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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)
ii
iii
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.
iv
v
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
situ, processamento de imagem.
vi
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
processing.
vii
Índice
Agradecimentos ................................................................................................................................. iii
Resumo ................................................................................................................................................v
Abstract ............................................................................................................................................. vi
Índice de Figuras ............................................................................................................................... ix
Índice 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
4.1.1.2. Com filtro ..................................................................................................................36
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 Tabela 4.4 - Parâmetros da aquisição de imagem da câmara fotográfica. ....................................... 62
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
I-V Corrente – Tensão
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
𝑉𝑜𝑐 Tensão de circuito-aberto
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.
2
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.
3
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]).
Os subcapítulos que se seguem descrevem os princípios físicos da célula fotovoltaica.
4
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.
5
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)
Figura 2.3 - Diagrama de um semicondutor de hiato direto a) e hiato indireto b).
6
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].
7
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.
8
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.
9
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.
13
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.
Figura 2.10 - Distância focal (adaptado de Nikon USA [37]).
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
Tecnologia - Monocristalina Monocristalina
19
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.
20
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.
21
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.
22
Através de uma análise dos gráficos da Figura 3.3 verifica-se que, a partir de um determinado tempo de
exposição, o pixel começa a ficar com uma intensidade perto do valor de saturação, 255, e que o tempo
em que tal ocorre varia para os três canais.
O canal vermelho corresponde aquele em que a saturação ocorre com um tempo de exposição menor,
aproximadamente 10 segundos. O canal verde corresponde aquele em que a saturação ocorre num tempo
de exposição maior, de aproximadamente 25 segundos. O canal azul tem comportamento idêntico ao
verde, com a saturação a ocorrer aos 25 segundos. Pode afirmar-se que, o canal verde continua a ter
valores de intensidade sensivelmente mais baixos do que o azul.
Pode afirmar-se que, o canal vermelho é o mais sensível à radiação infravermelha e que o menos sensível
é o verde. Tal acontece devido à remoção prévia do filtro infravermelho da câmara, tornando o sensor
CCD mais sensível a esta cor.
Também se pode concluir que a variação da compensação de exposição tem pouca influência sobre o
nível de intensidade luminosa do pixel, independentemente do canal que se está a analisar. Analisando
os três gráficos verifica-se que não existe relação proporcionalmente direta entre o nível de intensidade
do pixel e o tempo a que este está exposto à radiação.
Através de uma análise dos gráficos da Figura 3.4 verifica-se que, ao contrário dos resultados anteriores,
o nível de intensidade nunca chega a atingir níveis de saturação em nenhum dos canais. O nível de
intensidade máximo é 74 aos 25 segundos, para o canal vermelho, com uma compensação de exposição
de -4 EV.
Observando os três gráficos verifica-se que o canal mais sensível corresponde ao vermelho e o menos
sensível ao verde, com um nível de intensidade máximo de 26 aos 25 segundos, para uma compensação
de exposição de -4 EV. O canal azul atinge um nível de saturação máximo de 53 aos 25 segundos, para
uma compensação de exposição de -4 EV.
Ao contrário dos resultados obtidos anteriormente verifica-se que, a compensação de exposição tem
uma determinada influência sobre os níveis de intensidade luminosa, com um comportamento idêntico
para o canal vermelho, verde e azul. No entanto, o seu efeito é pouco significativo para que seja analisado
de forma quantitativa.
Comparativamente, aos resultados anteriores, a curva de resposta do pixel situado na área escura
apresenta um comportamento linear. Isto é, existe uma relação de proporcionalidade direta entre os
níveis de intensidade luminosa e o tempo de exposição ao qual o pixel está sujeito. Pode-se concluir
que, em situações onde os níveis de intensidade luminosa são baixos, a curva de resposta do sensor
comporta-se de forma linear.
Na Figura 3.5 encontra-se representada a curva de sensibilidade de um sensor Si-CCD a linha ponteada,
e a linha tracejada a curva do espectro de emissão do silício à temperatura ambiente. O comprimento
de onda da sensibilidade do sensor varia em função da sua eficiência quântica. O espectro de emissão
do silício é medido em intensidade de luminescência.
O espectro de emissão do silício tem uma intensidade de luminescência máxima de 10 aos 1150 nm,
que corresponde ao comprimento de onda do hiato de energia do silício. A sensibilidade do sensor
Si-CCD tem um alcance de comprimento de onda máximo de 1200 nm, aproximadamente.
23
A luminescência detetada é o resultado da multiplicação da sensibilidade do sensor pela luminescência
do silício. Esta é representada pela linha contínua, e apresenta um máximo aos 1050 nm. Embora o
sensor CCD tenha uma eficiência quântica baixa, onde a intensidade do silício é máxima, uma
incrementação do tempo de exposição resulta em imagens EL com níveis de intensidade de
luminescência elevados.
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]).
3.1.4. Objetiva
A objetiva utilizada é uma Nikon AF 35-80 mm f/4-5,6D. De forma a assegurar que módulos com
diferentes áreas ficam dentro do enquadramento da fotografia, selecionou-se a menor distância focal da
objetiva, 35 mm.
A objetiva tem uma abertura máxima de f/4 e uma abertura mínima de f/5,6. Quanto menor o valor de f
maior é a abertura do obturador e, consequentemente, uma maior quantidade de luz é captada no sensor.
De forma a detetar a maior quantidade de luminescência possível selecionou-se o valor de f mais baixo,
f/4.
Um dos problemas na aquisição de imagens de luminescência relaciona-se com o facto de o silício emitir
radiação dentro do infravermelho do espectro eletromagnético. As objetivas são concebidas de forma a
encontrar o ponto de focagem para a radiação visível. Quando selecionado o modo de focagem
automático, a lente vai encontrar o ponto de focagem para comprimentos de onda do visível e não do
infravermelho, o que resulta em imagens EL desfocadas. Assim, de forma a encontrar o ponto de
focagem para a luminescência do silício, utilizou-se o modo de focagem manual.
24
3.1.5. Camera Control Pro 2
A aquisição de imagem é feita através do programa de acesso livre, Camera Control Pro 2 (consultar o
Anexo A.4 com os printscreens do programa), disponibilizado pela Nikon. Através do computador
foram controlados os seguintes parâmetros: tempo de exposição, abertura da objetiva, sensibilidade ISO,
balanços brancos e formato de aquisição de dados.
3.1.6. Filtro passa-banda
Tal como foi referido anteriormente, a metodologia foi desenvolvida em dois locais diferentes: no
laboratório e no Campus Solar da FCUL. Os ensaios foram realizados sob diferentes condições de
luminosidade: no laboratório com e sem luz, e no Campus Solar com iluminação pública e numa zona
sombreada. Estes ensaios foram também realizados com o auxílio de um filtro passa-banda ótico, o qual
foi utilizado para todas as condições de luminosidade, de forma a provar a sua veracidade. A Figura 3.6
esquematiza as condições de teste aplicadas para esta metodologia.
a) b)
Figura 3.6 - Esquema das condições de teste. a) Laboratório e b) Campus Solar.
Os filtros óticos são dispositivos que deixam passar luz com certos comprimentos de ondas e bloqueiam
outra. Esta dissertação foi desenvolvida com um filtro ótico de transmissão infravermelho, cujo modelo
utilizado corresponde ao Melles Griot 03 F11 024. A função deste filtro é bloquear toda a radiação com
comprimentos de onda que não correspondem à região do infravermelho.
O gráfico da Figura 3.7 corresponde ao espectro de transmissão do filtro, com um pico aos 1100 nm.
Através da análise à figura verifica-se que o filtro tem uma frequência de corte inferior, 𝑓1, de 1095 nm
e uma frequência de corte superior, 𝑓2, de 1107 nm, o que dá uma largura de banda, 𝐵, de 12 nm. Isto
é, o filtro rejeita radiação com comprimentos de onda inferiores a 1095 nm e superiores a 1107 nm.
Laboratório
Com Luz
Com Filtro
Sem Filtro
Sem Luz
Com Filtro
Sem Filtro
Campus Solar
Zona Iluminada
Com Filtro
Sem Filtro
Zona de Sombra
Com Filtro
Sem Filtro
25
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.
Na Figura 3.8 encontra-se representada, com linha contínua, a luminescência detetada pelo sensor, e a
linha a tracejado o espectro de transmissão do filtro.
Através da análise ao gráfico verifica-se que o filtro, além de rejeitar radiação com comprimentos de
onda fora do infravermelho, também bloqueia a maior parte da luminescência emitida pelo silício.
Analisando o gráfico da Figura 3.8 verifica-se que a luminescência detetada pelo sensor tem um
intervalo entre os 900 nm e os 1150 nm. Tal como referido acima, o filtro é atravessado por radiação
com comprimentos de onda entre os 1095 e os 1104 nm.
De forma a obter uma imagem EL com níveis de intensidade de luminescência elevados, os testes
realizados com o filtro ótico necessitam de um tempo de exposição mais longo. Para os ensaios com
filtro selecionou-se uma velocidade de disparo de 30 segundos.
Figura 3.8 - Luminescência detetada pelo sensor da câmara (linha contínua) e espectro
eletromagnético do filtro passa-banda (linha a tracejado).
26
De forma a compreender o efeito do filtro em imagens EL foi desenvolvido um teste, no interior do
laboratório para as duas condições de luminosidade da sala. Este consistiu na aquisição de três imagens
com tempos de exposição diferentes: 1, 5 e 10 segundos, os restantes parâmetros de aquisição de imagem
da câmara foram mantidos constantes. Os ensaios foram realizados sempre com e sem filtro. Desta forma
é possível observar a variação de luminescência emitida pelas células. A Figura 3.9 apresenta os
resultados obtidos.
Sem filtro Com filtro Sem filtro Com filtro
Esc
uro
Co
m l
uz
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.
Observando os quatro conjuntos de imagens verifica-se que, à medida que o tempo de exposição
aumenta, aumenta também a luminescência detetada. Com 1 segundo de exposição, as duas imagens
com filtro apresentam níveis de intensidade de luminescência baixos. Contudo, com 10 segundos de
exposição, já é possível detetar zonas no módulo danificadas.
Observando o conjunto de imagens com luz e sem filtro verifica-se que, com tempo de exposição de 1
segundo, os níveis de intensidade começam a ficar saturados e que, com 10 segundos, estes níveis de
intensidade ficam completamente saturados o que resulta numa imagem obtida totalmente branca.
O conjunto de imagens obtidas no escuro e sem filtro apresentam níveis de intensidade adequados com
5 segundos de exposição, aos 10 segundos de exposição estes aproximam-se do nível de saturação.
Comparando as imagens obtidas no escuro verifica-se que o filtro remove parte da radiação
infravermelha emitida pelas células de silício.
Por sua vez, da análise das imagens com luz, verifica-se que o filtro remove toda a radiação emitida
pelas luzes do candeeiro de teto. Tal é confirmado quando se faz uma análise do conjunto de imagens
com filtro. Observando as imagens obtidas com filtro, no escuro e com luz, verifica-se que não existe
diferença de luminescência entre elas.
27
A Figura 3.10 representa os histogramas, do canal vermelho, dos quatro conjuntos de imagens. Estes
histogramas têm dois objetivos: analisar a variação da intensidade de luminescência para diferentes
tempos de exposição e analisar a variação da intensidade de luminescência para as diferentes condições
de teste.
a) b)
c) d)
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.
Através da análise ao histograma da Figura 3.10 a) verifica-se que o melhor intervalo de tempo de
exposição, para a condição no escuro sem filtro, está entre 1 a 5 segundos. Com 10 segundos de
exposição a imagem começa a ter uma elevada frequência de pixels com níveis de intensidade de
luminescência igual a 255. Isto é comprovado pelo resultado apresentado na Figura 3.9, onde se pode
observar que a imagem do módulo no escuro sem filtro apresenta zonas com elevada luminescência e
pouca nitidez.
Analisando o histograma da Figura 3.10 b) verifica-se que, para 1 segundo de exposição, existe uma
elevada frequência de pixels com níveis de intensidade iguais ou próximos de zero. Com 10 segundos
de exposição, já se consegue observar alguma distribuição dos pixels pelos diferentes níveis de
intensidade. Contudo, estes ainda apresentam níveis de intensidade baixos pelo que seria necessário
aumentar o tempo de exposição.
28
Através da análise ao histograma da Figura 3.10 c) verifica-se que, a maior parte dos pixels fica com
níveis de intensidade luminosa de 255, para os três tempos de exposição. Para 1 segundo de exposição,
observa-se que existe uma determinada frequência de pixels com níveis de intensidade abaixo de 255.
Para 5 e 10 segundos o histograma encontra-se todo deslocado para a direita. Tal é comprovado pelo
resultado apresentado na Figura 3.9, onde se observa que a imagem de 10 segundos com luz sem filtro
se encontra toda sobre-exposta.
Através de uma análise comparativa dos histogramas da Figura 3.10 c) e d) observa-se que os pixels que
antes apresentavam níveis de intensidade de luminescência igual a 255 agora apresentam níveis de
intensidade mais baixos. Observando estes dois histogramas consegue-se verificar o deslocamento do
histograma da condição com luz com filtro para a esquerda do gráfico.
Analisando os histogramas da Figura 3.10 b) e d) comprava-se que estes têm um comportamento muito
idêntico. Conclui-se que o filtro consegue remover toda a radiação emitida pelas luzes de teto. Este
resultado é comprovado pelos resultados da Figura 3.9, onde se observa que os dois conjuntos de
imagens com filtro apresentam imagens EL com uma intensidade de luminescência idêntica.
3.2. Aquisição e processamento de imagem
A aquisição das imagens é feita com a máquina Nikon D40, este modelo tem uma profundidade de bits
igual a 48, 12 bits por cada canal de cor, adquiridas no formato NEF (formato RAW da marca Nikon).
Depois de obtidas, são importadas para o programa Adobe Lightroom, onde passam por vários processos
de correção.
Antes ser feita qualquer análise quantitativa à imagem, esta tem de passar por uma série de processos
de correção. O processamento de imagem encontra-se dividido em três partes: “Correção de imagem”
onde se faz a correção de perspetiva e recorte do background, “Subtração de imagens”, que consiste na
subtração entre uma imagem com EL e outra sem EL, e “Separação da imagem em três canais de cor”,
processo pelo qual a imagem nem sempre tem a necessidade de passar.
A análise e processamento de imagem é feita através de histogramas, com o auxílio do Matlab. Uma
das limitações deste programa consiste na importação de imagens em formato não comprimido para o
ambiente de trabalho do mesmo.
Quando se importa uma imagem em formato NEF 12 bits para o ambiente de trabalho do Matlab, esta
é convertida numa thumbnail e perde grande parte da sua informação. De forma a contornar este
problema, a imagem é convertida em TIFF com o auxílio do Adobe Lightroom.
O TIFF corresponde a um formato de imagem standard, e tem como limitação a profundidade de bits.
Este formato só existe para 8 ou 16 bits. Enquanto que formato RAW é um formato de imagem
patenteado e o fabricante pode usar a profundidade de bits que preferir, 12 no caso da Nikon D40.
A conversão de uma imagem de 12 bits para 16 não vai acrescentar mais informação, apenas cria
“lacunas” na matriz da imagem. Por sua vez, a conversão de 12 bits para 8 elimina parte da informação.
Apesar de se perderem 4 bits, a conversão utilizada nesta metodologia, foi a segunda. Uma vez que, para
imagens com uma profundidade de 16 bits, na separação em três canais de cor, os resultados para o canal
verde e azul, apresentavam informação danificada, devido às “lacunas” criadas. Como os histogramas
de imagens com 16 e 8 bits são iguais optou-se pela conversão da imagem em 8 bits.
29
3.2.1. Correção de imagem
A correção da imagem reparte-se em dois passos: correção de perspetiva e recorte do fundo.
Inicialmente, faz-se uma correção de perspetiva e recorte do fundo e moldura de células mais exteriores
do módulo da imagem. O tripé utilizado encontra-se algo danificado pelo que a câmara ao ser colocada
no tripé não consegue ficar numa posição totalmente paralela ao chão, pelo que as imagens adquiridas
ficam inclinadas. A correção de perspetiva serve para corrigir o posicionamento da imagem. Este é
retificado com uma rotação da imagem que pode ser feita de forma manual com uma correção vertical
ou/e horizontal segundo uma grelha com linhas de apoio, ou de forma automática pelo próprio
Lightroom. Esta correção pode ser visualizada nas imagens da Figura 3.11 a) e b).
O objetivo de recortar o fundo da imagem, representado pela Figura 3.11 c), é remover toda a informação
que não corresponde à luminescência emitida pelo silício.
Observando a imagem da Figura 3.11 b) verifica-se que os pixels à volta do módulo estão todos
subexpostos. Estes aparecem no histograma, representado pela Figura 3.12 a), com níveis de intensidade
de luminescência próximos ou iguais a zero. Na Figura 3.11 b), é também possível observar a reflexão
da luminescência das células no chão, bem como a difusão da luz à volta do módulo. O recorte do fundo
vai eliminar esta informação da imagem o que facilita a análise da zona de luminescência no histograma.
a) b)
c)
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.
As imagens da Figura 3.12 a) e c) correspondem aos histogramas sem recorte e com recorte do fundo,
respetivamente.
Através da análise ao histograma representado pela Figura 3.12 a) e b) verifica-se que existe uma elevada
frequência de pixels com níveis de intensidade de luminescência inferior a 50. A maioria destes pixels
corresponde às zonas do fundo preto e à difusão e reflexão da luz à volta do módulo (Figura 3.11 b)).
30
Analisando este histograma é também possível observar que existe uma determinada percentagem de
pixels sobre-expostos, com níveis de intensidade de 255. Os pixels com esta intensidade encontram-se
distribuídos na moldura das células mais exterior do módulo, onde se observa uma luminescência mais
intensa. Como este efeito se deve a zonas danificadas nas células, esta parte do módulo foi também
recortada. Este problema vai ser discutido mais à frente durante a discussão e análise de resultados.
O histograma representado pela Figura 3.12 c) corresponde à zona de luminescência do módulo. Neste
histograma é possível analisar a distribuição dos pixels pelos diferentes níveis de intensidade, apenas
para a área de luminescência do módulo.
a) b)
c)
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.
3.2.2. Subtração de imagem
A subtração de imagens é uma técnica que consiste na remoção de ruído, isto é, da informação
desnecessária ou parasita para a análise da imagem.
Para se conseguir aplicar a técnica de subtração é necessário adquirir duas imagens com os mesmos
parâmetros da câmara. Ou seja, parâmetros como tempo de exposição, abertura da lente, distância focal
sensibilidade ISO e distância da câmara ao objeto a ser fotografado têm de ser iguais.
Nesta dissertação a técnica usada consiste na subtração entre uma imagem com electroluminescência e
outra sem electroluminescência. Esta técnica foi aplicada antes das imagens serem corrigidas – correção
de perspetiva e recorte do fundo.
31
As imagens da Figura 3.13 a) e b) foram adquiridas no Campus Solar durante o período noturno com
iluminação pública a incidir no módulo. A imagem da Figura 3.13 a) corresponde ao módulo a ser
injetado com corrente, e com emissão de luminescência. Na imagem da Figura 3.13 b) o módulo está
desligado da fonte de alimentação, logo não tem emissão de luminescência. A imagem da Figura 3.13
c) corresponde ao resultado da subtração das duas imagens anteriores.
A subtração das duas imagens (sem luminescência subtraída à com luminescência) elimina toda a
informação da imagem do módulo sem luminescência à imagem com luminescência, o que resulta numa
imagem com os níveis de intensidade correspondentes apenas à luminescência emitida pelas células,
assegurando deste modo, uma análise quantitativa da luminescência do silício.
Apesar do filtro infravermelho da câmara fotográfica ter sido removido, o sensor CCD continua a detetar
radiação com comprimento verde e azul. Tal como foi discutido anteriormente, o sensor da câmara é
mais sensível à radiação com comprimentos de onda vermelhos e azuis do que verdes, razão pela qual
as imagens com luminescência apresentam um tom violeta.
Observando a Figura 3.13 c) verifica-se que o lado direito do módulo apresenta uma zona mais escura
com uma tonalidade azul. Isto acontece porque a luz do candeeiro de rua ao incidir nesta área do módulo
cria pixels com níveis de intensidade próximos de 255. Como as imagens com e sem luminescência
apresentam níveis de intensidade luminosa idênticos nesta área, o resultado da sua subtração é uma área
mais escura. A imagem apresenta um tom azul porque os pixels correspondentes ao canal vermelho têm
uma intensidade nula, porque como este canal é o mais sensível á radiação é também aquele que fica
mais rapidamente sobre-exposto.
Como foi referido anteriormente, a objetiva da câmara fotográfica deve estar focada para comprimentos
de onda na região do infravermelho e não na região visível, como normalmente acontece. Assim, a
subtração de imagens, para além de remover a luz proveniente de fontes externas, também elimina
qualquer desfocagem devido à radiação da região do visível. Esta técnica é mais relevante em condições
de teste sem filtro e com luz de fontes exteriores a interferir com os resultados, contudo foi usada em
todos os ensaios de modo a comprovar a sua veracidade.
a) b)
c)
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.
32
3.2.3. Separação da imagem em canais RGB
A técnica de separação da imagem em canais RGB é usada em conjunto com a subtração de imagem. O
objetivo deste método é obter uma imagem nítida o suficiente para que possa ser posteriormente
analisada.
Na imagem da Figura 3.13 c) o lado direito do módulo apresenta uma área com tonalidade azul e com
pixels com níveis de luminosidade baixos. Tal como referido anteriormente, isto acontece porque as
duas imagens usadas na subtração têm esta área sobre-expostas.
As imagens da Figura 3.14 a), b) e c) correspondem à subtração separada em canais RGB, da imagem
anterior. Através de uma análise da Figura 3.14 a), b) e c) verifica-se que a maioria dos pixels com níveis
de intensidade luminosa igual a zero correspondem ao canal vermelho, visto que é o canal mais sensível
à luz detetada pelo sensor.
Também se pode afirmar que, a imagem correspondente ao canal verde é a que apresenta pixels com
níveis de luminosidade melhor distribuídos. Esta conclusão é apoiada pelos resultados obtidos aos testes
realizados com sensor CCD da câmara, onde se conclui que o canal verde era o menos sensível à radiação
infravermelha.
a) b)
c)
Figura 3.14 - Imagem de subtração separada em canais RGB. a) Canal vermelho, b) Canal verde e
c) Canal azul.
33
4. Discussão e análise de resultados
Os resultados encontram-se divididos em quarto partes.
A primeira parte corresponde aos resultados obtidos no laboratório sob condições de luz controláveis.
Estes estão por sua vez divididos em:
1) Resultados no escuro e;
2) Resultados com as luzes da sala ligadas.
A segunda apresenta uma análise dos resultados obtidos no Campus Solar durante o período noturno e
estão divididos em:
1) Resultados numa zona sombreada do Campus e;
2) Resultados com iluminação pública.
Todos os ensaios foram realizados com e sem o filtro passa-banda.
A terceira parte faz uma análise comparativa de todos os resultados de forma a facilitar a sua
visualização.
Finalmente, na quarta parte dos resultados, identifica-se e caracteriza-se os defeitos e falhas detetados
nos módulos com a técnica de electroluminescência otimizada. Este é o único subcapítulo onde se
estudam os cinco módulos fotovoltaicos.
Com exceção da quarta parte, todas as imagens analisadas neste capítulo foram submetidas ao processo
de tratamento de imagem mencionado no subcapítulo 3.2. As imagens do subcapítulo 4.4 passaram
apenas pela correção de perspetiva e recorte do fundo. Estas foram obtidas no laboratório sem luz e sem
filtro. Como o objetivo deste subcapítulo é a identificação e caracterização de defeitos, para as condições
mencionadas, não é necessário recorrer à técnica de subtração e separação de imagem em canais RGB.
4.1. Laboratório
Os testes foram realizados numa sala ótica da FCUL que funciona como sala escura quando necessário.
O módulo utilizado durante estes ensaios foi o número 1, a corrente injetada foi de 3 A e a tensão de
75 V. Os parâmetros da câmara foram mantidos constantes com exceção do tempo de exposição que
varia consoante as condições de teste. Desta forma é possível determinar qual o melhor tempo de
exposição para cada condição. Os parâmetros da câmara fotográfica encontram-se resumidos na Tabela
4.1.
Tabela 4.1 - Parâmetros de aquisição de imagem selecionados para o laboratório.
Formato de Aquisição de Imagem NEF
Compensação de Exposição [EV] -4
Abertura do Obturador [f-stops] 4
Tempo de Exposição [s] 1-30
Distância Focal [mm] 35
Sensibilidade ISO 200
Nº bits 12
34
4.1.1. Resultados no escuro
4.1.1.1. Sem filtro
As imagens da Figura 4.1 a) e b) e c) correspondem ao módulo com luminescência, sem luminescência,
e de subtração, nas condições de laboratório no escuro e sem filtro. De forma a aplicar a técnica de
subtração as duas imagens foram obtidas com os mesmos parâmetros de aquisição, apresentados na
Tabela 4.1. Para esta condição de teste, no escuro e sem filtro, foi selecionado um tempo de exposição
igual a 3 segundos.
Observando a imagem da Figura 4.1 b) verifica-se que esta se encontra completamente escura, ou seja,
a intensidade luminosa dos pixels que compõem a imagem apresenta valores próximos ou iguais a zero.
Deste modo confirma-se que não existe luz parasita a entrar na sala. Tal resulta numa imagem de
subtração com níveis de luminosidade idênticos aos níveis da imagem do módulo com luminescência.
a) b)
c)
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.
As imagens da Figura 4.2 a), b) e d) correspondem aos histogramas do módulo com luminescência, sem
luminescência e de subtração, respetivamente, nas condições de laboratório no escuro e sem filtro. A
Figura 4.2 c) representa o histograma do módulo sem luminescência com uma escala do eixo dos yy
definida de modo a que todo o histograma apareça no gráfico. Observando os três histogramas
verifica-se que os canais mais sensíveis à luminescência do silício são o vermelho e o azul, pelo que as
imagens dos módulos apresentam uma tonalidade violeta.
Através da análise ao histograma do módulo sem luminescência observa-se que este se encontra todo
deslocado para a esquerda do gráfico com níveis de intensidade luminosa iguais ou próximos zero. A
percentagem de pixels com intensidade diferente de zero deve-se ao ruído que é sempre detetado pelo
sensor da câmara.
35
Observando os histogramas do módulo com luminescência e da imagem de subtração verifica-se que a
distribuição de pixels pelos diferentes níveis de intensidade é feita de forma idêntica.
Conclui-se que em condições de teste sem luz parasita e sem filtro não é necessário recorrer a técnica
de subtração de imagem. Como nenhum canal de cor apresenta saturação também não foi necessário
utilizar a separação de imagens por canais RGB.
a) b)
c) d)
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.
De forma a facilitar a análise comparativa das três imagens EL realizou-se uma sobreposição dos
histogramas de cada imagem separados por canal de cor. A Figura 4.3 a), b) e c) ilustra, respetivamente,
o histograma do canal vermelho, verde e azul, nas condições de laboratório no escuro sem filtro. O
histograma do módulo com luminescência é representado pela linha contínua, a linha a tracejado
corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração está representada pela linha
tracejada com ponto.
Observando a Figura 4.3 verifica-se que os histogramas da imagem do módulo com luminescência e da
subtração estão completamente sobrepostos para os três canais de cor. Conclui-se que não há radiação
de fontes externas a ser detetada no sensor da câmara.
36
Através da análise à Figura 4.3 verifica-se que o canal mais sensível corresponde ao vermelho, com um
máximo de ocorrências para uma intensidade de 206. O canal menos sensível é o verde, com um máximo
para um nível de intensidade de 108. O canal azul apresenta um máximo quando a intensidade luminosa
é igual a 165.
a) b)
c)
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.
4.1.1.2. Com filtro
As imagens da Figura 4.4 a), b) e c) correspondem, respetivamente, ao módulo com luminescência, sem
luminescência e de subtração, nas condições de laboratório no escuro e com filtro. Para que a técnica de
subtração seja aplicada os parâmetros de aquisição (Tabela 4.1) escolhidos foram os mesmos para as
duas imagens. Em condições de teste no escuro com filtro utilizou-se um tempo de 30 segundos.
Observando a imagem do módulo sem luminescência verifica-se que, tal como nos resultados obtidos
sem filtro, esta também se encontra completamente escura, o que resulta numa imagem de subtração,
representada pela Figura 4.4, com níveis de intensidade luminosa igual aos do módulo com
luminescência.
37
a) b)
c)
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.
As imagens da Figura 4.5 a), b) e d) representam os histogramas do módulo com luminescência, sem
luminescência e de subtração, nas condições de laboratório no escuro e com filtro. A Figura 4.5 c)
corresponde ao histograma do módulo sem luminescência com a escala do eixo dos yy definida de modo
a que todo o histograma apareça no gráfico.
Analisando o histograma do módulo sem luminescência verifica-se que, tal como nos resultados sem
filtro, este também se encontra todo deslocado para a esquerda do gráfico apresentado uma elevada
frequência de pixels com níveis de intensidade luminosa igual ou próxima de zero. Isto resulta num
histograma da imagem de subtração com uma distribuição de pixels pelos diferentes níveis de
intensidade idêntica à distribuição do histograma do módulo com luminescência.
38
a) b)
c) d)
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.
A Figura 4.6 a), b) e c) ilustra a sobreposição dos histogramas das três imagens separados por canal de
cor, vermelho, verde e azul, respetivamente, nas condições de laboratório no escuro com filtro. O
histograma do módulo com luminescência está representado pela linha contínua, a linha a tracejado
corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração está representada pela linha
tracejada com ponto.
Observando a Figura 4.6 verifica-se que os histogramas do módulo com luminescência e sem
luminescência se encontram totalmente sobrepostos.
Analisando a Figura 4.6 verifica-se que o canal mais sensível corresponde ao vermelho, com um máximo
de ocorrências quando a intensidade é 132. O canal menos sensível é o verde e tem um pico para uma
intensidade igual a 62. O canal azul apresenta um máximo para um nível de intensidade igual a 100.
39
a) b)
c)
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.
4.1.2. Resultados com luz
4.1.2.1. Sem filtro
A Figura 4.7 a), b) e c) corresponde, respetivamente, ao módulo com luminescência, sem luminescência
e de subtração, nas condições de laboratório com luz e sem filtro. De forma a aplicar a técnica de
subtração os parâmetros de aquisição usados foram os mesmos para as duas imagens. O tempo de
exposição selecionado para condições de teste com luz e sem filtro foi de 1 segundo.
Analisando a imagem do módulo com luminescência e sem luminescência verifica-se que ambas
apresentam sobre-exposição, com níveis de luminosidade elevados, impossibilitando deste modo a
identificação e caracterização de defeitos no módulo.
Para além da evidente sobre-exposição dos pixels à luz é também possível verificar que as imagens se
encontram desfocadas. Tal deve-se ao facto da objetiva da câmara ter o seu ponto de focagem em
radiação com comprimentos de onda na região do infravermelho. Como as luzes de teto se encontram
acesas existe uma elevada quantidade de radiação com comprimentos de onda na região do visível e,
consequentemente, as imagens obtidas apresentam desfocagem.
40
Como as imagens do módulo com e sem EL apresentam níveis de intensidade luminosa elevados a sua
subtração resulta numa imagem pouco clara. Sabendo que o canal vermelho é o mais sensível à radiação
e, consequentemente, o que fica saturado mais rápido, a técnica de subtração resulta numa imagem com
uma tonalidade azul.
a) b)
c)
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.
A Figura 4.8 a), b) e c) representa os histogramas do módulo com luminescência, sem luminescência e
módulo com subtração, em condições de laboratório com luz e sem filtro. Observando os três
histogramas verifica-se que o canal mais sensível corresponde ao vermelho e o menos sensível ao azul.
Através da análise dos histogramas do módulo com e sem luminescência verifica-se que o canal
vermelho apresenta uma elevada percentagem de pixels com níveis de intensidade luminosa igual a 255.
Isto acontece porque como o filtro infravermelho da câmara foi removido o seu sensor fica mais sensível
à radiação com comprimentos de onda correspondentes à cor vermelha.
Analisando o histograma do módulo com luminescência e sem luminescência verifica-se que estes
apresentam uma distribuição de pixels pelos diferentes níveis de intensidade muito semelhantes entre si.
O histograma do módulo com luminescência encontra-se ligeiramente mais deslocado para a esquerda
do gráfico quando comparado ao histograma do módulo sem luminescência. Tal acontece porque, para
além da luminescência das células, o sensor também deteta a radiação emitida pelas luzes da sala.
O histograma correspondente à imagem de subtração encontra-se todo deslocado para a esquerda do
gráfico. Como a distribuição dos pixels, pelos níveis de intensidade está restrita a um pequeno intervalo
do gráfico, a imagem de subtração apresenta um contraste baixo. O canal azul corresponde ao canal com
níveis de intensidade mais elevados, pelo que a imagem de subtração apresenta uma tonalidade azul.
41
a) b)
c)
Figura 4.8 - Histograma RGB das imagens obtidas em laboratório com luz sem filtro. a) Com
luminescência, b) Sem luminescência e c) Subtração.
A Figura 4.9 a), b) e c) ilustra a sobreposição dos histogramas das três imagens separados por canal de
cor, vermelho, verde e azul, respetivamente, nas condições de laboratório com luz e sem filtro. O
histograma do módulo com luminescência encontra-se representado pela linha contínua, a linha a
tracejado corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração está representada pela
linha tracejada com ponto.
Através da análise ao canal vermelho e verde verifica-se que, os histogramas das imagens com e sem
luminescência, apresentam uma distribuição de pixels pelos diferentes níveis de intensidade semelhante
entre si, o que resulta num histograma da imagem de subtração todo deslocado para a esquerda do
gráfico.
Analisando o histograma do canal azul da imagem com e sem luminescência observa-se que este é o
que apresenta níveis de intensidade luminosa mais baixos, com um pico a ser atingido quando a
intensidade é 124 para o módulo com luminescência, e 75 para o módulo sem luminescência. Conclui-
se que o canal azul é o menos sensível à radiação emitida pela luz fluorescente da sala.
Através da análise ao histograma da imagem de subtração para os três canais de cor verifica-se que o
canal vermelho tem um máximo de ocorrências para uma intensidade igual a zero, o verde tem um pico
para uma intensidade igual a 11, e o azul tem um pico para uma intensidade igual a 34.
42
a) b)
c)
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.
Em situações em que a subtração resulta numa imagem com pouca nitidez e com níveis de intensidade
iguais ou próximos de zero, para algum canal de cor, utiliza-se a técnica de separação da imagem em
canais RGB. Assim, se um dos canais de cor apresentar valores de intensidade muito baixos recorre-se
a um dos outros dois para se fazer uma caracterização do módulo.
A Figura 4.10 a), b) e c) ilustra a imagem de subtração separada por canal de cor, vermelho, verde e
azul, respetivamente, em condições de laboratório com luz sem filtro.
Através da análise visual da imagem do canal vermelho verifica-se que esta apresenta várias áreas
escuras o que dificulta a caracterização do módulo nestas zonas. Estas zonas correspondem aos pixels
com níveis de intensidade luminosa igual a zero. Neste caso a caracterização do módulo deveria ser
realizada através do canal azul ou verde.
Pode-se afirmar que, apesar da subtração e da separação em canais RGB facilitar a visualização da
imagem, para condições de teste com as luzes de teto ligadas, sem filtro e com um tempo de exposição
igual a 1 segundo, os resultados obtidos continuam a ser pouco nítidos o que dificulta a tarefa de
caracterização do módulo.
43
a) b)
c)
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.
4.1.2.2. Com filtro
As imagens da Figura 4.11 a) e b) e c) correspondem respetivamente, ao módulo com luminescência e
sem luminescência e subtração, em condições de laboratório com luz e com filtro. De forma a aplicar a
técnica de subtração os parâmetros de aquisição usados foram os mesmos para as duas imagens. O tempo
de exposição selecionado para condições de teste com luz e com filtro foi de 30 segundos.
Através da análise visual da imagem do módulo sem luminescência verifica-se que esta se encontra
totalmente escura. Deste modo é possível afirmar que o filtro remove toda a radiação emitida pelas luzes
do candeeiro de teto. Estes resultados são consolidados pelos testes desenvolvidos com o filtro
passa-banda, apresentados no subcapítulo 3.1.6.
Como a imagem do módulo sem luminescência não apresenta luminosidade a subtração resulta numa
imagem com níveis de intensidade luminosa idênticos à do módulo com luminescência.
44
a) b)
c)
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.
A Figura 4.12 a), b) e d) corresponde aos histogramas das imagens do módulo com luminescência, sem
luminescência e de subtração, respetivamente, em condições de laboratório com luz com filtro. A Figura
4.12 c) representa o histograma do módulo sem luminescência com a escala do eixo dos yy definida de
modo a que todo o histograma apareça no gráfico.
Através da análise do histograma do módulo sem luminescência verifica-se que este se encontra todo
deslocado para a esquerda do gráfico, com níveis de intensidade luminosa próximos ou iguais a zero,
resultando numa imagem do módulo escura. O encaixe entre o filtro e a objetiva não é o ideal, o que
leva a que alguma radiação seja detetada no sensor, o que resulta em pixels com valores de intensidade
diferentes de zero.
Analisando histograma da imagem de subtração verifica-se que este apresenta uma distribuição de
pixels, pelos diferentes níveis de intensidade, idêntica à distribuição do histograma do módulo com
luminescência.
45
a) b)
c) d)
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.
A Figura 4.13 a), b) e c) ilustra a sobreposição dos histogramas das três imagens separados por canal de
cor, vermelho, verde e azul, respetivamente, em condições de laboratório com luz e com filtro. O
histograma do módulo com luminescência está representado pela linha contínua, a linha a tracejado
corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração está representada pela linha
tracejada com ponto.
Analisando os histogramas das imagens do módulo com luminescência e de subtração verifica-se que
não existe uma variação significativa nos níveis de intensidade dos pixels das duas imagens, pelo que o
filtro remove a maior parte da radiação emitida pelas luzes de teto. Este resultado é ainda comprovado
pelo histograma do módulo sem luminescência, que se encontra todo deslocado para a esquerda do
gráfico com uma elevada percentagem de pixels a apresentar intensidades próximas ou iguais a zero.
Através da análise dos três histogramas verifica-se que o canal mais sensível corresponde ao vermelho,
com um máximo de ocorrências quando a intensidade é 121, o menos sensível é o verde e tem um pico
para uma intensidade igual a 56. O canal azul apresenta um máximo para um nível de intensidade igual
a 92.
46
a) b)
c)
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.
4.2. Campus Solar
Os testes realizados no Campus Solar da FCUL foram desenvolvidos durante o período noturno com o
módulo número 1. Tal como nos testes desenvolvidos no laboratório o módulo foi percorrido por uma
corrente de 3 A e uma tensão de 75 V. Os parâmetros da câmara permaneceram constantes com exceção
do tempo de exposição, que varia consoante as condições de teste. Os parâmetros de aquisição de
imagem encontram-se resumidos na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 - Parâmetros de aquisição de imagem selecionados para o Campus Solar.
Formato de Aquisição de Imagem NEF
Compensação de Exposição [EV] -4
Abertura do Obturador [f-stops] 4
Tempo de Exposição [s] 3-30
Distância Focal [mm] 35
Sensibilidade ISO 200
Nº bits 12
47
4.2.1. Zona sombreada do Campus Solar
4.2.1.1. Sem filtro
A Figura 4.14 a) e b) e c) ilustra as imagens dos módulos com, sem luminescência e subtração,
respetivamente, na zona sombreada do Campus Solar sem filtro. De forma a aplicar a técnica de
subtração os parâmetros de aquisição usados foram os mesmos para as duas imagens. O tempo de
exposição selecionado para condições de teste no lado sombreado do Campus sem filtro foi de 3
segundos.
Através da análise visual do módulo sem luminescência observa-se que este apresenta uma tonalidade
avermelhada. Tal deve-se à reflexão da luz do candeeiro pelas ligações metálicas das células e módulo
(dedos e busbars) e pelas próprias células fotovoltaicas. Como filtro infravermelho da câmara foi
removido o sensor de imagem fica mais sensível a comprimentos de onda da cor vermelha.
Como foi referido anteriormente, o ponto de focagem da objetiva deve estar orientado para a radiação
infravermelha. Como o módulo reflete radiação na região do visível, devido à absorção de luz
proveniente de fontes de iluminação externas, o sensor deteta esta radiação que aparece desfocada na
imagem, uma vez que a objetiva não está focada para estes comprimentos de onda.
Observando a imagem da Figura 4.14 c) verifica-se que a subtração, além de remover radiação emitida
por fontes de iluminação externas, vai também eliminar as zonas desfocadas do módulo. Como os
valores de intensidade do canal vermelho diminuíram a imagem apresenta uma tonalidade violeta.
a) b)
c)
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.
48
A Figura 4.15 a), b) e d) corresponde aos histogramas das imagens do módulo com luminescência, sem
luminescência e de subtração, respetivamente, na zona sombreada do Campus Solar sem filtro. A Figura
4.15 c) representa o histograma do módulo sem luminescência com a escala do eixo dos yy definida de
modo a que todo o histograma apareça no gráfico.
Através da análise ao histograma do módulo sem luminescência verifica-se que o canal vermelho é o
que apresenta níveis de intensidade luminosa mais elevados. Por sua vez, o histograma do canal verde
e azul encontra-se todo deslocado para a esquerda do gráfico com níveis de intensidade luminosa
próximos de zero, resultando numa imagem do módulo sem luminescência com tons vermelhos.
Comparando a Figura 4.15 a) e d) verifica-se que os canais azul e verde apresentam uma distribuição de
pixels muito próxima. O canal azul do módulo com luminescência tem um pico para uma intensidade
igual a 162, e a imagem de subtração vai ter um máximo de ocorrências quando a intensidade é 160. O
canal verde do módulo com luminescência tem um máximo quando a intensidade é 108, e o pico da
imagem de subtração ocorre para uma intensidade igual a 107.
Analisando o canal vermelho do módulo com luminescência e da imagem de subtração verifica-se que
o segundo se encontra ligeiramente mais deslocado para a esquerda do gráfico em comparação com o
primeiro. O histograma do módulo com luminescência apresenta um máximo de ocorrências para uma
intensidade igual a 206. O histograma da imagem de subtração tem um pico para uma intensidade igual
a 187.
a) b)
c) d)
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.
49
A Figura 4.16 a), b) e c) ilustra, respetivamente, a sobreposição dos histogramas das três imagens
separados por canal de cor, vermelho, verde e azul, na zona sombreada do Campus Solar sem filtro. O
histograma do módulo com luminescência está representado pela linha contínua, a linha a tracejado
corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração está representada pela linha
tracejada com ponto.
As partes metálicas do módulo absorvem e refletem radiação emitida pela iluminação de rua para
comprimentos de onda da cor vermelha verde e azul. Contudo, como o filtro infravermelho da câmara
foi removido, o sensor fica mais sensível à radiação com comprimentos de onda da cor vermelha, o que
é comprovado pelo histograma do canal vermelho. Através de uma análise da Figura 4.16 verifica-se
que o canal vermelho das imagens do módulo com luminescência e de subtração é o que apresenta um
maior desfasamento de níveis de intensidade luminosa.
Analisando os histogramas do módulo sem luminescência verifica-se que os canais verde e azul se
encontram deslocados para a esquerda do gráfico, com níveis de intensidade luminosa próximos ou
iguais a zero, o que resulta num histograma da imagem de subtração idêntico ao histograma da imagem
do módulo com luminescência para estes canais de cor. Pode afirmar-se que o sensor é menos sensível
a radiação com comprimentos de onda da cor verde e azul.
a) b)
c)
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.
50
4.2.1.2. Com filtro
As imagens Figura 4.17 a), b) e c) correspondem aos módulos com luminescência, sem luminescência
e imagem de subtração, respetivamente, numa zona sombreada do Campus Solar com filtro. De forma
a aplicar a técnica de subtração os parâmetros de aquisição usados foram os mesmos para as duas
imagens. Em condições de teste no lado sombreado do Campus e com filtro o tempo de exposição
selecionado foi de 30 segundos.
A imagem do módulo sem luminescência encontra-se totalmente escurecida pelo que o filtro remove
toda a radiação emitida pelos candeeiros de rua.
Como a imagem do módulo sem luminescência não apresenta nenhuma luminosidade, a subtração
resulta numa imagem com níveis de intensidade luminosa idênticos à do módulo com luminescência.
a) b)
c)
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.
A Figura 4.18 a), b) e d) corresponde aos histogramas das imagens do módulo com luminescência, sem
luminescência e da imagem de subtração, respetivamente, na zona sombreada do Campus Solar com
filtro. A Figura 4.18 c) corresponde ao histograma do módulo sem luminescência com a escala do eixo
dos yy ajustada de forma a visualizar todo o gráfico.
O histograma da imagem sem EL apresenta valores de intensidade muito baixos, o que resulta num
histograma da imagem de subtração com níveis de intensidade luminosa muito semelhantes aos do
histograma da imagem com luminescência. Nesta situação a técnica de subtração não é necessária, uma
vez que o filtro remove toda a radiação parasita.
51
a) b)
c) d)
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.
A Figura 4.19 a), b) e c) corresponde, respetivamente, à sobreposição dos histogramas das três imagens
separadas por canal de cor, vermelho, verde e azul, na zona sombreado do Campus Solar com filtro. O
histograma do módulo com luminescência está representado pela linha contínua, a linha a tracejado
corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração está representada pela linha
tracejada com ponto.
Comparando os histogramas dos três canais de cor verifica-se, que para as imagens do módulo com
luminescência e de subtração, não existe nenhuma variação significativa nos valores de intensidade
luminosa dos pixels. O histograma da imagem do módulo sem luminescência encontra-se todo deslocado
para esquerda nos três canais RGB. Pode-se afirmar que o filtro remove toda a radiação proveniente de
fontes externas.
52
a) b)
c)
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.
4.2.2. Zona do Campus Solar com iluminação pública
4.2.2.1. Sem filtro
As imagens da Figura 4.20 a), b) e c) correspondem aos módulos com luminescência, sem luminescência
e imagem de subtração, respetivamente, na zona iluminada do Campus Solar sem filtro. De forma a
aplicar a técnica de subtração os parâmetros de aquisição usados foram os mesmos. Em condições de
teste no lado iluminado do Campus e sem filtro o tempo de exposição selecionado foi de 3 segundos.
O módulo estava posicionado de modo a que a luz do candeeiro de rua incidisse diretamente sobre ele.
O reflexo da luz do candeeiro é mais visível no canto superior direito do módulo onde se observa uma
elevada intensidade luminosa.
Através da análise visual da imagem do módulo com luminescência verifica-se que, além da
luminescência do silício, o sensor da câmara também deteta a radiação emitida pela iluminação pública,
que é evidenciada pela tonalidade vermelha do módulo. Esta tonalidade é mais evidente nas zonas de
ligações de células (dedos e busbar), onde se observa o reflexo da luz de fontes externas.
53
Observando a imagem do módulo sem luminescência verifica-se que as zonas com níveis de
luminosidade mais elevados são as de ligações de células. As áreas com níveis de intensidade mais
baixos correspondem às células de silício.
Como foi referido anteriormente, a técnica de subtração, para além de remover a radiação parasita,
também elimina as zonas da imagem desfocadas.
A imagem resultante da subtração apresenta uma tonalidade roxa, com as zonas escuras a
corresponderem às ligações de células.
Como a zona onde a luz do candeeiro incide apresenta níveis de intensidade elevados para o canal
vermelho, a imagem resultante da subtração apresenta um tom azul nesta zona, uma vez que, o canal
azul é o segundo mais sensível à radiação infravermelha.
a) b)
c)
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.
As imagens da Figura 4.21 a), b) e d) correspondem aos histogramas das imagens do módulo com
luminescência, sem luminescência e da imagem de subtração, respetivamente, na zona iluminado do
Campus Solar sem filtro. A Figura 4.21 c) corresponde ao histograma do módulo sem luminescência
com a escala do eixo dos yy ajustada de forma a visualizar todo o gráfico.
Analisando o histograma do módulo com luminescência observa-se que os três canais de cor têm uma
distribuição idêntica pelos diferentes níveis de intensidade luminosa. O canal vermelho corresponde ao
canal com valores de intensidade luminosa mais elevados, com um máximo de ocorrências aos 215. Este
é o único canal que apresenta uma percentagem de pixels com um nível de intensidade igual a 255. O
canal azul tem um máximo aos 160, e o verde apresenta um pico para um nível de intensidade igual a
114.
54
Através da análise ao histograma do módulo sem luminescência verifica-se que os três canais de cor
interagem de forma diferente com a radiação. Como foi referido anteriormente o canal vermelho é o
mais sensível à radiação, pelo que é o único que apresenta valores de intensidade próximos do valor de
saturação. O canal vermelho apresenta um máximo para uma intensidade igual a 34. Este pico
corresponde às zonas das células de silício.
Comparando o canal verde e azul do histograma do módulo com luminescência e sem luminescência
verifica-se que, enquanto para o primeiro, o canal verde é o que apresenta níveis de intensidade mais
baixos, para a imagem do módulo sem luminescência, o canal com valores de intensidade luminosa mais
baixos passa a ser o azul.
Através da análise visual ao histograma da imagem de subtração verifica-se que este se encontra mais
deslocado para a esquerda do gráfico comparativamente ao histograma da imagem com luminescência.
O canal vermelho apresenta um máximo de ocorrências para uma intensidade luminosa igual a 157. Os
canais azul e verde apresentam um máximo próximo do módulo com luminescência. O canal azul tem
um pico para uma intensidade igual a 160 e o verde para uma intensidade igual a 100.
O canal vermelho deste histograma encontra-se distribuído de forma diferente, pelo gráfico, quando
comparado com o canal verde e azul. Isto deve-se aos elevados níveis de intensidade nas imagens com
e sem luminescência que, quando subtraídas, resultam em níveis de intensidade baixos.
a) b)
c) d)
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.
55
A Figura 4.22 a), b) e c) corresponde respetivamente, à sobreposição dos histogramas das três imagens
separadas por canal de cor, vermelho, verde e azul, na zona iluminada do Campus Solar sem filtro. O
histograma do módulo com luminescência está representado pela linha contínua, a linha a tracejado
corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração está representada pela linha
tracejada com ponto.
Através da análise aos histogramas do canal verde e azul da imagem do módulo com luminescência e
da imagem de subtração verifica-se que estes apresentam uma distribuição pelos diferentes níveis de
intensidade semelhante. O histograma do módulo com luminescência encontra-se ligeiramente
deslocado mais para a direita do gráfico em comparação com o histograma da subtração.
Analisando o histograma do canal verde e azul da imagem sem luminescência observa-se que há uma
determinada percentagem de pixels com níveis de intensidade próximos ou superiores a 50. Estes pixels
encontram-se localizados na zona onde existe maior reflexão de luz do candeeiro.
Comparando os histogramas do canal vermelho da imagem do módulo com luminescência e de
subtração verifica-se que existe uma grande disparidade de níveis de intensidade luminosa entre os dois.
Tal acontece devido à saturação dos pixels na zona do módulo onde a luz do candeeiro incide
diretamente.
a) b)
c)
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.
56
Como referido anteriormente a subtração de duas imagens sobre-expostas resulta numa imagem com
valores de intensidade luminosa próxima ou igual a zero, ou seja uma imagem com zonas escuras que
impossibilitam a caracterização do módulo.
Observando o histograma da imagem de subtração verifica-se que apesar de o canal vermelho apresentar
uma determinada percentagem de pixels com baixa intensidade, o mesmo não acontece para o canal
verde e azul. Pelo que se pode recorrer à técnica de separação de imagem em canais RGB.
As imagens da Figura 4.23 a), b) e c) correspondem, respetivamente, ao canal vermelho, verde e azul.
Através de uma análise visual observa-se que a imagem do canal vermelho apresenta um contraste
acentuado. No entanto a zona de incidência da luz do candeeiro apresenta níveis de intensidade luminosa
baixos o que dificulta a caracterização desta zona do módulo.
Observando o histograma do canal azul verifica-se que este se encontra mais deslocado para a direita,
comparativamente ao canal verde, o que resulta numa imagem com uma intensidade luminosa mais
elevada que vai dificultar a caracterização do módulo.
A imagem do canal verde é a que apresenta um melhor contraste facilitando, deste modo, a identificação
de defeitos.
a) b)
c)
Figura 4.23 - Imagem de subtração separada em canais RGB. a) Canal vermelho, b) Canal verde e
c) Canal azul.
57
4.2.2.2. Com filtro
As imagens da Figura 4.24 a), b) e c) correspondem aos módulos com luminescência, sem luminescência
e imagem de subtração, respetivamente, na zona iluminada do Campus com filtro. De forma a aplicar a
técnica de subtração os parâmetros de aquisição usados foram os mesmos. Em condições de teste no
lado iluminado do Campus Solar e com filtro o tempo de exposição selecionado foi de 30 segundos.
Através da análise visual da imagem do módulo sem luminescência verifica-se que esta não apresenta
nenhuma luminosidade, pelo que que o filtro remove toda a radiação proveniente de fontes luminosas
externas. Deste modo a imagem de subtração apresenta uma intensidade luminosa idêntica ao módulo
com luminescência.
a) b)
c)
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.
As imagens da Figura 4.25 a), b) e d) correspondem aos histogramas do módulo com luminescência,
sem luminescência e da imagem de subtração, respetivamente, na zona iluminada do Campus Solar com
filtro. A Figura 4.25 c) corresponde ao histograma do módulo sem luminescência com a escala do eixo
dos yy ajustada de forma a visualizar todo o gráfico.
Analisando o histograma do módulo sem luminescência verifica-se que este se encontra todo deslocado
para a esquerda do gráfico, com níveis de intensidade luminosa iguais ou próximos de zero. Pode-se
afirmar que o filtro bloqueia toda a luz emitida pelo candeeiro de rua.
Como o histograma da imagem sem luminescência apresenta uma intensidade luminosa muito baixa o
histograma da imagem de subtração apresenta um comportamento idêntico ao da imagem com
luminescência. Nesta situação não é necessário recorrer ao uso do filtro.
58
a) b)
c) d)
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.
As imagens da Figura 4.26 a), b) e c) correspondem, respetivamente, à sobreposição dos histogramas
das três imagens do módulo separadas por canal de cor, vermelho, verde e azul, na zona iluminada do
Campus Solar com filtro. O histograma do módulo com luminescência está representado pela linha
contínua, a linha a tracejado corresponde ao histograma do módulo sem luminescência e a subtração
está representada pela linha tracejada com ponto.
Observando os três canais de cor verifica-se que os histogramas das imagens do módulo com
luminescência e de subtração apresentam valores de intensidade luminosa muito semelhantes entre si.
Tal acontece porque o histograma da imagem do módulo sem luminescência apresenta níveis de
intensidade luminosa muito baixos.
Através da análise dos três histogramas verifica-se que o canal mais sensível corresponde ao vermelho,
com um máximo de ocorrências quando a intensidade é igual a 129, e o menos sensível é o verde com
um pico para uma intensidade igual a 60. O canal azul apresenta um máximo para um nível de
intensidade igual a 99.
59
a) b)
c)
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.
4.3. Análise comparativa
Este subcapítulo tem como objetivo realizar uma análise comparativa dos ensaios realizados no
laboratório e no Campus Solar sob as diferentes condições. Os resultados comparados correspondem às
imagens dos módulos com luminescência e sem subtração. O tempo de exposição é o único parâmetro
variável, sendo que os restantes parâmetros foram mantidos constantes. Desta forma é possível
determinar qual o melhor tempo de exposição para cada condição de teste. Os parâmetros de aquisição
de imagem utilizados encontram-se resumidos na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 - Parâmetros de aquisição de imagem usados no laboratório e no Campus Solar.
Formato de Aquisição de Imagem NEF
Compensação de Exposição [EV] -4
Abertura do Obturador [f-stops] 4
Tempo de Exposição [s] 1-30
Distância Focal [mm] 35
Sensibilidade ISO 200
Nº bits 12
60
4.3.1. Laboratório
A Figura 4.27 apresenta as imagens obtidas no laboratório sob as seguintes condições de teste:
1) No escuro, com e sem filtro e;
2) Com luz, com e sem filtro.
O tempo de exposição foi selecionado de acordo com as condições de teste. Este variou entre 1 e 30
segundos.
A imagem obtida sem luz e sem filtro tem um tempo de exposição de 3 segundos. Nas mesmas condições
de luminosidade mas com filtro, a velocidade de disparo foi dez vezes superior com um tempo de
exposição de 30 segundos.
Observando as duas imagens obtidas no escuro verifica-se que apesar do tempo de exposição a que a
imagem sem filtro foi submetida ser inferior ao tempo de exposição da imagem com o filtro, a primeira
apresenta maior luminosidade e contraste. De acordo com o que foi discutido anteriormente o filtro
remove parte da luminescência emitida pelas células, pelo que é necessário um tempo de integração
maior.
A imagem obtida com luz e sem filtro tem um tempo de exposição de 1 segundo. Nas mesmas condições
de luminosidade mas com o filtro, a velocidade de disparo foi trinta vezes superior com um tempo de
exposição de 30 segundos. Observando as duas imagens obtidas com luz verifica-se que o filtro remove
toda a radiação emitida pelas luzes de teto.
A imagem adquirida com luz e sem filtro encontra-se sobre-exposta e a luminescência emitida pelas
células é pouco visível, pelo que a técnica de subtração de imagem e separação da mesma em três canais
RGB é essencial nesta situação.
Das quatro condições propostas, a condição no escuro e sem filtro passa-banda, é a mais favorável. Com
um tempo de exposição de 3 segundos obtém-se uma imagem com elevado contraste o que facilita a
caracterização do módulo.
Sem filtro passa-banda Com filtro passa-banda
Sem
luz
Co
m l
uz
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.
61
4.3.2. Campus Solar
A Figura 4.28 apresenta as imagens obtidas no Campus Solar sob as seguintes condições de teste:
1) Numa zona sombreada do Campus Solar, com e sem filtro e;
2) Numa zona com iluminação a incidir diretamente no módulo, com e sem filtro.
O tempo de exposição foi selecionado de acordo com as condições em que a imagem foi obtida. Este
variou entre 3 e 30 segundos.
O tempo de exposição selecionado em condições de teste na zona sombreada do Campus Solar e sem
filtro foi de 3 segundos. Como foi discutido anteriormente o filtro remove parte da luminescência
emitida pelas células, pelo que para as mesmas condições de luminosidade mas com o filtro, a velocidade
de disparo foi dez vezes superior com um tempo de exposição selecionado de 30 segundos.
Em condições de teste com a luz de um candeeiro de rua a incidir diretamente no módulo e sem filtro o
tempo de exposição selecionado foi de 3 segundos. Nas mesmas condições de luminosidade mas com o
filtro, a velocidade de disparo foi dez vezes superior com um tempo de exposição igual a 30 segundos.
Observando a imagem do módulo sem filtro e na zona iluminada verifica-se que a área onde a luz do
candeeiro está a incidir apresenta uma intensidade luminosa elevada, pelo que a subtração e separação
em três canais de cor é necessária para que o módulo possa ser caracterizado. Apesar de não ser
necessário aplicar a técnica de subtração quando o filtro está a ser utilizado, o uso deste requer sempre
tempos de exposição mais longos. De forma a otimizar o processo de caracterização dos módulos é mais
vantajoso aplicar a subtração e separação de imagem em condições com elevada luminosidade.
Sem filtro passa-banda Com filtro passa-banda
Zona
de
som
bra
Zo
na
com
lu
z
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.
62
4.4. Identificação e caracterização de defeitos
Este subcapítulo tem como objetivo identificar e categorizar defeitos detetados em módulos com a
técnica de electroluminescência, pelo que foram estudados os cinco módulos disponíveis. As imagens
dos módulos com luminescência apresentadas foram obtidas no laboratório com as luzes do teto
desligadas e sem filtro. De forma a perceber se os defeitos são ou não visíveis a olho nu, também se
colocaram as imagens do lado frontal e traseiro do módulo. Os parâmetros de aquisição de imagem
selecionados foram iguais para os três módulos e encontram-se resumidos na Tabela 4.4.
Tabela 4.4 - Parâmetros da aquisição de imagem da câmara fotográfica.
Compensação de Exposição [EV] -4
Abertura do Obturador [f-stops] 4
Velocidade de disparo [s] 3
Distância focal [mm] 35
Sensibilidade ISO 200
63
4.4.1. Módulo nº 1
O módulo fotovoltaico 1 é constituído por 96 células de silício monocristalino. O módulo foi percorrido
com uma corrente de 3 A e uma tensão de aproximadamente 75 V.
a) b)
c) d)
Figura 4.29 - a) Módulo com EL, b) Close up do defeito, c) Parte frontal, d) Parte traseira.
Através da análise da parte da frente do módulo, representada pela Figura 4.29 c), verifica-se que o vidro
apresenta duas manchas brancas (assinaladas a azul). A origem deste defeito esta relacionada com um
problema no encapsulamento no módulo, que se pode observar na imagem da Figura 4.29 b), onde se
verifica que o defeito é do próprio vidro e não da célula.
O módulo apresenta uma grande percentagem de células partidas e com fissuras (assinaladas a verde).
Estes defeitos surgem durante o processo de fabrico, operação e mau manuseamento dos módulos.
Observando a moldura exterior das células do módulo verifica-se que estas apresentam metade da sua
área escurecida, sendo que este defeito resulta das ligações danificadas entre as células, o que leva a que
não exista injeção de corrente e, consequentemente diminuição da geração de portadores de carga e taxa
de recombinação radiativa. Estes defeitos são classificados como defeitos extrínsecos ao módulo
reduzindo a sua eficiência ao longo do tempo. Nenhuma destas falhas é observável a olho nu.
O módulo apresenta também várias células escuras (assinaladas a vermelho), podendo a origem deste
problema estar relacionada com PID. Este fenómeno ocorre quando as tensões e correntes de fuga
originam a difusão de iões através dos materiais semicondutores e outros elementos do módulo. Este
defeito é classificado como intrínseco ao módulo. No entanto era necessário um estudo mais detalhado
para identificar a causa exata do defeito.
64
4.4.2. Módulo nº 2
O módulo 2 é constituído por 72 células de silício monocristalino. O módulo foi injetado com uma
corrente de 5 A e uma tensão de aproximadamente 53 V.
a) b)
c) d)
Figura 4.30 - a) Módulo com EL, b) Close up do defeito, c) Parte frontal, d) Parte traseira.
A imagem do módulo 2 com luminescência, representada pela Figura 4.30 a), apresenta células com
dedos partidos (assinalados a verde). Como há uma quebra localizada na injeção de corrente estes
defeitos surgem como zonas escurecidas nas células.
É também possível observar (assinalados a azul) várias células com micro-fissuras e fissuras que
originam células inativas (assinalados a vermelho). A maioria destes problemas surge durante o
manuseamento dos módulos devido a quedas ou objetos que ao caírem sobre os módulos originam
fissuras que não são visíveis a olho nu.
Também se consegue observar um curto-circuito (assinalado a amarelo) numa das células do módulo
que vai dar origem a fissuras na mesma. Uma das consequências dos curto-circuitos é o aparecimento
de hotspots. Hotspots são zonas da célula caracterizadas por temperaturas muito elevadas. Este defeito
é também visível na parte frontal e traseira do módulo (Figura 4.30 b)). A célula danificada apresenta
um aspeto queimado tanto na parte da frente como na parte de trás do módulo.
65
4.4.3. Módulo nº 3
O módulo 3 é constituído por 72 células de silício monocristalino. O módulo foi injetado com uma
corrente de 5 A e uma tensão de aproximadamente 53 V.
a)
c) d)
Figura 4.31 - a) Módulo com luminescência, b) parte frontal do módulo, c) parte traseira do módulo.
A imagem do módulo com luminescência, representada pela Figura 4.31 a), apresenta várias células
com dedos partidos (assinalados a vermelho) e alguns curto-circuitos locais (assinalados a azul).
Também se consegue detetar uma célula partida (assinalada a amarelo). Este defeito não origina áreas
inativas na célula.
Estes defeitos são pouco significativos para a performance do módulo. Porém, com o passar do tempo,
e com os módulos expostos a fatores externos, imperfeições como fissuras e micro-fissuras podem vir a
degradar-se, criando zonas inativas nas células, causando um decréscimo significativo na eficiência do
módulo.
Observando as imagens da Figura 4.31 verifica-se que tanto a parte frontal com a parte traseira do
módulo não apresenta quaisquer defeitos visíveis.
66
4.4.4. Módulo nº 4
O módulo 4 é constituído por 72 células de silício monocristalino. O módulo foi injetado com uma
corrente de 5 A e uma tensão de aproximadamente 53 V.
a) b)
c) d)
Figura 4.32 - a) Módulo com luminescência, b) Close up do defeito, c) parte frontal do módulo, d)
parte traseira do módulo.
Observando a imagem de luminescência do módulo 4, representada pela Figura 4.32, verifica-se que
este se encontra bastante danificado. Este apresenta várias células com fissuras (assinaladas a vermelho)
e várias células partidas com zonas inativas (assinaladas a azul).
É também possível visualizar a degradação da camada anti-reflectora, assinalada a branco. Zonas com
áreas mais escurecidas correspondem a áreas de sinal de electroluminescência fraco. Tal pode dever-se
ao material da célula se encontrar danificado, o que leva a uma menor injeção de corrente ou à camada
anti-reflectora do módulo se apresentar descolorada, bloqueando deste modo o sinal de
electroluminescência do silício
Também é possível identificar, assinalado a amarelo, uma célula partida, o que origina uma área inativa
no módulo. Esteve defeito teve origem num problema mecânico que também é observado na parte da
frente e de trás do módulo (Figura 4.32 b)). A parte de trás do módulo encontra-se riscada originando
assim uma fissura na célula.
Consegue-se ainda identificar algumas células escuras. A sua origem pode estar associada a
micro-fissuras que surgem durante a soldagem no processo de produção. Os resíduos da soldadura
penetram na célula através das micro-fissuras, originando curto-circuitos. Contudo era necessário
realizar um estudo mais aprofundado do defeito de modo a identificar a sua causa exata.
67
4.4.5. Módulo nº 5
O módulo 5 é constituído por 72 células de silício monocristalino. O módulo foi injetado com uma
corrente de 5 A e uma tensão de aproximadamente 53 V.
a) b)
c) d)
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.
O módulo 5 apresenta várias células com zonas inativas (assinaladas a vermelho), em consequência de
fissuras resultantes do mau manuseamento do módulo (Figura 4.33 a)).
O módulo é usado em atividades com carrinhos solares, pelo que se realizaram furos na parte posterior
do mesmo. Um destes furos atravessou o módulo afetando a célula, assinalada a verde (Figura 4.33 b)),
o que resulta numa fissura com uma área da célula onde não vai existir injeção de corrente. Este defeito
(assinalado a verde) é tanto visível na imagem do módulo com luminescência como através de uma
inspeção visual à parte da frente e de trás do módulo.
68
5. Conclusões e desenvolvimentos futuros
Nesta dissertação propôs-se o desenvolvimento de uma metodologia para a aplicação da técnica de
electroluminescência em módulos de forma rápida e com o auxílio de uma câmara fotográfica digital
modificada de baixo custo. Foram adquiridas imagens de um módulo fotovoltaico no laboratório da
FCUL, com condições de luminosidade controláveis, e no Campus Solar durante o período noturno.
Depois de desenvolvida e otimizada aplicou-se a mesma metodologia a cinco módulos solares diferentes
de forma a identificar e caracterizar defeitos através de uma análise visual das fotografias de
electroluminescência.
Os resultados obtidos no interior do laboratório dividiram-se em duas partes:
1. Resultados obtidos no escuro e;
2. Resultados obtidos com as luzes normais do teto da sala ligadas.
Os resultados obtidos no Campus Solar também se dividiram em duas partes:
1. Resultados obtidos numa zona mais afastada de candeeiros de rua e;
2. Resultados obtidos perto de iluminação pública.
Os ensaios realizados no interior do laboratório serviram como testes preliminares para os ensaios no
Campus Solar.
Os ensaios realizados no Campus Solar perto de iluminação serviram como forma de simular situações
onde os painéis se encontram nas vizinhanças de candeeiros de rua, como por exemplo painéis
fotovoltaicos em casas particulares. Os ensaios realizados na zona sombreada do Campus serviram como
simulação de parques solares, que na maioria das vezes estão em zonas afastadas de iluminação.
Os resultados foram todos obtidos com um filtro ótico passa-banda de modo a remover toda a radiação
externa que iria interferir com a radiação emitida pelas células de silício, e foram também obtidos
resultados sem o filtro de forma a estudar o efeito que este iria ter sobre as imagens. Recorreu-se à
técnica de subtração de imagens que consiste na subtração de uma imagem do módulo sem polarização
direta a uma imagem do módulo sob polarização direta. Em situações onde a imagem de subtração
apresenta valores de intensidade luminosa perto do valor de saturação recorreu-se à técnica de separação
de imagem em três canais de cor. Assim, quando um dos canais fica saturado, é possível analisar um
dos outros dois.
As imagens foram adquiridas com os mesmos parâmetros de corrente e tensão e de aquisição de imagem
para todas as condições de teste, com a exceção do tempo de integração. Deste modo foi possível
averiguar qual o melhor tempo de exposição em cada condição.
Foram traçados histogramas RGB, para cada uma das imagens, de forma a estudar a distribuição dos
pixels pelos diferentes níveis de intensidade nos três canais de cor. Através da análise aos histogramas
foi também possível verificar a partir de que momento a imagem começava a apresentar valores de
intensidade próximos do valor de saturação.
Nas imagens obtidas no laboratório no escuro não se observou entrada de nenhuma luz externa na sala.
Este resultado é comprovado pela imagem adquirida sem filtro do módulo sem EL, esta encontra-se
completamente escura com o respetivo histograma todo deslocado para a esquerda do gráfico. Nas
mesmas condições de luminosidade, para o uso do filtro é necessário aumentar o tempo de exposição
dez vezes em relação ao tempo de exposição sem o filtro de 3 para 30 segundos. Pelo que se pode
concluir que o filtro remove parte da luminescência emitida pelas células.
69
As imagens adquiridas no laboratório, com luz e sem filtro, apresentam uma elevada percentagem de
pixels com níveis de intensidade iguais ou próximos ao valor de saturação, o que origina uma imagem
de subtração com pixels com níveis de intensidade iguais a zero (pixels pretos). Neste caso o uso da
técnica da separação da imagem em três canais é essencial. O canal verde corresponde ao canal com
melhor distribuição pelos níveis de intensidade, sendo o vermelho o que apresenta uma maior
percentagem de pixels com níveis de intensidade igual a zero. Nas imagens adquiridas com filtro
verificou-se que este remove toda a radiação emitida pelas luzes de teto. O tempo de exposição
selecionado nas condições sem filtro foi de 1 segundo enquanto que em condições com filtro o tempo
de exposição foi de 30 segundos.
Analisando os resultados obtidos no laboratório no escuro pode-se concluir que não é necessário recorrer
ao uso do filtro passa-banda ou à técnica de subtração, uma vez que não existe qualquer radiação parasita
a interferir com os resultados. Contudo, em condições de teste com as luzes do laboratório ligadas o uso
de filtro é essencial para se obter uma imagem EL clara.
Comparando os dois histogramas das imagens adquiridas com filtro – com e sem as luzes de teto
ligadas – verificou-se que estes apresentam valores de intensidade luminosa iguais ou muito próximos,
pelo que se pode concluir que o filtro remove toda a radiação emitida pelas luzes da sala.
Nas imagens adquiridas no lado sombreado do Campus Solar sem filtro verificou-se que nenhum dos
canais de cor apresenta valores de intensidade luminosa iguais ao valor de saturação. Contudo
consegue-se visualizar zonas na imagem do módulo com EL desfocadas. Tal deve-se ao facto do módulo
refletir radiação na região do infravermelho devido à absorção de luz proveniente de fontes externas.
Como a objetiva está focada para comprimentos de onda do infravermelho, radiação com comprimentos
de onda diferentes vai aparecer desfocada na imagem. Neste caso, além da técnica de subtração eliminar
a radiação parasita vai também eliminar as zonas desfocadas do módulo o que resulta numa imagem de
subtração mais nítida. O tempo de exposição selecionado foi de 3 segundos na condição de teste sem
filtro e 30 segundos na condição de teste com filtro. Nesta situação a melhor opção seria a não utilização
do filtro ótico, uma vez que se conseguem obter imagens com bastante qualidade num curto período de
tempo sem o filtro e com o recurso à técnica de subtração.
As imagens obtidas no Campus Solar perto de iluminação pública sem filtro apresentam zonas com
níveis de intensidade luminosa iguais ao valor de saturação, o que resulta numa imagem de subtração
com níveis de intensidade luminosa iguais a zero. Assim recorreu-se à técnica de separação de imagem
em três canais de cor, sendo que o canal verde corresponde ao canal com melhor contraste e melhor
qualidade de imagem. Sob as mesmas condições de luminosidade verificou-se que o filtro remove toda
a radiação emitida pelo candeeiro, mesmo quando este incide diretamente sobre o módulo. O tempo de
exposição selecionado foi de 3 segundos para imagens sem filtro e 30 segundos para imagens com filtro.
Analisando os resultados obtidos no Campus Solar pode-se concluir que, durante o período noturno, a
utilização de filtro não é o ideal, uma vez que para se obterem imagens EL nítidas é necessário um tempo
de integração muito longo o que torna a aquisição de imagem um processo demasiado lento. Nestas
condições a melhor opção consiste na aquisição da imagem sem filtro recorrendo à técnica de subtração
de imagens para remover radiação parasita e de separação de imagem em três canais de cor, quando
necessária. Na presença de fontes luminosas muito intensas, como é o caso das luzes do laboratório, o
uso do filtro torna-se essencial para se obterem imagens EL com qualidade e definição.
70
Quando encontrados os parâmetros ótimos aplicou-se a metodologia desenvolvida aos cinco módulos
fotovoltaicos. As imagens dos módulos foram adquiridas no laboratório com as luzes desligadas e sem
o uso do filtro passa-banda. Através de uma análise visual das imagens de electroluminescência
identificaram-se defeitos como: micro-fissuras, fissuras, células partidas e em curto-circuito e dedos
partidos.
A técnica de electroluminescência é já um método de caracterização de módulos solares bastante
desenvolvido, sendo que todas as metodologias desenvolvidas têm o objetivo comum de desenvolver
este método para aplicação em parques solares de grandes dimensões. A metodologia desenvolvida ao
longo desta dissertação apresenta um processo de caracterização de módulos rápido e económico e pode
ser aplicada em instalações fotovoltaicas durante o período de fim de tarde e noturno. Este método pode
vir a ser testado em drones de forma a automatizar o sistema de aquisição de imagem. Como trabalho
futuro sugere-se a realização de um estudo no qual se diminui o tempo de exposição de forma a perceber
qual o tempo necessário para se começar a visualizar electroluminescência. Este trabalho deve ser
desenvolvido em conjunto com a análise dos histogramas RGB. De forma a identificar a origem exata
dos defeitos detetados é necessário que a electroluminescência seja complementada por outras técnicas
de caracterização, nomeadamente a medida da curva I-V.
71
Referências bibliográficas
[1] Fraunhofer ISE with PSE Conferences and Consulting GmbH. (2018). Photovoltaics Report.
[online] Freiburg, Germany: Fraunhofer ISE. Available at:
https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-
Report.pdf [Accessed 11 June 2018].
[2] Jordan, D and Kurtz, S. (2013). Photovoltaic Degradation Rates - An Analytical Review.
Progress in photovoltaics: Research and Applications, 21, pp. 12-29.
[3] Benatto, G., Riedel, N., Thorsteinsson, S., Poulsen, P., Thorseth, A., Hansen, C., et al. (2017).
Development of outdoor luminescence imaging for drone-based PV array inspection. In: Proceedings
of the 44th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, PVSEC 2017. Washington, D.C, USA: IEEE.
[4] Fuyuki, T., Kondo, H., Yamazaki, T., Takahashi, Y. and Uraoka, Y. (2005). Photographic
surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by
electroluminescence. Applied Physics letters, 86 (26), 262108.
[5] Frazão, M. (2016). Electroluminescência de células solares. Master dissertation. Universidade de
Lisboa, Faculdade de Ciências.
[6] Frazão, M., Silva, J., Lobato, K. and Serra, J. (2017). Electroluminescence of silicon solar cells
using a consumer grade digital camera. Journal of the International Measurement Confederation, 99,
pp. 7-12.
[7] Luque, A. and Hegedus, S. (2003). Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. 1st ed.
Chichester, UK: John Wiley & Sons Ltd.
[8] Dharan, G., Hanania, J., Stenhouse, K. and Donev, J. (2018). Conduction Band. [online] Energy
Education. Available at:
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Conduction_band [Accessed 10 September 2018].
[9] Goetzberger, A., Knobloch, J. and Voss, B. (1998). Crystalline Silicon Solar Cells. 1st ed.
Chichester, UK: John Wiley & Sons Ltd.
[10] Smets, A., Jäger, K., Isabella, O., Swaaij, R. and Zeman, M. (2014). Solar Energy Fundamentals,
Technology, and Systems. 1st ed. Cambridge, UK: UIT Cambridge Ltd.
[11] Puksec, P. (2002). Recombination Processes and Holes and Electrons Lifetimes.
Automatika - Journal for Control, Measurement, Electronics, Computing and Communications, 43,
pp.47-53.
[12] Lee, J. (2003). Rapid Thermal Processing of Silicon Solar Cells - Passivation and Diffusion. PhD
thesis. Albert Ludwig University of Freiburg, Faculty of Mathematics and Physics, Fraunhofer,
Institute of Solar Energy Systems.
[13] Wenham, S. (2003). Solar Cells: Resources for the Secondary Science Teacher, 1st ed. Sydney:
Key Centre for Photovoltaic Engineering, University of New South Wales, Faculty of Engineering.
72
[14] Honsberg, C. and Bowden, S. (2018). Module Materials. [online] PVEducation.ORG
Available at:
https://pveducation.org/pvcdrom/modules/module-materials [Accessed 5 September 2018].
[15] Peike, C., Hädrich, I., Weiß, K. and Dürr, I. (2013). Overview of PV module encapsulation
Materials. Photovoltaics International, 19, pp. 85-91.
[16] Afework, B., Hanania, J., Stenhouse, K., Yyelland and B., Donev, J. (2018). Types of
photovoltaic cells. [online] Energy Education. Available at:
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Types_of_photovoltaic_cells#cite_note-peake-3 [Accessed
15 September 2018].
[17] Peake, S. (2017). Renewable Energy: Power for a Sustainable Future. 4th ed. Oxford: Oxford
University Press.
[18] Casey, B. (2017). Crystalline Vs Thin Film Solar Panels. [online] Solaris Technology Industry.
Available at: https://www.solaris-shop.com/blog/crystalline-vs-thin-film-solar-panels/ [Accessed 10
September 2018].
[19] Fuyuki, T., Sugimura, E. and Tani, A. (2012). Electroluminescence Characterization of
Crystalline Silicon Solar Cells. In: 16th International Workshop on Inorganic and Organic
Electroluminescence - International Conference on the Science and Technology of Emissive Displays
and Lighting. Hong Kong.
[20] Mansouri, A., Zettl, M., Mayer, O., Lynass, M., Bucher, M., Stern, O., et al. (2012). Defect
detection in photovoltaic modules using electroluminescence imaging. In: 27th European Photovoltaic
Solar Energy Conference and Exhibition. Frankfurt, Germany, pp. 3374-3378.
[21] Wang, G., Gong, H. and Zhu, J. (2013). Failure analysis of dark cells detected by
electroluminescence (EL) for the 28th EU PVSEC 2013. In: 28th European Photovoltaic Solar Energy
Conference and Exhibition. Villepinte, France, pp. 3173-3179.
[22] Martínez-Moreno, F., Lorenzo, E., Muñoz, J., Parra, R. and Espino, T. (2013). On-site tests for
the detection of Potential Induced Degradation in modules. In: 28th European Photovoltaic Solar
Energy Conference and Exhibition. Villepinte, France, pp. 3313-3317.
[23] Stoicescu, L., Reuter, M., and Werner, J. (2014). DAYSY: Luminescence imaging of PV modules
in daylight. In: 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Amsterdam,
Netherlands, pp. 2553-2554.
[24] Adams, J., Doll, B., Buerhop, C., Pickel, T., Teubner, J., and Camus, C. (2016). Non-stationary
Outdoor EL-Measurements with a fast and highly sensitive InGaAs camera. In: 32nd European
Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Munich, Germany, pp. 1837-1841.
[25] Koch, S., Weber, T., Sobottka, C., Fladung, A., Clemens, P. and Berghold, J. (2016). Outdoor
electroluminescence imaging of crystalline photovoltaic modules: Comparative study between manual
ground-level inspections and drone-based aerial surveys. In: 32nd European Photovoltaic Solar Energy
Conference and Exhibition. Munich, Germany, pp. 1736-1740.
73
[26] Mertens, K., Kösters, H. and Diehl, M. (2015). Low-cost-outdoor-El: Cost-Efficient extensive
on-site quality analysis of solar modules. In: 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference
and Exhibition. Hamburg, Germany, pp. 2300-2302.
[27] Mertens, K., Arnds, A. and Behrens, G. (2016). Lowcost-outdoor-electroluminescence:
Significant improvements of the method. In: 32nd European Photovoltaic Solar Energy Conference
and Exhibition. Munich, Germany, pp. 2081-2083.
[28] Martínez, O., Guada, M., Moretón, A., Rodríguez-Conde, S., González, M., Jiménez, J. et al.
(2017). Implementation of a friendly daylight electroluminescence system for the inspection of solar
PV panels. In: 32nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Munich,
Germany, pp. 2021-2025.
[29] Cambridge in Colour, (2018). Digital Camera Sensor. [online] Available at:
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/camera-sensors.htm [Accessed 14 September 2018].
[30] Cambridge in Colour, (2018). Bit depth tutorial. [online] Available at:
https://www.cambridgeincolour.com/tutorials/bit-depth.htm [Accessed 14 September 2018].
[31] Sharma, S. (2012). RAW Vs TIFF — Which Image File Format Should I Use? [online] APN
Photography. Available at:
https://www.apnphotographyschool.com/concepts/raw-vs-tiff-which-image-file-format-should-i-use/
[Accessed 13 September 2018].
[32] Coste, A. (2018). Project 1: Histograms, University of Utah: CS6640 Image Processing Report.
[online] Scientific Computing and Imaging Institute. Available at:
http://www.sci.utah.edu/~acoste/uou/Image/project1/Arthur_COSTE_Project_1_report.html
[Accessed 12 September 2018].
[33] Mathies, D. (2018). What is ISO? [online] Digital trends. Available at:
https://www.digitaltrends.com/photography/what-is-iso/ [Accessed 13 September 2018].
[34] Creative Live, (2018). The ultimate guide to learning photography: Shutter speed. [online]
Available at: https://www.creativelive.com/photography-guides/what-is-shutter-speed [Accessed 14
September 2018].
[35] Mansurov, N. (2018). What is exposure compensation and how to use it. [online] Photographylife
articles, news, reviews. Available at:
https://photographylife.com/what-is-exposure-compensation [Accessed 15 September 2018].
[36] Nikon, (2018). Understanding Maximum Aperture. [online] Available at:
https://www.nikonusa.com/en/learn-and-explore/a/tips-and-techniques/understanding-maximum-
aperture.html [Accessed 16 September 2018].
[37] Nikon, (2018). Understanding Focal Length. [online] Available at:
https://www.nikonusa.com/en/learn-and-explore/a/tips-and-techniques/understanding-focal-
length.html [ Accessed 16 September 2018].
[38] Digital Photography Review, (2006). Nikon D40. [online] Available at:
https://www.dpreview.com/products/nikon/slrs/nikon_d40/specifications [Accessed 10 January 2018].
74
[39] Nikon Rumors, (2015). List of all Nikon DSLR cameras and their sensor manufacturer/designer.
[online] Available at:
https://nikonrumors.com/2015/12/16/list-of-all-nikon-dslr-cameras-and-their-sensor-
manufacturerdesigner.aspx/ [Accessed 10 May 2018].
75
76
Anexos Anexo A.1
77
78
Anexo A.2
79
80
Anexo A.3
Conjunto de 54 imagens adquiridas para traçar a curva de resposta do sensor da câmara fotográfica.
t(s)
-4 EV
0 EV
+4 EV
1/1
00
1/6
0
1/4
0
1/2
5
1/1
5
1/1
0
81
t(
s)
-4 EV
0 EV
+4 EV
1/6
1/4
1/2
,5
1/1
,6
1
1,6
82
t(s)
-4 EV
0 EV
+4 EV 2
,5
4
6
10
15
25
83
Anexo A.4
Neste anexo apresenta-se o protocolo experimental desenvolvido ao longo desta dissertação e que
resume o sistema elaborado para a aplicação deste método.
Experimental Protocol
Acquisition of EL images with low cost camera
Electroluminescence (EL) is a fast, non-destructive and spatially resolved technique to analyse and
characterize faults and defects in photovoltaic cells and modules. This protocol will explain the
procedures and steps to obtain a EL image of a module inside the laboratory with and without celling
lights.
Equipment and Experimental Setup
Figure 1 - Experimental setup.
Equipment required for the setup (Figure 1):
• Photovoltaic module;
• Photographic camera: Nikon D40 (without the infrared filter);
• Camera lens (35-80mm f/4-5.6D);
• Tripod;
• Band-pass filter: 03 F11 024 (for images with light on);
• Laptop with software Camera Control Pro 2 installed;
• USB cable to connect the camera with the computer;
• Power source: Sorensen Division of Elgar - Model DCS80-37E and;
• Cables to connect the power source with the module.
84
Experimental Procedures
1. If necessary, clean the module with water and remove all the dirt that may interfere with the
results;
2. Put the module against the wall doing, approximately, 90 degrees with the floor. The module
should be horizontal to have more equilibrium;
3. Connect the module cables with the power source, positive with positive and negative with
negative, see Figure 2;
Figure 2 - Power source connection.
4. Turn on the power source and set a current close to the short circuit current of the module (e.g.
if the module was a Isc = 3,75 A set the power source current to 3 A);
5. Set the camera on the tripod with 1 meter height and 2,40 meters away from the module, as
shown below (Figure 3).
a) b)
Figure 3 - Measures a) Tripod height and b) Distance between the module and the camera.
The following steps are for tests inside the lab with dark, for tests inside the lab with light see
below
6. Connect the camera with the laptop and turn on the camera;
7. Set the focal distance of the camera lens to 35 mm (the minimum focal lens) as shown on Figure
4;
85
Figure 4 - Focal distance of the camera lens.
8. Set the focus of the camera lens on the white marks as shown on Figure 5;
Figure 5 - Focus lens.
9. Set the camera mode to manual (M) as shown on Figure 6;
Figure 6 - Manual mode.
10. Open the Camera Control Pro 2 software, already installed in your laptop, and set the following
specifications (Table 1):
Table 1 - Camera specifications without filter.
Shutter Speed [s] 3
Aperture [f-stops] 4
Exposure Compensation [EV] -4
ISO Sensibility 200
Metering Matrix
White Balance Preset Use Photo
Data Format RAW
Shooting Mode Single
Optimize Image Normal
11. Turn off the all the lights and make sure there is no parasitic light coming from anywhere that
could interfere with the results;
12. Press the shutter button down and wait 3 seconds for the image to be taken and;
13. Your image is saved on the “Images” paste.
86
Steps for tests inside the lab with light
6. With the help of some paper put the band-pass filer on the camera lens, the mirrored part should
face the lens (this is just a temporary method), see Figure 7.
a) b)
c) d)
Figure 7 - Filter's a) Front, b) back, c) Paper to set the filter, d) Filter on camera.
7. Connect the camera with the laptop and turn on the camera;
8. Set the focal distance of the camera lens to 35 mm (the minimum focal lens);
9. Set the focus of the camera lens on the white marks as show on the Figure 5;
10. Set the camera mode to manual (M);
11. Open the Camera Control Pro 2 software, already installed in your laptop, and set the following
specifications (Table 2):
Table 2 - Camera specifications with filter.
12. Press the shutter button down and wait 30 seconds for the image to be taken and;
13. Your image is saved on the “Images” paste.
Shutter Speed [s] 30
Aperture [f-stops] 4
Exposure Compensation [EV] -4
ISO Sensibility 200
Metering Matrix
White Balance Preset Use Photo
Data Format RAW
Shooting Mode Single
Optimize Image Normal
87
Interface of Camera Control Pro 2
Figure 8 - Select shutter speed
(3 or 30 sec), aperture and
exposure compensation.
Figure 9 - Select metering, ISO
and white balance.
Figure 10 - Select data format.
Figure 11 - Select shooting
mode.
Website to download Camera Control Pro 2:
https://downloadcenter.nikonimglib.com/en/products/165/Camera_Control_Pro_2.html
Figure 12 - Select optimize image.