Luminescência de células solares - ULisboa

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


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



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


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


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


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


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.



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,


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.



EL, b) Sem EL e d) Subtração. ......................................................................................................... 53 Figura 4.21 - Histograma RGB das imagens obtidas na zona iluminada do Campus Solar sem filtro.



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.



EL, b) Sem EL e c) Subtração. ......................................................................................................... 57 Figura 4.25 - Histograma RGB das imagens obtidas na zona iluminada do Campus Solar com filtro.


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)


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


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


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



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


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



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)


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


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.


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)


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



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


d) Subtração.


cor, vermelho, verde e azul, respetivamente, em condições de laboratório com luz e com filtro. O




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.







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.



EL, b) Sem EL com o contraste da imagem corrigido para efeitos de visualização neste documento e

c) Subtração.

48


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.


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




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)


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.



El, b) Sem EL e c) Subtração.


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




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)


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.



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




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)


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)


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.



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.







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.



Velocidade de disparo [s] 3

Distância focal [mm] 35


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


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




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




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




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

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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.

Documents

Luminescência de células solares - ULisboa