2018
UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA
Luminescência de células solares
Bárbara Marisa Vicente da Fonseca
Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente
Dissertação orientada por:
Professor Doutor Killian Paulo Kiernan Lobato (FCUL)
Doutor José Almeida Silva (FCUL)
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Agradecimentos
Um muito obrigado a todas as pessoas que tornaram a concretização desta dissertação uma realidade.
Aos meus orientadores, Killian Lobato e José Silva, pela proposta deste trabalho, pela dedicação, conselhos e paciência durante toda a sua realização.
Ao Senhor Dmitri Boutov por toda a ajuda e disponibilidade demonstrada sempre que necessário. Ao Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e Energia, pela cedência dos módulos fotovoltaicos que foram essenciais para a realização desta dissertação.
À Marisa Frazão pela disponibilidade e ajuda durante a parte experimental.
Ao Ivo Bernardo pelo apoio durante os trabalhos iniciais no Laboratório de Aplicações Fotovoltaicas.
Aos meus colegas de laboratório, Magdy e Yasser, pelo companheirismo, empenho e dedicação demonstrados ao longo de todo o trabalho.
Aos meus amigos pelos bons momentos e amizade durante todos estes anos.
Ao Tiago por acreditar em mim e no meu trabalho e por todos os conselhos, ajuda, amor e tempo dedicado agora e sempre.
À minha mãe, ao meu irmão e ao meu pai por todo o carinho e compreensão e por estarem sempre lá para mim nos momentos que mais precisei.
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Resumo
A electroluminescência (EL) é já uma ferramenta de caracterização de células e módulos solares bem desenvolvida, com particular interesse na caracterização de parques fotovoltaicos de grandes áreas.
Nesta dissertação foi desenvolvida uma metodologia de baixo custo para a caracterização de módulos fotovoltaicos. As imagens EL foram adquiridas com uma câmara Si-CCD digital modificada sob diferentes condições de luminosidade. Realizaram-se ensaios no interior do laboratório com as luzes de teto ligadas e desligadas e no Campus Solar durante o período noturno com iluminação pública a interferir com os ensaios.
De forma a remover a radiação parasita utilizou-se um filtro ótico passa-banda em conjunto com a técnica de subtração de imagens, que consiste na subtração de uma imagem de fundo a uma imagem do módulo sob polarização direta. As imagens adquiridas com luz de fundo e sem filtro ótico apresentam uma elevada percentagem de pixels saturados. De forma a contornar este problema recorreu-se à técnica de separação de imagem em três canais de cor.
A análise visual das imagens foi complementada com a análise dos respetivos histogramas RGB, sendo desta forma possível verificar a partir de que momento as imagens apresentam pixels saturados. Os histogramas permitem também visualizar como os pixels, dos três canais de cor, se encontram distribuídos pelos diferentes níveis de intensidade.
Por último, aplicou-se a metodologia com os parâmetros ótimos na caracterização de cinco módulos fotovoltaicos. De forma a identificar a causa exata dos defeitos detetados deve-se utilizar a técnica de electroluminescência em conjunto com outros métodos de caracterização de módulos.
Palavras-Chave: Módulos fotovoltaicos (PV), electroluminescência (EL), deteção de defeitos in
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Abstract
Electroluminescence (EL) is already a well-developed tool for the characterization of solar cells and modules, with special interest on the characterization of photovoltaic parks of large areas. In this dissertation a low-cost methodology was developed for the characterization of photovoltaic modules. The EL images were acquired with a modified Si-CCD digital camera under different light conditions. Tests were performed inside the lab, with the ceiling lamps turned on and off and in the Solar Campus during the night-time period with public light interfering with the tests. To remove the parasitic radiation, an optical bandpass filter was used together with an image subtraction technique, which consists on the subtraction of a background image from an image of the module under direct polarization. The images acquired under conditions with background illumination and without the optical filter have a high percentage of saturated pixels. To overcome this problem the technique of channel separation was used.
The visual analysis of the images was complemented with the analysis of the respective RGB histograms. In this way it was possible to verify from what moment the image had saturated pixels. The histograms also allow us to visualize how the pixels, of the three colour channels, are distributed by the different intensity levels.
Finally, the methodology with the optimal parameters was applied in the characterization of five different photovoltaic modules. To identify the exact cause of the detected defects, the electroluminescence technique should be used together with other methods of modules characterization.
Keywords: Photovoltaic (PV) modules, electroluminescence (EL), in situ defect detection, image
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Índice
Agradecimentos ... iii Resumo ...v Abstract ... vi Índice de Figuras ... ixÍndice de Tabelas ... xii
Simbologia e Notações ... xiii
1. Introdução ...1
1.1. Motivação e enquadramento ...1
1.2. Estrutura da dissertação ...2
2. Fundamentos fotovoltaicos ...3
2.1. Princípios da célula fotovoltaica ...3
2.1.1. Materiais semicondutores ...4
2.1.2. Geração de portadores de carga ...5
2.1.3. Mecanismos de recombinação ...6
2.1.4. Junção p-n ...8
2.1.5. Circuito equivalente da célula ...9
2.2. Módulos fotovoltaicos ...10
2.2.1. Tipos de módulos e células fotovoltaicos...10
2.3. A electroluminescência como técnica de caracterização de módulos ...11
2.4. Aplicação da técnica EL neste caso de estudo ...13
3. Metodologia ...17
3.1. Sistema experimental e equipamentos ...17
3.1.1. Módulo fotovoltaicos ...18
3.1.2. Fonte de alimentação ...19
3.1.3. Câmara fotográfica ...19
3.1.4. Objetiva ...23
3.1.5. Camera Control Pro 2 ...24
3.1.6. Filtro passa-banda ...24
3.2. Aquisição e processamento de imagem...28
3.2.1. Correção de imagem...29
3.2.2. Subtração de imagem ...30
3.2.3. Separação da imagem em canais RGB ...32
4. Discussão e análise de resultados ...33
4.1. Laboratório ...33
4.1.1. Resultados no escuro ...34
4.1.1.1. Sem filtro ...34
viii
4.1.2. Resultados com luz...39
4.1.2.1. Sem filtro ...39
4.1.2.2. Com filtro ...43
4.2. Campus Solar ...46
4.2.1. Zona sombreada do Campus Solar ...47
4.2.1.1. Sem filtro ...47
4.2.1.2. Com filtro ...50
4.2.2. Zona do Campus Solar com iluminação pública ...52
4.2.2.1. Sem filtro ...52
4.2.2.2. Com filtro ...57
4.3. Análise comparativa ...59
4.3.1. Laboratório ...60
4.3.2. Campus Solar ...61
4.4. Identificação e caracterização de defeitos ...62
4.4.1. Módulo nº 1 ...63
4.4.2. Módulo nº 2 ...64
4.4.3. Módulo nº 3 ...65
4.4.4. Módulo nº 4 ...66
4.4.5. Módulo nº 5 ...67
5. Conclusões e desenvolvimentos futuros ...68
Referências bibliográficas ...71 Anexos...76 Anexo A.1 ...76 Anexo A.2 ...78 Anexo A.3 ...80 Anexo A.4 ...83
ix
Índice de Figuras
Figura 2.1 - Esquema de uma célula solar convencional - geração de pares eletrão (𝑒 −) buraco (ℎ +) (adaptado de Luque et al. [7]). ... 3 Figura 2.2 - Bandas de energia para condutores, semicondutores e isolantes. ... 4 Figura 2.3 - Diagrama de um semicondutor de hiato direto a) e hiato indireto b). ... 5 Figura 2.4 - Mecanismos de recombinação em semicondutores. a) Em volume e b) Em superfície (adaptado de Luque et al. [7]). ... 6 Figura 2.5 - Esquema representativo da junção p-n (adaptado de Wenham [13]). ... 8 Figura 2.6 - Circuito equivalente de uma célula solar. ... 9 Figura 2.7 - Esquema dos componentes de um módulo de células de silício cristalino (adaptado de Peike et al. [15]). ... 10 Figura 2.8 - Célula de (a) silício monocristalino e (b) silício multicristalino e (c) módulo de filme fino [18]. ... 10 Figura 2.9 - (a) Filtro de Bayer e sensor e (b) Funcionamento do filtro com radiação. ... 13 Figura 2.10 - Distância focal (adaptado de Nikon USA [37]). ... 16 Figura 3.1 - Sistema experimental desenvolvido para a aquisição de imagens EL. 1) Fonte de alimentação, 2) Módulo fotovoltaico, 3) Computador com o programa Camera Control Pro 2 instalado e 4) Câmara fotográfica e tripé. ... 18 Figura 3.2 - Localização dos dois pixels selecionados (assinalados a vermelho), um posicionado no módulo numa área mais luminosa e outro numa zona mais escura fora do módulo. Imagem RGB obtida em formato NEF 12 bits convertida para TIFF 8 bits, com ISO igual a 200, abertura igual a f/4, distância focal igual a 35 mm, compensação de exposição de -4 EV e tempo de exposição de 2,5 s. ... 20 Figura 3.3 - Curva de resposta do sensor de cada canal de cor para o pixel localizado na zona luminosa. a) Canal Vermelho, b) Canal Verde e c) Canal Azul... 21 Figura 3.4 - Curva de resposto do sensor de cada canal de cor para o pixel localizado na zona escurecida. a) Canal Vermelho, b) Canal Verde e c) Canal Azul. ... 21 Figura 3.5 - Espectro de emissão de uma célula de silício à temperatura ambiente (linha a tracejado), sensibilidade de um sensor Si-CCD (linha a ponteado) e luminescência detetada pelo sensor (linha contínua) (adaptado de Fuyuki et al. [19]). ... 23 Figura 3.6 - Esquema das condições de teste. a) Laboratório e b) Campus Solar. ... 24 Figura 3.7 - Espectro de transmissão do filtro infravermelho passa-banda Melles Griot 03 F11 024, com um comprimento de onda máximo aos 1104 nm. ... 25 Figura 3.8 - Luminescência detetada pelo sensor da câmara (linha contínua) e espectro eletromagnético do filtro passa-banda (linha a tracejado). ... 25 Figura 3.9 - Imagens do teste com o filtro. As imagens foram adquiridas com tempos de exposição de 1, 5 e 10 segundos. Parâmetros de aquisição de imagem: NEF 12 bits convertidas em formato TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm e compensação de exposição -4 EV. ... 26 Figura 3.10 - Histogramas das imagens do teste ao filtro sob diferentes condições. Linha a pontilhado corresponde a 1 segundo de exposição, a linha a tracejado a 5 segundos e a linha contínua a 10 segundos. a) Escuro sem filtro, b) Escuro com filtro, c) Luz sem filtro, d) Luz com filtro. ... 27 Figura 3.11 - a) Imagem RGB adquirida pela máquina sem correção. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV, e 3 segundos de tempo de exposição, b) Correção de perspetiva, c) Recorte do fundo. ... 29 Figura 3.12 - Histogramas RGB das imagens. a) Com o fundo, b) Com o fundo com o eixo dos yy ajustado e c) Sem fundo e moldura exterior das células do módulo. ... 30 Figura 3.13 - Imagens RGB. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 3 segundos. a) Módulo com luminescência, b) Módulo sem luminescência e c) Subtração. ... 31
x
Figura 3.14 - Imagem de subtração separada em canais RGB. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. ... 32 Figura 4.1 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Laboratório no escuro sem filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 3 segundos. a) Com EL, b) Sem EL e c) Subtração. ... 34 Figura 4.2 - Histograma RGB das imagens obtidas em laboratório no escuro sem filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência, c) Sem luminescência com o eixo dos yy ajustado e d) Subtração. ... 35 Figura 4.3 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados por canais RGB. Condições: Laboratório no escuro sem filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. ... 36 Figura 4.4 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Laboratório no escuro com filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 30 segundos. a) Com EL, b) Sem EL e c) Subtração. ... 37 Figura 4.5 - Histograma RGB das imagens obtidas em laboratório no escuro com filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência, c) Sem luminescência com o eixo dos yy ajustado e d) Subtração. ... 38 Figura 4.6 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados por canais RGB. Condições: Laboratório no escuro com filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. ... 39 Figura 4.7 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Laboratório com luz sem filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 1 segundo. a) Com EL, b) Sem EL e c) Subtração. ... 40 Figura 4.8 - Histograma RGB das imagens obtidas em laboratório com luz sem filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência e c) Subtração. ... 41 Figura 4.9 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados por canais RGB. Condições: Laboratório com luz sem filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. ... 42 Figura 4.10 - Imagem de subtração separada em canais RGB. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. O contraste das imagens foi ajustado para efeitos de visualização neste documento. .. 43 Figura 4.11 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Laboratório com luz com filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 30 segundos. a) Com EL, b) Sem EL e c) Subtração. ... 44 Figura 4.12 - Histograma RGB das imagens obtidas em laboratório com luz com filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência, c) Sem luminescência com o eixo dos yy ajustado e d) Subtração. ... 45 Figura 4.13 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados em canais RGB. Condições: Laboratório com luz com filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. ... 46 Figura 4.14 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Zona sombreada do Campus Solar sem filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 3 segundos. a) Com EL, b) Sem EL com o contraste da imagem corrigido para efeitos de visualização neste documento e c) Subtração. ... 47 Figura 4.15 - Histograma RGB das imagens obtidas na zona sombreado do Campus Solar sem filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência, c) Sem luminescência com o eixo dos yy ajustado e d) Subtração. ... 48 Figura 4.16 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados por canais RGB. Condições: Zona sombreada do Campus Solar sem filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. 49 Figura 4.17 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Zona sombreada do Campus Solar com filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 30 segundos. a) Com El, b) Sem EL e c) Subtração. ... 50
xi
Figura 4.18 - Histograma RGB das imagens obtidas na zona sombreada do Campus Solar com filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência, c) Sem luminescência com o eixo dos yy ajustado, d) Subtração. ... 51 Figura 4.19 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados por canais RGB. Condições: Zona sombreada do Campus Solar com filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. 52 Figura 4.20 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Zona iluminada do Campus Solar sem filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 3 segundos. a) Com EL, b) Sem EL e d) Subtração. ... 53 Figura 4.21 - Histograma RGB das imagens obtidas na zona iluminada do Campus Solar sem filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência, c) Sem luminescência com o eixo dos yy ajustado e d) Subtração. ... 54 Figura 4.22 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados por canais RGB. Condições: Zona iluminada do Campus Solar sem filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. . 55 Figura 4.23 - Imagem de subtração separada em canais RGB. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. ... 56 Figura 4.24 - Imagem RGB do módulo 1. Condições: Zona iluminada do Campus Solar com filtro. Parâmetros de aquisição: NEF 12 bits convertida em TIFF 8 bits, sensibilidade ISO 200, abertura f/4, distância focal 35 mm, compensação de exposição -4 EV e tempo de exposição 30 segundos. a) Com EL, b) Sem EL e c) Subtração. ... 57 Figura 4.25 - Histograma RGB das imagens obtidas na zona iluminada do Campus Solar com filtro. a) Com luminescência, b) Sem luminescência, c) Sem luminescência com o eixo dos yy ajustado e d) Subtração. ... 58 Figura 4.26 - Sobreposição dos histogramas de cada imagem separados por canal RGB. Condições: Zona iluminada do Campus Solar com filtro. a) Canal vermelho, b) Canal verde e c) Canal azul. . 59 Figura 4.27 - Imagens do módulo 1 com luminescência sob as diferentes condições de teste. Todas as imagens foram adquiridas em formato NEF 12 bits convertidas TIFF 8 bits, com sensibilidade ISO de 200, abertura igual f/4, distância focal igual 35 mm e uma compensação de exposição de -4 EV. ... 60 Figura 4.28 - Imagens do módulo número 1 com luminescência sob as diferentes condições de teste. Todas as imagens foram adquiridas em formato NEF 12 bits e convertidas em formato TIFF 8 bits, com uma sensibilidade ISO igual a 200, uma abertura de f/4, uma distância focal de 35 mm e uma compensação de exposição de – 4 EV. ... 61 Figura 4.29 - a) Módulo com EL, b) Close up do defeito, c) Parte frontal, d) Parte traseira. ... 63 Figura 4.30 - a) Módulo com EL, b) Close up do defeito, c) Parte frontal, d) Parte traseira. ... 64 Figura 4.31 - a) Módulo com luminescência, b) parte frontal do módulo, c) parte traseira do módulo. ... 65 Figura 4.32 - a) Módulo com luminescência, b) Close up do defeito, c) parte frontal do módulo, d) parte traseira do módulo. ... 66 Figura 4.33 - a) Módulo com luminescência, b) Close up do defeito vista frontal e reverso, c) parte frontal do módulo, d) parte traseira do módulo. ... 67
xii
Índice de Tabelas
Tabela 3.1 - Características elétricas e físicas dos módulos nas condições STC (Datasheet nos anexos
A.1 e A.2). ... 18
Tabela 3.2 - Características físicas da Nikon D40 [38]. ... 19
Tabela 4.1 - Parâmetros de aquisição de imagem selecionados para o laboratório. ... 33
Tabela 4.2 - Parâmetros de aquisição de imagem selecionados para o Campus Solar. ... 46
Tabela 4.3 - Parâmetros de aquisição de imagem usados no laboratório e no Campus Solar. ... 59
xiii
Simbologia e Notações
𝛼 Coeficiente de absorção
𝜂 Eficiência do módulo
𝜆 Comprimento de onda da radiação
𝐴 Área da célula ou módulo
AF Auto Focus
a-Si Silício amorfo
𝐵 Largura de banda
BC Banda de condução
BV Banda de valência
𝑐 Velocidade de luz no vácuo
CdTe Telureto de cádmio
CIGS Disseleneto de cobre, índio e gálio
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
DSLR Digital Single-Lens Reflex camera
𝐸 Energia do eletrão
EL Electroluminescência
EV Exposure Value
EVA Etileno, Vinil e Acetato
𝑓 Frequência de corte
GaAs Arsenieto de gálio
ℎ Constante de Plank
𝐼 Corrente
𝐼𝐷 Corrente no díodo
𝐼𝑚𝑝 Corrente no ponto de potência máxima
InGaAs Arsenieto de índio e gálio
𝐼𝑝𝑣 Corrente fotogerada
𝐼𝑠𝑐 Corrente de curto-circuito
xiv
𝐽 Densidade de corrente
𝐽0 Densidade de corrente de saturação
𝐽𝐷 Densidade de corrente no díodo
JPEG Joint Photographic Experts Group
𝐽𝑝𝑣 Densidade de corrente fotogerada
𝐽𝑆𝐻 Densidade de corrente na resistência paralela
𝑘𝐵 Constante de Boltzmann
n Portadores de carga negativos
𝑛 Coeficiente dependente do material semicondutor
𝑛𝑘 Número de pixels
p Portadores de carga positivos
PID Potential Induced Degradation
PL Fotoluminescência
𝑃𝑚á𝑥 Potência máxima
𝑃𝑛𝑜𝑚 Tolerância de potência
PV Photovoltaic
RGB Red, Green, Blue
𝑟𝑘 Nível de intensidade
𝑅𝑠 Resistência em série
𝑅𝑠ℎ Resistência em curto-circuito
Si Silício
Si-CCD Silicon Charge Coupled Device
SRH Shockely-Read-Hall
STC Standard Test Conditions
𝑇 Temperatura absoluta
TIFF Tagged Image File Format
UAV Unmaned Aerial Vehicle
𝑉 Tensão
𝑉𝑚𝑝 Tensão no ponto de potência máxima
1
1. Introdução
1.1. Motivação e enquadramento
O mercado fotovoltaico encontra-se em rápido crescimento, com uma taxa de crescimento anual de instalações fotovoltaicas de 24 % entre 2010 e 2017 [1].
Os painéis fotovoltaicos são fabricados de modo a produzirem energia durante um período entre 25 a 30 anos. Contudo, devido a fatores externos a que os módulos estão expostos, 2 % de todos os painéis começam a apresentar sinais de falhas passados 11 a 12 anos do início do seu funcionamento. Em instalações mais antigas, principalmente com painéis fabricados antes de 2000, esta taxa é ainda mais elevada [2]. De forma a maximizar os retornos energéticos e financeiros é essencial que a garantia de qualidade dos módulos seja assegurada. Pelo que é necessário que seja realizada uma caracterização dos painéis não só depois do seu fabrico, mas também depois de terem sido instalados e durante o seu período de operação. Algumas das técnicas de caracterização in situ utilizadas são: medida da curva corrente-tensão (I-V), electroluminescência (EL), fotoluminescência (PL) e termografia.
A metodologia desenvolvida nesta dissertação baseia-se na técnica de electroluminescência. Inicialmente esta consistia num método de caracterização de células ponto a ponto. Fuyuki et al. [4] apresentou uma inovação do método através do uso de uma câmara Si-CCD que em poucos segundos caracterizava uma amostra completa. Verificou-se que a intensidade de luz emitida pelas células de silício tinha um relacionamento proporcional direto com o número de portadores de carga minoritários definido pelo comprimento de difusão. Todas as metodologias posteriormente desenvolvidas baseiam-se no trabalho apresentado por Fuyuki et al., e têm como objetivo comum aplicar este método de caracterização de módulos em parques solares de grandes dimensões. Diversos métodos de caracterização têm sido desenvolvidos, inclusive recorrendo à utilização de drones [3].
A técnica de electroluminescência caracteriza-se por ser um método de análise não-destrutivo que possibilita a identificação e caracterização de defeitos em células e módulos solares, de forma rápida, que não são visíveis a olho nu. Quando polarizadas de forma direta as células de silício cristalino emitem radiação infravermelha que é captada por câmaras de infravermelho – ou câmaras DSRL modificadas. Através de uma análise visual das fotografias das células e módulos é possível identificar vários defeitos que se caracterizam por zonas mais escurecidas que correspondem a áreas com sinal de electroluminescência fraco. Alguns dos defeitos detetados são: fissuras e micro-fissuras, dedos partidos e células em curto-circuito.
Nesta dissertação propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia para a aplicação da técnica EL em módulos de forma rápida e com o auxílio de uma câmara digital modificada de baixo custo. A metodologia a ser desenvolvida tem como base o estudo realizado por Frazão et al. [5],[6], que consiste na análise de células de silício cristalino na ausência de luz. Nesta dissertação pretendem-se adquirir imagens de módulos sob diferentes condições de luminosidade, sendo o objetivo final a aplicação da técnica EL em painéis fotovoltaicos no exterior durante o período noturno, com vista a aplicar a técnica desenvolvida a parques fotovoltaicos.
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1.2. Estrutura da dissertação
Esta dissertação encontra-se dividida em cinco capítulos:
• O presente capítulo faz uma breve introdução ao tema da electroluminescência apresentando os objetivos que se pretendem alcançar nesta dissertação;
• O capítulo 2, “Fundamentos fotovoltaicos”, introduz os conceitos teóricos da célula e módulos solares. Este capítulo resume também o estado de arte da técnica da electroluminescência e explica os fundamentos teóricos do processo de formação e aquisição de imagem de modo a perceber a metodologia adotada;
• O capítulo 3, “Metodologia”, descreve o processo de aplicação da técnica de eletroluminescência nesta dissertação;
• O capítulo 4, “Análise e discussão de resultados”, apresenta os resultados obtidos com a metodologia desenvolvida, e;
• Finalizando, o capítulo 5 apresenta a conclusão de todo o trabalho desenvolvido. Este capítulo apresenta também os trabalhos futuros que se esperam vir a desenvolver com a técnica de electroluminescência desenvolvida nesta dissertação.
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2. Fundamentos fotovoltaicos
Este capítulo encontra-se dividido em quatro subcapítulos.
Os conceitos teóricos da célula fotovoltaica e módulos são apresentados nos subcapítulos 2.1 e 2.2, respetivamente.
O subcapítulo 2.3 resume o estado de arte da técnica de electroluminescência. O último subcapítulo introduz o modo de aplicação da técnica EL nesta dissertação.
2.1. Princípios da célula fotovoltaica
A célula fotovoltaica, tal como o díodo e outros componentes eletrónicos, é constituída por materiais semicondutores [7]. Os semicondutores têm a capacidade de absorver luz – fotões – e, sob certas condições, gerar uma corrente elétrica. Este processo baseia-se no facto dos eletrões do semicondutor poderem ser convertidos em eletrões livres, gerando simultaneamente portadores de carga positivos (p) – “buracos” – e portadores de carga negativos (n) – eletrões.
A Figura 2.1 ilustra a estrutura de uma célula fotovoltaica convencional. A luz solar – sob a forma de fotões – incide na parte superior da célula. Esta é absorvida pelo material semicondutor e convertida em energia elétrica. A célula é constituída por duas camadas de um semicondutor dopadas com elementos diferentes: boro, que é um dopante tipo-p, e fósforo, tipo-n. Esta é ainda constituída por uma camada anti-reflectora de forma a aumentar a quantidade de luz absorvida pelo semicondutor.
Figura 2.1 - Esquema de uma célula solar convencional - geração de pares eletrão (𝑒−) buraco (ℎ+)
(adaptado de Luque et al. [7]).
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2.1.1. Materiais semicondutores
Os materiais podem ser classificados, de acordo com a sua condutividade elétrica, em três grupos: condutores, semicondutores e isolantes [8]. A diferença entre estes materiais pode ser explicada pela teoria das bandas de energia ilustrada pela Figura 2.2. Segundo esta teoria existem duas bandas de energia, a banda de valência, BV, e a banda de condução, BC. Cada uma destas bandas é constituída por níveis discretos de energia por onde os eletrões podem estar distribuídos.
A banda de valência é ocupada por eletrões no estado mais estável do átomo. Quando excitados os eletrões passam da banda de valência para a banda de condução. A banda de condução corresponde à banda com níveis de energia mais elevados.
O intervalo entre o nível de energia mais elevado da banda de valência e o nível de energia mais baixo da banda de condução corresponde a uma banda proibida denominada de hiato de energia e indica a energia mínima necessária para um eletrão passar da banda de valência para banda de condução. O nível de Fermi encontra-se a meio do hiato de energia.
Figura 2.2 - Bandas de energia para condutores, semicondutores e isolantes.
Em materiais condutores a banda de valência encontra-se sobreposta com a banda de condução. Os eletrões de valência são essencialmente eletrões livres e facilmente é gerada corrente elétrica.
Os materiais isolantes caracterizam-se por um hiato de energia elevado, pelo que é necessária uma grande quantidade de energia para mover os eletrões da banda de valência para a banda de condução. O hiato de energia em semicondutores é relativamente pequeno o que possibilita, dada uma certa quantidade de energia, a passagem de eletrões da banda de valência para a banda de condução [9]. A zero absoluto o material semicondutor comporta-se como um isolante (a banda de valência está completamente ocupada com eletrões e a banda de condução completamente vazia). Através do aumento da temperatura e/ou da interação com fotões os eletrões são excitados da banda de valência para a banda de condução. O eletrão excitado deixa uma lacuna na banda de valência denominada “buraco”. Eletrões vizinhos podem ocupar estes buracos gerando, deste modo, um movimento contínuo de cargas. O eletrão é considerado o portador de carga negativo (n) e o buraco é considerado o portador de carga positivo (p), estes constituem um par eletrão-buraco.
O elemento mais utilizado no fabrico de células fotovoltaicas é o silício (Si) que se encontra na coluna IV da tabela periódica, o que significa que tem quatro eletrões de valência que podem ser partilhados com átomos vizinhos formando ligações covalentes [10]. Na sua forma cristalina os átomos estão arranjados numa rede cúbica de faces centradas do tipo diamante numa ligação tetraédrica.
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2.1.2. Geração de portadores de carga
Os fotões são os principais responsáveis pela geração de pares eletrão-buraco e caracterizam-se por uma determinada energia 𝐸 e pelo seu comprimento de onda λ. Que se relacionam segundo a equação (2.1).
𝐸 =ℎ𝑐 𝜆
(2.1)
Onde ℎ corresponde à constante de Planck e 𝑐 à velocidade da luz no vácuo.
Para comprimentos de onda em que a energia dos fotões é superior à energia de hiato, a energia é totalmente absorvida pelos eletrões na banda de valência sendo excitados para a banda de condução. O excedente da energia depois da absorção é perdido como calor num mecanismo denominado de termalização. No caso de comprimentos de onda longos não há absorção de fotões devido à sua energia ser inferior à energia de hiato, pelo que são transmitidos através do material.
Os semicondutores classificam-se em dois tipos: semicondutores de hiato energético direto e semicondutores de hiato energético indireto [9].
Num semicondutor de hiato direto (Figura 2.3 a)), como é o caso do GaAs, o nível máximo de energia da banda de valência e o nível mínimo da banda de condução estão alinhados, isto é, ocorrem no mesmo momento. Para um eletrão passar da banda de valência para banda de condução basta que a energia do fotão incidente seja igual à energia de hiato.
Em semicondutores de hiato indireto (Figura 2.3 b)), como é o caso do Si, o nível de energia máximo da banda de valência está desalinhado com o nível de energia mínima da banda de condução, ou seja, têm momentos diferentes. Pelo que, para além da absorção de um fotão com energia igual ou superior à energia de hiato, é necessário que seja absorvido um fonão – partícula com baixa energia e elevado momento – que compense a diferença de momento. Pelo que a probabilidade de absorção é muito mais baixa em semicondutores de hiato indireto uma vez que é necessário o envolvimento de duas partículas.
O processo de absorção de fotões depende da espessura e do coeficiente de absorção 𝛼 (espectral) de um semicondutor. Este coeficiente determina a capacidade de material em absorver fotões. Em semicondutores de hiato indireto este coeficiente depende da disponibilidade de eletrões e fonões pelo que apresentam um coeficiente de absorção mais baixo do que os semicondutores de hiato direto [7].
a) b)
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2.1.3. Mecanismos de recombinação
Quando um semicondutor é retirado do seu estado de equilíbrio a concentração de eletrões (n) e buracos (p) tende a voltar ao seu estado fundamental, ou seja, os eletrões passam da banda de condução para a banda de valência eliminando um par eletrão-buraco, num processo denominado recombinação [7].
Os mecanismos de recombinação podem ocorrer em volume ou na superfície da célula. A Figura 2.4 ilustra os tipos de recombinação existentes.
a) b)
Figura 2.4 - Mecanismos de recombinação em semicondutores. a) Em volume e b) Em superfície (adaptado de Luque et al. [7]).
Recombinação Radiativa
O processo de recombinação radiativa é o inverso da absorção, logo a energia de recombinação corresponde à energia de hiato. Neste processo os eletrões eliminam o mesmo número de buracos. Em semicondutores de hiato indireto, como é o caso do silício, este mecanismo é tão improvável quanto o mecanismo de absorção, o que significa que os portadores de carga necessitam de tempos mais longos para que possam ser recombinados.
Este mecanismo envolve a emissão de um fotão com energia aproximadamente igual à energia de hiato, uma vez que todo o excesso de energia é perdido, sob forma de calor, antes da recombinação ocorrer. Em semicondutores com hiato de energia indireto é necessário que sejam emitidos, em simultâneo, um fotão e um fonão, pelo que a taxa de recombinação radiativa é mais alta em materiais semicondutores de hiato direto [11].
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Recombinação de Shockley-Read-Hall
A recombinação de Shockley-Read-Hall (SRH), também conhecida por recombinação por defeito resulta da introdução de dopantes ou a presença de impurezas, em materiais semicondutores, que originam um nível de energia intermédio na banda proibida onde eletrões e buracos se podem recombinar [11].
A probabilidade de recombinação é proporcional à concentração de todas as partículas envolvidas. No caso de recombinação por defeito a probabilidade deste processo ocorrer é proporcional ao produto da concentração de buracos e eletrões 𝑛𝑝 [10].
Este processo de recombinação é muito comum em células fotovoltaicas de silício, dado que pode ocorrer devido à presença de impurezas e defeitos em volume e à introdução de estados de energia à superfície, que podem ocorrer durante o processo de fabrico das células durante operações de corte e polimento das wafers. Como não é um processo intrínseco pode ser minimizado.
Recombinação de Auger
A recombinação de Auger é um processo que envolve três partículas. Neste mecanismo o par eletrão-buraco cede a sua energia e momento a uma terceira partícula (eletrão ou buraco) – na banda de valência ou de condução. Este eletrão (ou buraco) é excitado para níveis de energia mais elevados, quando volta ao seu estado de energia original transfere o excesso de energia emitindo um ou mais fonões [12].
A probabilidade deste processo ocorrer depende da densidade de portadores de carga. Como é um mecanismo que envolve três partículas, a probabilidade de recombinação é proporcional a 𝑛2𝑝 no caso eletrão-eletrão-buraco e 𝑛𝑝2, para o caso de eletrão-buraco-buraco. À medida que a concentração de eletrões e buracos aumenta a recombinação de Auger torna-se mais significativa.
Tal como a recombinação radiativa a recombinação de Auger é um processo intrínseco ao material, pelo que é inevitável. No entanto no silício este processo só é relevante para elevadas concentrações de portadores de carga, como por exemplo em emissores fortemente dopados ou em células sob elevada concentração de luz, caso contrário pode ser desprezado.
Recombinação de superfície
A superfície da célula solar tem uma elevada concentração de defeitos devido à interrupção abrupta da estrutura cristalina. Estes manifestam-se como níveis de energia intermédios ao longo da banda de energia proibida por onde eletrões e buracos se podem recombinar. Ao contrário do que acontece na recombinação SRH, onde apenas existe um centro de recombinação intermédio, na recombinação de superfície surgem vários estados intermédios ao longo do hiato (Figura 2.4b)) [7].
As células dos módulos caracterizadas nesta dissertação apresentam uma taxa de recombinação de superfície elevada devido à presença de defeitos na sua superfície.
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2.1.4. Junção p-n
A junção p-n, representada pela Figura 2.5, é formada durante o processo de dopagem do silício com boro (dopante do tipo-p) e com fósforo (dopante do tipo-n).
Um semicondutor de tipo-n caracteriza-se por uma elevada concentração de cargas negativas (eletrões livres) que se podem mover pelo material, que é balanceado pelo número de átomos de fósforo com cargas positivas (iões positivos) [13]. De modo semelhante, um semicondutor tipo-p tem um elevado número de cargas positivas (buracos) que se podem deslocar pelo material, que é balanceado pelo número de átomos de boro com cargas negativas (iões negativos).
Figura 2.5 - Esquema representativo da junção p-n (adaptado de Wenham [13]).
Devido ao processo de dopagem do silício com fósforo, existe um grande número de eletrões livres no semicondutor tipo-n. Num semicondutor tipo-p a quantidade de portadores de carga positiva é mais reduzida. Quando se juntam dois semicondutores de tipo diferentes devido ao movimento aleatório das cargas negativas, os eletrões do semicondutor tipo-n vão difundir-se para o semicondutor do tipo-p. De modo similar, devido à dopagem do silício com boro existe um elevado número de portadores de carga positivos (buracos) no semicondutor do tipo-p quando em comparação com o semicondutor do tipo-n, e existe uma difusão de cargas positivas do semicondutor tipo-p para o semicondutor tipo-n.
À medida que os eletrões no semicondutor tipo-n se vão difundido deixam para trás iões de fósforo com cargas positivas. Do mesmo modo, a difusão de buracos do semicondutor tipo-n para o semicondutor tipo-p deixa no seu lugar iões de boro com cargas negativas.
Estes iões geram um campo elétrico no meio da junção p-n – zona de depleção – com a direção do semicondutor tipo-n para o semicondutor tipo-p. Os buracos e eletrões nos dois semicondutores vão ser influenciados por este campo elétrico, com os eletrões a serem atraídos para os iões positivos e os buracos a serem atraídos em direção aos iões negativos.
Este campo elétrico faz com que os portadores de cargas (buracos e eletrões) se desloquem no sentido contrário ao fluxo de difusão. Estes fluxos opostos de cargas acabam, eventualmente, por entrar em estado de equilíbrio, ou seja, o fluxo de eletrões e de buracos através da junção é zero.
Numa célula de silício tipo-p em funcionamento normal o campo elétrico gerado e, consequentemente, a barreira de potencial criada conduz os eletrões para o contacto frontal e os buracos para o contacto traseiro.
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2.1.5. Circuito equivalente da célula
A Figura 2.6 ilustra o circuito equivalente de uma célula, representado por uma fonte de corrente em paralelo com um díodo, uma resistência de curto-circuito 𝑅𝑠ℎ e uma resistência em série 𝑅𝑠. Estas resistências provocam quedas de corrente e tensão que resultam do tipo de material e conceção utilizado no fabrico das células.
A resistência de curto-circuito é determinada por correntes de fuga nas extremidades da célula solar e por defeitos na junção p-n, como a sua interrupção [9]. As resistências em série devem-se ao contacto entre o metal e o semicondutor, resistência dos contactos metálicos e resistência dos semicondutores.
Figura 2.6 - Circuito equivalente de uma célula solar.
Usando o modelo de um díodo, representado pela Figura 2.6, é possível escrever as equações (2.2) e (2.3) que caracterizam a célula fotovoltaica [10].
𝐽 = 𝐽𝑝𝑣− 𝐽𝐷− 𝐽𝑆𝐻 (2.2)
Onde 𝐽𝑝𝑣 é a densidade de corrente fotogerada, 𝐽𝐷 é a densidade de corrente que passa pelo díodo e 𝐽𝑆𝐻 a que passa pela resistência paralela.
𝐽 = 𝐽𝑝𝑣 − 𝐽0{𝑒𝑥𝑝 (𝑞(𝑉 + 𝐴𝐽𝑅𝑠)
𝑛𝑘𝐵𝑇 ) − 1} −
𝑉 + 𝐴𝐽𝑅𝑠 𝑅𝑠ℎ
(2.3)
Em que 𝐴 é a área da célula solar, 𝐽0 é a densidade de corrente de saturação, 𝑘𝐵 é a constante de Boltzmann, 𝑇 é a temperatura absoluta e 𝑛 um coeficiente que depende do material com um valor entre 1 e 2.
Numa célula ideal a resistência de curto-circuito é infinita e a resistência em série é nula.
Para além das perdas resistivas e de recombinação, as células de silício apresentam também perdas óticas. As perdas óticas reduzem o nível de radiação absorvida pelo semicondutor devido à reflexão, sombreamento dos contactos elétricos e a radiação com comprimentos de onda longos que não consegue ser absorvida.
10
2.2. Módulos fotovoltaicos
O módulo fotovoltaico é constituído por um conjunto de células interligadas entre si de forma a aumentar tensão e potência produzida. Estas podem ser de silício mono ou multicristalino ou de filme fino. A Figura 2.7 esquematiza a estrutura de um módulo fotovoltaico de células de silício cristalino. As células encontram-se dispostas entre um vidro temperado, na parte superior, e uma placa de Tedlar, na parte inferior [14]. De forma a garantir a adesão entre as células e o vidro estas são encapsuladas por camadas de EVA (Etileno, Vinil e Acetato). O vidro além de garantir a passagem de radiação solar protege as células de fatores externos. O caixilho e o suporte asseguram o encapsulamento e a integridade de todos os componentes.
Figura 2.7 - Esquema dos componentes de um módulo de células de silício cristalino (adaptado de Peike et al. [15]).
2.2.1. Tipos de módulos e células fotovoltaicos
Os tipos de células mais comuns no mercado são: silício monocristalino, silício multicristalino (ou policristalino) e filme fino.
As células de silício monocristalino (Figura 2.8 (a)) são constituídas apenas por um único grão de cristal, enquanto que as de silício multicristalino (Figura 2.8 (b)) são constituídas por vários grãos que resultam em defeitos nas fronteiras entre grãos [16].
As células de silício multicristalino apesar de menos eficientes dominam o mercado global, devido ao seu baixo custo, representando cerca de 70 % da produção fotovoltaica em 2015 [17].
Os módulos de filme fino (Figura 2.8 (c)) são fabricados depositando uma camada fina de um material semicondutor por cima de vidro ou de outro material. Estes podem ser produzidos a partir de silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe).
Figura 2.8 - Célula de (a) silício monocristalino e (b) silício multicristalino e (c) módulo de filme fino [18].
11
2.3. A electroluminescência como técnica de caracterização de módulos
O presente subcapítulo pretende fazer uma revisão ao estado de arte da técnica de electroluminescência. A electroluminescência (EL) é um fenómeno presente em materiais semicondutores que, quando expostos a uma fonte externa, geram pares eletrão-buraco que tendem a voltar ao seu estado fundamental através de processos de recombinação emitindo luz. A energia de hiato define a energia máxima que os fotões emitidos durante a recombinação podem ter, este máximo só é alcançado para a recombinação radiativa. As câmaras Si-CCD só conseguem detetar os fotões com energia igual à energia de hiato. Os fotões emitidos durante a recombinação SRH têm energias inferiores à de hiato e não são absorvidos pelo sensor da câmara, pelo que as zonas com defeitos ficam escuras.
De forma a aproveitar este fenómeno desenvolveu-se a técnica de electroluminescência que consiste na aquisição de imagens de elevada resolução, com informação espacial sobre células e módulos fotovoltaicos o que permite a identificação de defeitos em células e módulos num curto período de tempo. Este método baseia-se no princípio de que sob polarização direta as células fotovoltaicas de silício cristalino emitem radiação infravermelha [19].
A técnica EL é já uma ferramenta bem desenvolvida para a caracterização de células e módulos solares. Tal como referido anteriormente Fuyuki et al. [4] publicou um artigo sobre o levantamento fotográfico da distribuição do comprimento de difusão de portadores de carga minoritários em células solares policristalinas. A radiação emitida pelas células foi captada por uma câmara CCD. Fuyuki et al. verificou que a intensidade de luz emitida tinha um relacionamento proporcional direto com o número de portadores de carga minoritários definido pelo comprimento de difusão sendo possível desta forma detetar zonas danificadas na célula. Este trabalho serviu de base para as metodologias que foram posteriormente desenvolvidas.
Diversos autores utilizaram esta técnica para identificar defeitos em módulos solares. Mansouri et al. [20] desenvolveu um sistema de identificação de defeitos em módulos solares de diferentes tecnologias – módulos de silício cristalino e de filme fino (CdTe e CIGS) – e concluiu que a maioria dos defeitos correspondiam a micro-fissuras que podiam evoluir para células partidas. Estes tinham como origem a tensão mecânica e mudanças de temperatura. Wang et al. [21] desenvolveu um trabalho semelhante e atribuiu a origem dos defeitos à penetração de resíduos da soldadura na junção p-n, ao preenchimento de silício com prata, a wafers de baixa qualidade e a micro-fissuras nos contactos metálicos devido a processos de soldadura desadequados.
O PID (Potential Induced Degradation) é outro problema encontrado em módulos. Este é caracterizado pelas elevadas tensões a que as instalações fotovoltaicas estão sujeitas pois, em conjunto com a humidade e elevadas temperaturas, originam-se correntes de fuga que resultam em perdas de potência. Martínez-Moreno et al. [22] demonstrou um método para a deteção deste problema em instalações fotovoltaicas in situ durante o período noturno através da conjugação de diferentes técnicas como: termografia, electroluminescência, medidas de tensão em circuito aberto e em operação e medida da curva de corrente-tensão (I-V) com luz e no escuro. Este método apresenta algumas limitações como o custo elevado da câmara e a necessidade dos testes serem realizados à noite, além de que este não quantifica o decréscimo da eficiência do módulo. Stoicescu et al. [23] desenvolveu um sistema comercial, denominado DaySy, que identifica este problema durante o período diário com auxílio de um filtro digital.
12
A técnica de electroluminescência foi utilizado por vários autores recorrendo a diversas metodologias como: utilização de vários tipos de câmaras, aquisição de vídeos EL com o auxílio de veículos aéreos não tripulados (UAV, Unmanned Aerial Vehicle) e aquisição de imagens e vídeos sob diferentes condições atmosféricas e períodos do dia com o auxílio de filtros e métodos de subtração.
Adams et al. [24] recorreu a uma câmara InGaAs capaz de caracterizar instalações PV durante o período diário. As imagens foram adquiridas com intervalos de tempo de exposição curtos o que facilita a gravação de vídeos. Simon Koch et al. [25] desenvolveu também um sistema de gravação de vídeos com o auxílio de drones.
Benatto et al. [3] realizou um estudo comparativo entre a técnica EL e PL (fotoluminescência) de forma a perceber qual o melhor método a ser implementado em drones. Os ensaios foram desenvolvidos em condições de luz natural sob diferentes irradiâncias, e as imagens foram adquiridas com uma câmara InGaAs e um filtro passa-banda. Utilizou-se um método de subtração que consiste na aquisição de duas imagens, uma com EL e outra sem, de forma a remover a luz externa.
Mertens et al. [26], [27] desenvolveu um método de aquisição de vídeos de módulos fotovoltaicos in situ com uma câmara CMOS DSLR de baixo custo à qual se removeu o filtro infravermelho. Verificou-se que o modo de vídeo ajuda a encontrar o ponto de focagem correto. Foram também desenvolvidos ensaios ao amanhecer com um filtro passa-banda em conjunto com testes de subtração.
Martínez et al. [28] propôs uma técnica de aquisição de imagens EL durante o período diário com uma câmara InGaAs CCD de baixo custo. De forma a remover o ruído ambiente utilizou-se um filtro passa-banda em conjunto com um programa com métodos de filtragem. Foi possível detetar defeitos como: dedos e células partidas, problemas com a soldadura e heterogeneidade das células. Os testes foram realizados com diferentes condições atmosféricas.
A técnica EL continua em constante aperfeiçoamento. Todas as metodologias desenvolvidas têm como principal objetivo a aplicação deste método em parques solares de grandes dimensões. Assim, pretende-se com esta dissertação desenvolver um método de caracterização de módulos rápido e de baixo custo.
Como referido anteriormente, a técnica foi desenvolvida com base no estudo de Frazão et al. [5], [6]. Este estudo consistiu na aquisição de imagens EL de células de silício cristalino, no qual se utilizou uma câmara CCD digital sem o filtro infravermelho. Os ensaios foram desenvolvidos no interior de uma caixa escura sem a interferência de fontes luminosas externas. De forma a diferenciar defeitos intrínsecos de defeitos extrínsecos obtiveram-se imagens EL com duas temperaturas diferentes que foram, subsequentemente, subtraídas. Identificaram-se defeitos como: problemas nos contactos metálicos e fronteiras de grão, dedos partidos e micro-fissuras.
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2.4. Aplicação da técnica EL neste caso de estudo
Para alcançar os objetivos propostos foram adquiridas imagens de um módulo sob diferentes condições de luminosidade que irão ser explicadas mais detalhadamente nos capítulos 3 e 4. De forma a perceber a metodologia e os resultados desta dissertação os seguintes pontos têm como objetivo explicar o funcionamento do processo de aquisição de imagem, bem como os parâmetros envolvidos na sua aquisição.
Sensor de imagem CCD
As câmaras fotográficas digitais são constituídas por um sensor digital CCD (Charge-Couple Device) composto por um array de elementos sensíveis à luz conhecidos por pixels [29]. Cada um destes elementos converte a radiação que atravessa a objetiva em sinais elétricos. Como os pixels não distinguem comprimentos de onda os sensores produzem imagens monocromáticas, pelo que se utiliza um filtro de Bayer, garantindo que desta forma apenas uma cor é armazenada em cada pixel. Este filtra radiação com comprimentos de onda no vermelho, verde e azul. Como o olho humano é mais sensível à cor verde o filtro foi desenvolvido de modo a capturar o dobro desta cor (Figura 2.9).
Com este sistema cada pixel recebe apenas informação da cor vermelha, verde ou azul, os valores das outras duas cores são calculados a partir de um processo conhecido por demosaicing. Deste modo assegura-se que cada pixel tem um valor RGB, construindo desta forma uma imagem com os três canais de cor.
Figura 2.9 - (a) Filtro de Bayer e sensor e (b) Funcionamento do filtro com radiação.
Profundidade de bits
A profundidade de bits quantifica quantas cores estão disponíveis numa imagem na forma de 0’s e 1’s. Imagens com uma elevada profundidade de bits apresentam também uma maior quantidade de sombras e cores uma vez que existem mais combinações de 0’s e 1’s disponíveis [30].
Cada pixel de uma imagem digital é gerado através da combinação das três cores primárias: vermelho, verde e azul. Cada cor primária é referida como “canal de cor” e pode ter qualquer valor de intensidade especificado pela profundidade de bits.
14
A profundidade de bits para cada canal de cor é denominada como “bits por canal”. O termo “bits por pixel” refere-se à soma dos bits dos três canais de cor e representa o número total de cores disponível em cada pixel.
Desta forma uma imagem com uma profundidade de 8 bits por canal vai ter 28 ou 256 combinações diferentes – de 0’s e 1’s – disponíveis. Ou seja, tem 256 valores de intensidade disponíveis para cada canal de cor. Quando as três cores são combinadas em cada pixel resulta num total de 28×3 ou 16 milhões de cores diferentes. Como cada pixel é composto por três canais de cor de 8 bits a profundidade de bits por pixel vai ser igual a 24.
Formatos de imagens
RAW
O formato RAW, também referido com negativo digital, preserva a informação da imagem tal como captada no sensor e tem uma profundidade mínima de 12 bits [31]. Corresponde a um formato de imagem proprietário, pelo que não é reconhecível por todos os programas necessitando de um programa de edição de imagem feito exclusivamente para cada formato. Como não há processamento de informação o utilizador tem um controlo total sobre a edição de imagem. Alguns dos parâmetros que se podem alterar são: balanços brancos, contraste, nitidez e saturação de cor.
TIFF
O nome TIFF é um acrónimo para Tagged Image File Format. Este formato de imagem tem, normalmente, uma profundidade de 8 ou 16 bits por canal de cor. O seu tamanho é superior ao RAW, o que faz com que o tempo de processamento seja mais longo, dificultando assim a aquisição rápida de fotografias. É um formato compatível com a maioria dos programas de edição de imagem. Contrariamente ao formato RAW a maioria do processamento de imagem é decidido pela própria câmara, contudo é um formato de imagem descomprimido – ao contrário do JPEG – o que permite alguma edição seja realizada pelo utilizador.
Análise de um histograma RGB
As imagens de cor são representadas por uma matriz de pixels que contêm toda a informação das cores [32]. Cada pixel pode ser separado em três diferentes camadas de acordo com os três canais de cor: vermelho, verde e azul.
Como referido na profundidade de bits, uma imagem com 8 bits por canal tem 𝐿 = 28= 256 intensidades possíveis onde 0 corresponde aos pixels pretos e 𝐿 − 1 aos pixels brancos.
O histograma de uma imagem digital representa a distribuição discreta dos seus níveis de intensidade num intervalo de [0, 𝐿 − 1]. A distribuição é representada por uma função discreta ℎ que associa a cada nível de intensidade 𝑟𝑘 o número de pixels com essa intensidade 𝑛𝑘.
15
De forma a transformar os valores de intensidade discretos numa distribuição discreta de probabilidades aplica-se uma normalização ao histograma dada pela equação (2.4). Este processo consiste na divisão de cada valor do histograma pelo número total de pixels. Como a imagem digital é composta por um conjunto de valores discretos esta pode ser vista como uma matriz em que a dimensão da mesma corresponde ao número total de pixels.
𝑛𝑘= 𝑛𝑘
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 × 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎× 100 (2.4)
Parâmetros para a aquisição de imagem
Sensibilidade ISO
O termo ISO vem do filme, quando este parâmetro era conhecido como a “velocidade do filme” e “ASA” [33]. Tanto em fotografia de filme como em fotografia digital o termo ISO refere-se à sensibilidade do filme ou do sensor à luz. A maioria das câmaras digitais têm um intervalo de ISO entre 100 (baixa sensibilidade) até 12800 (elevada sensibilidade). Este parâmetro influência também a qualidade da imagem. Imagens adquiridas com ISO elevado apresentam ruído e pouca nitidez, pelo que valores de ISO baixos, além de produzirem imagens sem ruído, apresentam também melhores cores e intervalo dinâmico (habilidade da câmara em capturar highlights e sombras).
Velocidade de disparo
A velocidade de disparo – ou tempo de exposição – corresponde ao tempo, em segundos, durante o qual o obturador está aberto. Quanto maior for este parâmetro mais radiação é detetada no sensor [34].
Compensação de exposição
A compensação de exposição é medida em EV (exposure value) e permite que o utilizador faça uma sobre-exposição (aumento do brilho) ou subexposição (diminuição do brilho) da imagem [35].
Abertura
A abertura refere-se à abertura do diafragma da lente por onde a radiação passa. Esta é calibrada em f-stops [36]. Quanto mais baixos os valores de f-stops maior será a exposição do sensor à luz, isto é, f-stops baixos correspondem a aberturas grandes, enquanto f-stops elevados correspondem a aberturas pequenas e menor radiação.
A abertura da lente influência também a profundidade de campo definida pelas zonas de nitidez na frente e por trás do objeto no qual a lente está focada, isto é, quão desfocada ou focada a área atrás do objeto está. F-stops baixos apresentam menor profundidade de campo e mais desfocado fica o fundo da imagem e a f-stops altos correspondem a maiores profundidades de campo e o fundo da imagem encontra-se focado.
16 Distância focal
A distância focal é representada em milímetros e corresponde ao cálculo de uma distância ótica do ponto onde a luz converge para formar uma imagem nítida de um objeto até ao sensor (Figura 2.10) [37]. A distância focal é determinada quando a lente está focada no infinito, e diz-nos qual o ângulo de visão (quanto da cena é capturada) e a ampliação (quão grandes elementos individuais vão ser). Quanto maior for a distância focal mais estreito é o ângulo de visão e maior a ampliação e, por sua vez, quanto menor a distância focal mais largo é o ângulo de visão e menor a ampliação.
17
3. Metodologia
A metodologia encontra-se dividida em duas partes. A primeira parte “Sistema experimental e equipamentos” faz uma abordagem detalhada do sistema e equipamentos utilizados durante os ensaios. A segunda parte corresponde à “Aquisição e processamento de imagem” onde se descreve todo o tratamento a que as imagens são submetidas para que possam ser posteriormente analisadas e caracterizadas. A metodologia foi desenvolvida através da variação de vários parâmetros, até se encontrar uma condição otimizada.
Como tal realizaram-se ensaios que se encontram divididos em dois grupos: 1) No interior do laboratório com condições de luminosidade controladas e; 2) Campus Solar da FCUL durante o período noturno e de final de tarde.
Os testes realizados no interior do laboratório, que servirão de ensaios preliminares para os testes no Campus Solar, dividem-se ainda em duas partes:
1) Ensaios realizados no escuro e;
2) Ensaios realizados com as luzes normais do teto da sala ligadas (lâmpadas fluorescentes). Os testes executados no Campus Solar também se encontram divididos em duas partes:
1) Ensaios realizados numa zona mais afastada de candeeiros de rua e; 2) Ensaios realizados perto de iluminação pública.
Os ensaios com luz a incidir diretamente no módulo foram realizados de forma a simular situações onde os painéis se encontram nas vizinhanças de candeeiros de rua, como por exemplo painéis fotovoltaicos em casas particulares. Os ensaios na zona sombreada do Campus Solar servem como simulação de parques solares, que na maioria das vezes estão em zonas afastadas de iluminação.
3.1. Sistema experimental e equipamentos
O esquema da Figura 3.1 representa o sistema experimental desenvolvido. A ligação entre a fonte de alimentação e o módulo fotovoltaico é feita por cabos e conectores solares standard. A imagem do módulo é capturada com uma máquina fotográfica DSLR (Nikon D40) à qual se removeu o filtro infravermelho. A câmara está colocada sobre um tripé a uma distância de 1 metro do chão e de 2,40 metros do módulo fotovoltaico. A aquisição de imagem é feita através de um programa de livre acesso da Nikon, Camera Control Pro 2. O computador e a câmara estão ligados por um cabo USB. De forma a remover luz parasita que pudesse interferir com os resultados utilizou-se um filtro amovível, que é colocado na parte frontal da objetiva da câmara.
18
Figura 3.1 - Sistema experimental desenvolvido para a aquisição de imagens EL. 1) Fonte de alimentação, 2) Módulo fotovoltaico, 3) Computador com o programa Camera Control Pro 2
instalado e 4) Câmara fotográfica e tripé.
Os subcapítulos seguintes descrevem os diversos componentes do sistema experimental desenvolvido.
3.1.1. Módulo fotovoltaicos
Foram caracterizados no total cinco módulos fotovoltaicos. Devido ao uso dos módulos em atividades com carrinhos solares estes encontram-se algo danificados, o que os torna num caso de estudo interessante para esta dissertação. Os módulos foram numerados de 1 a 5 de forma a facilitar a sua identificação. A metodologia foi desenvolvida com o módulo número 1.
O módulo número 1 é um Sanyo HIP 190BE, os módulos número 2, 3, 4 e 5 correspondem ao modelo Sanyo HIT 210NKHE1. Os parâmetros característicos dos módulos são dados pela Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Características elétricas e físicas dos módulos nas condições STC (Datasheet nos anexos A.1 e A.2).
Sanyo HIP 190BE Sanyo HIT 210NKHE1
Potência máxima [Wp] Pmax 190 210
Tensão MPP [V] Vmp 54,8 41,3
Corrente MPP [A] Imp 3,47 5,09
Tensão de Circuito Aberto [V] Voc 67,5 50,9
Corrente de Curto-Circuito [A] Isc 3,75 5,57
Eficiência [%] η 16,1 16,7
Tolerância de Potência [%] Pnom +10/-5 +10/-5
Área do Módulo [m2] A 1,18 1,26
Número de Células - 96 72
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3.1.2. Fonte de alimentação
A excitação dos módulos é feita através de uma fonte de corrente DC. A fonte de alimentação utilizada é a Sorensen série DCS80 – 37E com um intervalo 0 – 80 V/0 – 37 A.
A corrente escolhida para a excitação dos cinco módulos depende da corrente de curto-circuito de cada um. O módulo número 1 tem uma corrente de curto-circuito de 3,75 A, pelo que foi selecionada uma corrente de excitação de 3 A. Os módulos número 2, 3, 4 e 5 têm uma corrente de curto-circuito de 5,57 A, pelo que a corrente escolhida a ser fornecida pela fonte de alimentação foi 5 A. A vantagem de escolher uma corrente próxima da de curto-circuito é a diminuição do tempo de exposição da captura de imagem.
3.1.3. Câmara fotográfica
O espectro de emissão do silício encontra-se localizado na região do infravermelho. A maioria das câmaras fotográficas estão equipadas com um filtro infravermelho, que impende a captura deste tipo de radiação. De modo a obter imagens de electroluminescência dos módulos foi necessária a remoção prévia deste filtro.
A captura de imagem é feita com uma câmara fotográfica Nikon D40. As imagens foram todas obtidas com o formato NEF (formato comprimido da Nikon) com uma profundidade de 48 bits, 12 por cada canal de cor. As características da máquina fotográfica encontram-se descritas na Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Características físicas da Nikon D40 [38]. Nikon D40 Resolução Máxima 3008 × 2000
Pixels Efetivos 6 × 106
Tamanho do Sensor [mm] APS-C 23,7 × 15,5
Tipo do Sensor Si – CCD
Sensibilidade ISO 200 – 1600 Velocidade de Disparo [s] 1/4000 – 30 Compensação de Exposição [EV] ± 5
O ISO corresponde à sensibilidade do sensor à luz. Quanto maior o valor do ISO maior a sensibilidade do sensor e menos luz é necessária para obter uma imagem clara. Valores de sensibilidade ISO muito elevados produzem ruído na imagem, prejudicando a nitidez dos detalhes. Nesta dissertação a sensibilidade ISO selecionada foi igual a 200.
O tempo de exposição selecionado varia entre 1 a 30 segundos, dependendo das condições de teste. Para tempos de exposição superiores a 30 segundos a câmara deixa de fazer uma aquisição automática da imagem e a velocidade de disparo fica em modo “bulb”. Este modo obriga a que o botão de disparo seja pressionado durante o intervalo de tempo pretendido, uma vez não existia nenhum comando remoto o disparo tinha de ser feito manualmente, o que resultava em imagens tremidas.
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O sensor CCD da câmara é da marca Sony e o modelo é o ICX-453-AQ [39]. De forma a determinar a curva de resposta do sensor realizou-se um teste que consiste na aquisição de 18 imagens iguais, com tempos de exposição de 1/100 a 25 segundos. Este teste analisa o comportamento do sensor para comprimentos de onda na região do infravermelho do espectro eletromagnético, dado que a radiação emitida por uma célula de silício se encontra nesta zona do espectro.
A experiência foi realizada três vezes com os seguintes valores de compensação de exposição: -4 EV, 0 EV e +4 EV. Dentro destas 18 imagens foram selecionados dois pixels, um numa área luminosa da imagem e outro numa área mais escurecida da imagem. A Figura 3.2 corresponde a uma das 18 imagens adquiridas. Esta tem o objetivo de localizar os dois pixels escolhidos (caso o leitor deseje visualizar as restantes fotografias consultar o Anexo A.3).
Figura 3.2 - Localização dos dois pixels selecionados (assinalados a vermelho), um posicionado no módulo numa área mais luminosa e outro numa zona mais escura fora do módulo. Imagem RGB obtida em formato NEF 12 bits convertida para TIFF 8 bits, com ISO igual a 200, abertura igual a f/4,
distância focal igual a 35 mm, compensação de exposição de -4 EV e tempo de exposição de 2,5 s.
Foi traçada uma curva para cada canal de cor (vermelho, verde e azul) da intensidade luminosa do pixel em função do tempo de exposição. Os gráficos da Figura 3.3 a), b) e c) correspondem ao pixel na área luminosa e os gráficos da Figura 3.4 a), b) e c) correspondem ao pixel na área escura.
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a) b)
c)
Figura 3.3 - Curva de resposta do sensor de cada canal de cor para o pixel localizado na zona luminosa. a) Canal Vermelho, b) Canal Verde e c) Canal Azul.
a) b)
c)
Figura 3.4 - Curva de resposto do sensor de cada canal de cor para o pixel localizado na zona escurecida. a) Canal Vermelho, b) Canal Verde e c) Canal Azul.
