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As células solares começaram a ser utilizadas na década de 60 para proporcionar energia aos satélites. Atualmente encontram-se em plena difusão como fontes de produção de energia alternativa ou energia verde. A redução dos preços dos novos painéis solares transformou estes sistemas geradores de energia num método realmente atrativo de produção de eletricidade, inclusive para uso privado.

A maioria das células solares produzidas são baseadas no silício, tanto policristalino quanto monocristalino. Também é utilizada a tecnologia de lâmina fina de silício amorfo, telúrio de cádmio (CdTE) ou cobre índio selénio (SIS), mas de momento esta tecnologia é incipiente e pouco frequente.

visão artificial

Painéis solares de visão artificial

O processo de fabricação das células solares baseadas no silício inicia-se a partir de lingotes ou barras de silício, que se cortam em wafers, posteriormente dopadas para criar uniões ativas. Em seguida, aplica-se um revestimento e acrescentam-se os condutores metálicos na wafer. Na parte posterior são adicionadas as lâminas de alumínio. Assim que a célula solar é testada, começa a produção do painel solar onde se combinam múltiplas células através de um processo de soldadura. Por último é sobreposto um cristal nos painéis que são emoldurados para a instalação.

Em cada um dos passos da produção das células e dos painéis, é necessário realizar um exaustivo controlo de qualidade, que começa na avaliação do volume dos lingotes de silício e termina na determinação da eficiência do painel completamente terminado e instalado. A visão artificial desempenha um papel importante em cada uma das fases de produção.

Neste artigo, a intenção é dar uma visão global dos diferentes aspetos a ter em conta na inspeção de células e placas solares. Partimos de um resumo dos variados tipos de inspeção para determinar distintos defeitos que podem ser encontrados no processo de produção, assim como uma especial enfatização da utilização da visão artificial como suporte no processo produtivo.

A rápida evolução desta indústria, tanto nos novos materiais como nas novas metodologias de produção, torna previsível que a visão artificial possa ser utilizada futuramente em novas aplicações relacionadas com esta tecnologia.

 

Do Lingote a Painel

Como mencionado anteriormente, o processo de geração das células solares começa pela obtenção das wafers a partir de um lingote ou barra de silício. Devido ao constante aumento de preço do silício, procura-se laminar os lingotes em wafers cada vez mais finas, para poder atingir um máximo aproveitamento. Isto implica que o surgimento de defeitos seja praticamente inevitável, tanto no processo de separação como na manipulação do material.

A partir do lingote já se inicia o processo de controlo e produção. A própria formação dos lingotes não está isenta de erros e durante o crescimento cristalino costumam aparecer fendas interiores, que se podem visualizar e separar, fazendo que o corte das wafers somente aconteça nas partes do lingote onde não tenham surgido estas fraturas. Uma das metodologias utilizadas para determinar a presença de brechas ou fendas nas barras consiste em iluminar os lingotes com luz infravermelha e localizar os defeitos a partir de câmaras térmicas baseadas na tecnologia InGaAs, que permitem observar o espectro infravermelho entre os 900 e os 1700nm. É conhecido que um dos comprimentos de onda que melhor permite identificar o aspeto das fendas de silício policristalino é o que está em torno dos 1200nm. A tecnologia moderna permite utilizar câmaras com este tipo de sensores, capazes de detectar as fendas de menor tamanho. Actualmente estas câmaras possuem uma resolução máxima de 640 x 512 píxeis e um dos fabricantes mais avançados no desenvolvimento destes sensores é a Xenics Infrared Solutions, distribuídos exclusivamente pela INFAIMON.

Dependendo do processo de fabricação, é muito importante conhecer o volume e a forma exacta dos lingotes, tanto para a sua separação em lingotes de menor tamanho, como para cortar as wafers. O melhor método para a determinação do volume também requer uma tecnologia baseada na visão artificial. Trata-se da medição do volume a partir de câmaras 3D baseadas em triangulação laser que criam um modelo 3D do lingote. A medida que as câmaras se deslocam ao longo do lingote, se constrói uma representação em 3D da barra de silício no computador. Uma vez obtida esta representação, determina-se o melhor método de corte das wafers, para obter o mínimo possível de perdas.

 

Controlo das wafers e células solares

No processo de corte podem surgir vários defeitos causados tanto pelo corte em si, como pela própria estrutura do material. Entre os inúmeros defeitos que devem ser controlados salientam-se: fendas ou micro-fendas, as marcas da serra de corte, fraturas nas laterais da wafer, a presença de pó procedente do mesmo corte e as marcas de impressão digital pelo manuseio deficiente.

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Processo de determinação de defeitos na visão artificial

Apesar deste processo de determinação de defeitos ser parecido ao que se utiliza na indústria de semicondutores, a inspeção de células solares implica algumas dificuldades adicionais. Nas células de silício monocristalino alguns destes defeitos são menos complexos de determinar, entretanto o silício policristalino aumenta consideravelmente a dificuldade pela estrutura interna do material, o que torna difícil a localização das fendas ou das marcas de serra que frequentemente se confundem com os cristais de silício. No caso das células policristalinas, cada wafer possui uma estrutura cristalina distinta, o que exige um sistema de visão capaz de distinguir entre a estrutura cristalina e os defeitos, sendo necessário um controlo muito mais detalhado com campos de visão menores. Com isso torna-se ainda mais impreterível a utilização de câmaras de uma resolução muito maior.

Igualmente dentro deste processo de obtenção das wafers brutas é importante determinar o seu tamanho e forma exatos. As wafers podem ter diversos tamanhos definidos segundo a sua utilização futura. Mesmo assim, pode haver células de um tamanho considerável, acima dos 10 centímetros. O fator tamanho, pode complicar ainda mais, no caso de utilizar a nova tecnologia de capa fina, onde os painéis podem ter vários metros de superfície. Nas células também deve-se controlar a forma ou geometria, para poder ajustá-las com precisão no processo de implementação em linha.

O tamanho de alguns defeitos pode ser de poucos microns, por isso é necessário utilizar no controlo de qualidade destas células câmaras matriciais de alta resolução até 50 megapíxeis, ideais para trabalhar com células de tamanho reduzido. Quando as células sejam de maior tamanho ou quando se trabalhe com painéis de capa fina, deve-se utilizar várias câmaras lineares em paralelo até 16.000 pixéis por linha. Entre os fabricantes de câmaras lineares devemos destacar a Teledyne Dalsa como principal fabricante desta tecnologia, desenvolvendo sensores especificamente concebidos para resolver este tipo de aplicações. As câmaras matriciais utilizadas com mais frequência são de fabricantes como a Allied Vision, Teledyne Dalsa, IDS Imaging e JAI Cameras que oferecem uma extensa gama de câmaras matriciais de alta definição.

Outro ponto importante a ser levado em conta na inspecção das células “brutas” na sua forma é a sua espessura e o grau de ondulação. É habitual que as células não sejam completamente plana e consta que o rendimento aumenta quanto mais rectas sejam as células. Para determinar a homogeneidade enquanto à superfície, utilizam-se mais uma vez técnicas de determinação do volume através de câmaras 3D, que com a ajuda de uma linha laser podem avaliar a altura em cada um dos pontos da wafer, com precisão de poucos microns. Para este tipo de trabalho utilizam-se câmaras Gocator da LMI Technologies ou câmaras da AT Automation Technology, em conjunto com programas de processamento 3D como o Sherlock da Teledyne Dalsa ou o Halcon da MVTec.

Uma vez separadas as wafers em bruto, que sejam consideradas adequadas para utilização, continuam-se os distintos processos, tais como o texturizado, a limpeza, o processo de gravação de sulcos geralmente através da tecnologia laser, seguindo com o enxaguado. Posteriormente, realiza-se o revestimento com carga negativa às wafers em bruto que apresentem uma carga positiva, podendo ser utilizado fósforo gasoso a altas temperaturas. Este processo denominado “dopagem” cria duas capas separadas dentro da wafer, uma capa com carga negativa e outra com carga positiva. Este campo positivo-negativo é o que permite à célula solar gerar eletricidade quando se expõe à luz solar. Para obter uma separação entre as capas positivas e negativas, as orlas das wafers são isoladas utilizando técnicas de gravação por plasma. Para que as células capturem a maior quantidade de luz solar incidente, é aplicado um revestimento antirreflexos de nitrato de silício, reduzindo os índices de reflexão e aproveitando desta forma ao máximo a radiação solar. Para capturar a energia elétrica criada pela célula solar, são fixadas capas (fibras) de contactos elétricos, para permitir o fluído da corrente elétrica em direção ao interior e exterior da célula.

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Em cada um destes processos anteriormente mencionados há uma intervenção de uma inspeção através de sistemas de visão.

No texturado é feita uma inspeção das linhas que foram traçadas, tanto para ver a largura destas linhas como para determinar a distância entre linhas. Este processo de inspeção é frequentemente realizado utilizando câmaras de alta resolução, habitualmente superiores aos 4 megapíxeis, já que estas linhas não costumam ser superiores a uns poucos microns.

O processo de revestimento também é analisado, sendo possível medir a espessura deste revestimento através da utilização de sistemas de iluminação especialmente desenhados para permitir a observação das diferenças de comportamento com respeito à luz em função da espessura deste revestimento (coating). Este tipo de inspeção, dependendo do tamanho das células, pode ser feita com distintos tipos de câmaras, com resoluções que oscilam entre 1.5 e 50 megapíxeis. Por vezes, se utilizam câmaras a cores, que permitem distinguir com mais nitidez estas mudanças de tonalidade relacionadas com a espessura.

O processo de fixar as capas (filamentos) de contactos elétricos não está isento de erros. É normal que se produzam curto-circuitos nestas fibras, que bloqueiem o caminho da corrente elétrica e portanto causam uma perda de eficiência à célula solar. Estes curto-circuitos podem ser de dimensões realmente pequenas e por isso é necessário neste caso utilizar câmaras de máxima definição lineares ou matriciais, segundo o processo de fabricação.

É importante também ter em conta outros defeitos adicionais, como a presença de bolhas na parte posterior das células solares. Este problema está relacionado com a perda de eficiência na transmissão eléctrica. As bolhas são mais difíceis de localizar e ainda que haja métodos habituais de determinação por visão que utilizam iluminação “darkfield” para ressaltar a presença destas bolhas, é recomendável aplicar sistemas 3D, que são muito mais eficazes e podem chegar a revelar bolhas de apenas uns microns de altura.

Uma vez avaliados todos os defeitos encontrados nas células solares, seguem os testes de produção eléctrica e eficiências das células.

Como comentado antes, as células solares convertem a energia solar em eletricidade, mas além disso também possuem a característica de poder emitir luz se forem conectadas a uma corrente elétrica. Este processo que, podemos considerar inverso, é denominado eletroluminiscência. Através desta tecnologia é possível avaliar de forma rápida e precisa a eficiência da célula em cada um de seus pontos. Ao induzir uma corrente elétrica sobre a célula, esta emite luz num espectro centrado nos 1.150nm. Quanto mais radiação emite mais eficiente é. Esta radiação é emitida em toda a célula, de maneira que se existe uma fenda ou um defeito nas capas condutivas, esta informação é refletida na imagem capturada com câmaras especialmente sensíveis a este comprimento de onda.

Pelas características intrínsecas dos sensores CCD e CMOS baseados em silício, as câmaras que utilizam esta tecnologia apenas podem chegar a capturar imagens com comprimentos de onda de até 1.100nm. Neste comprimento é quando as células solares começam a emitir, ao serem expostas ao processo de electroluminiscência. Por esta razão, se são utilizadas as câmaras convencionais baseadas em sensores de silício, necessitam ser câmaras especialmente refrigeradas e que permitam realizar longos tempos de exposição, no caso da eficiência quântica ser mínima. Também podem ser câmaras que já incorporem sensores especiais de eficiência quântica elevada nestes comprimentos de onda.

Outra opção é trabalhar com câmaras sensíveis ao infravermelho, justamente a zona onde a eletroluminiscência é mais potente. Estas câmaras denominadas SWIR estão baseadas nos sensores InGaAs (Índio, Galio, Arsénico) e permitem visualizar comprimentos de onda compreendidos entre os 900 e os 1700nm. Estas câmaras são as mais recomendadas, apesar de que apresentam resoluções mais reduzidas (640 x 480 pixéis) e seus custos são mais elevados.

Câmaras sensíveis ao infravermelho

Painéis solares

O seguinte passo é a produção de painéis solares a partir das células solares. Inicia-se pela classificação das células que são agrupadas segundo a sua potência máxima. A potência máxima de cada série de células está condicionada pela capacidade individual da célula mais débil desta cadeia. Através de um sistema de classificação, assegura-se que unicamente se formem cadeias de células solares com potências similares, deste modo garantindo o uso eficiente da série.

O processo de classificação e armazenamento destas células solares é feito através de sistemas robotizados. A visão artificial, neste momento auxilia os robôs a localizar a posição e rotação das células e desta forma efetuar a fixação com total eficiência, evitando rupturas do material devido ao manuseamento ineficiente.

Posteriormente, procede-se à montagem de cadeias e matrizes, para configurar os painéis. As células solares com capacidade similar agrupam-se e conectam-se através de faixas condutoras metálicas. Este processo de montagem está totalmente automatizado e uma vez mais intervém a simbiose robô/visão para automatizar o processo de forma mais eficiente. Durante o processo segue uma meticulosa inspeção através de câmaras de visão artificial de alta resolução e lâmpadas de infravermelhos para detetar possíveis falhas na soldadura.

Uma vez interconectadas as células, realiza-se uma inspeção informatizada da superfície de cada uma das “cadeias”, através de várias câmaras de alta definição capazes de detetar impurezas microscópicas. Em seguida, é feita a instalação da matriz num painel de vidro de alta transparência coberto com um filme de selagem. O vidro que cobre estes painéis solares também sofre uma rigorosa inspeção através de câmaras lineares de máxima definição, para localizar possíveis defeitos, impurezas ou detritos que poderiam reduzir a eficiência do painel.

Assim que a matriz completa está montada sobre o painel de vidro, os alinhamentos de células que formam a matriz interconectam-se e preparam-se as conexões externas. São depositadas então uma capa adicional de filme de selagem e uma lâmina protetora sobre a matriz, com a finalidade de proteger a unidade dos efeitos degradantes da radiação ultra-violeta.

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Inspeção informatizada da superfície

Nesta etapa procede-se à selagem dos painéis. As unidades de laminagem criam um vazio pneumático no interior do módulo para obter uma selagem melhor.

O último passo é fixar a matriz das células solares a uma estrutura de alumínio, que se utiliza para facilitar a manipulação e a instalação dos módulos e para melhorar sua resistência às condições meteorológicas. Finalmente, a unidade é submetida a um teste de segurança eléctrica para garantir por exemplo, que não existam curto-circuitos que poderiam causar uma descarga eléctrica na estrutura do módulo.

A seguir cada painel completo é enviado para uma etapa de simulação solar adicional com a finalidade de medir sua produção elétrica em diversas situações. O resultado deste processo é registado e cada módulo é etiquetado com seu número de série e suas características elétricas. No processo de etiquetagem intervém os sistemas de leitura OCR e códigos de barras e de matriz, baseados em sensores de visão que permitem realizar o rastreamento das placas após serem fabricadas e comercializadas.

 

Controlo de eficiência em instalações solares

A intervenção da visão artificial não termina neste ponto, mas continua no controlo da eficiência dos painéis solares uma vez instalados e em plena produção. As células solares que deixam de funcionar ou que apresentam uma baixa eficiência não dissipam a energia e, portanto, aumentam a sua temperatura. A utilização das câmaras termográficas, que permitem visualizar a temperatura, é recomendada especialmente para este tipo de aplicações. Estas câmaras podem situar-se de forma fixa num lugar elevado, de maneira que controlem automaticamente cada uma das placas e que avisem o centro de produção, em caso de perda de eficiência de alguma placa. Também existem câmaras térmicas portáteis que permitem fazer uma manutenção preventiva, sendo utilizadas por operários que podem realizar um controlo de painel a painel.

Controlo de painel a painel na visão artificial

Controlo de painel a painel

Conclusão

Baseando-nos na informação apresentada, fica claro que a procura de energias alternativas está num processo de expansão superior aos dois dígitos. Isto, evidentemente é uma boa notícia para a indústria da visão artificial, já que está comprovado que é praticamente imprescindível em cada um dos processos de produção destes elementos e essencial se o objetivo é aumentar a produção ao nível que o mercado atual exige.

A visão artificial contribuirá com novos produtos e novas tecnologias que permitem aumentar a qualidade e efetividade dos sistemas de produção de energia elétrica através da radiação solar. Este é o momento onde os países mais ricos em horas de exposição solar devem apostar nesta tecnologia e desenvolver os seus centros de produção próximos dos lugares de máxima aplicação.

A assessoria de empresas como a INFAIMON, especializadas em visão artificial e líderes no mercado, garantem uma importante economia de tempo e recursos financeiros a todas aquelas empresas que estão a desenvolver sistemas de produção de eletricidade baseadas na energia solar.

 

Salvador Giró
CEO Grupo INFAIMON