, ventilationsrør, udluftningstårne samt nærliggende bygninger eller træer. Skyggemønstre ændrer sig desuden i takt med årstider, solhøjde og vegetationens vækst. Modulrækker bør undgå disse højrisikoområder, især skygger fra tagrygge, fremspring og afløbsrender. Det anbefales at holde en sikkerhedsafstand på 30–50 cm fra høje objekter for at sikre ensartet belysning i hele strengen og forhindre strømmismatch forårsaget af lokal skygge. For tage med faste skygger bør layoutet optimeres ved at omplacere eller udelade skyggeramte områder.

I driftsfasen er forureningsrelaterede hotspots lige så vigtige at håndtere. Installation af fuglepigge, bladfangere og effektive afløb kan reducere risikoen for, at affald ophobes og forårsager hotspots. Tage vendt mod nord eller i skygge bør kontrolleres regelmæssigt for mosvækst. I situationer, hvor skygge ikke kan undgås, kan anvendelse af invertere med flere MPPT’er, mikroinvertere eller optimeringsenheder hjælpe med at reducere effekttabet forårsaget af skygge. Bemærk dog, at elektrisk optimering kun kan forbedre energiproduktionen – den kan ikke eliminere selve hotspots.

(3) Langsigtet risikostyring gennem drift og vedligeholdelse

Ifølge driftsstatistik fra DNV og IEA kan regelmæssig rengøring reducere forekomsten af forureningsrelaterede hotspots med cirka 70 %. Det er en effektiv måde at afhjælpe de lokale temperaturstigninger og energitab, som skyldes blade om efteråret eller fugleklatter.

Men forurening er kun én af årsagerne. Hotspots er i deres kerne ikke tilfældige, men et strukturelt risikomønster, drevet af miljøforandringer, aldring af moduler, materialenedbrydning og elektrisk belastning – risici, som følger hele solcellens livscyklus. Sammenlignet med statisk designoptimering har driftsmekanismer en langt større rolle i den dynamiske håndtering af disse langtidstrusler.

I praksis viser forureningsrelaterede hotspots og strukturelle eller elektriske hotspots helt forskellige risikoprofiler:

• Førstnævnte er sæsonbetonede og miljøafhængige, og kræver hyppige inspektioner og løbende rengøring for at blive løst effektivt.
• Sidstnævnte stammer fra materialetræthed, elektrisk ubalance eller fabrikationsfejl, og skal håndteres med regelmæssige dybdegående inspektioner og tidlig indgriben.

Hvis der mangler effektiv forvaltning, kan hotspots udvikle sig fra lokaliserede varmeafvigelser til omfattende fejl som forseglingstab, loddepunktskorrosion eller strømmismatch – og i sidste ende føre til strengnedbrud og varig produktionsreduktion i hele anlægget.

Et robust driftssystem danner den centrale lukkede kreds for hotspot-risikostyring. Det handler ikke kun om overfladisk rengøring eller fejlreparation, men om at bruge termografiske inspektioner, EL-tests og IV-kurveanalyser til løbende at kvantificere anomalier, fange risikotendenser og løbende justere inspektionsfrekvens, teststrategier og fejlrespons, så systemets termiske og elektriske stabilitet opretholdes.

I moderne standarder for solcelleaktiver er hotspots allerede identificeret som en kritisk strukturel variabel, der påvirker energiproduktion, accelererer modulnedbrydning, øger driftsomkostninger og svækker aktivernes værdi. Uden en lukket forvaltningscyklus vil denne risiko irreversibelt accelerere langs kurven for ydelsesfald og stigende omkostninger.

Hotspot-håndtering er derfor ikke længere blot en del af drift og vedligeholdelse, men et grundlæggende element i rammerne for system-sundhedsforvaltning. Ved at kombinere moduldesignoptimering, layoutforbedring og en driftsstrategi med lukket kredsløb kan hotspot-risiko omdannes fra en fiaskofaktor til en kontrollerbar driftsparameter – en forudsætning for at sikre både anlæggets levetid og dets økonomiske værdi.

Desde 2008, a Maysun Solar é tanto investidora quanto fabricante na indústria fotovoltaica, fornecendo soluções solares comerciais e industriais de telhado sem investimento. Com 17 anos de atuação no mercado europeu e 1,1 GW de capacidade instalada, oferecemos projetos solares totalmente financiados, permitindo que as empresas monetizem telhados e reduzam custos de energia sem investimento inicial. Nossos painéis avançados IBC, HJT e TOPCon, além de estações solares de varanda, garantem alta eficiência, durabilidade e confiabilidade a longo prazo. A Maysun Solar cuida de todas as aprovações, instalação e manutenção, garantindo uma transição sem riscos para a energia solar, ao mesmo tempo em que entrega retornos estáveis.

References

DNV. (2021). PV Module Reliability Scorecard 2021. DNV Energy Systems. https://www.dnv.com/services/pv-module-reliability-scorecard-2021-200178
PVEL. (2023). PV Module Reliability Scorecard 2023. PV Evolution Labs (PVEL). https://www.pvel.com/pv-module-reliability-scorecard/
NREL. (2022). Impact of Soiling on PV System Performance: Review and Analysis. National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/82015.pdf
IEA PVPS Task 13. (2020). Soiling of Photovoltaic Panels: Literature Review, Measurement, and Modeling. International Energy Agency. https://iea-pvps.org/research-tasks/task-13/
TÜV Rheinland. (2021). Quality Monitor: Global PV Module Reliability Testing. TÜV Rheinland Group. https://www.tuv.com/media/corporate/products_1/renewables_1/solar/solar_quality_monitor.pdf
Leituras recomendadas: