Quais Máquinas São Usadas para Fabricar Painéis Solares?

Ao entrar em uma fábrica de painéis solares, você não verá uma máquina gigante transformando matérias-primas em painéis acabados. O que você vê na verdade é uma linha de produção conectada, com cada máquina lidando com uma parte específica do trabalho: cortar células, soldá-las em strings, organizar as strings, laminar o módulo, instalar a moldura e finalmente testar o painel acabado.

Parece bastante simples no papel. Na produção real, cada processo afeta o próximo. Um pequeno erro de posicionamento durante o layup pode se tornar uma bolha ou defeito de alinhamento após a laminação. Uma junta de solda ruim pode parecer boa aos olhos humanos, mas aparecer como uma área escura durante a inspeção EL.

É por isso que uma boa linha de produção de painéis solares deve operar como um sistema equilibrado, e não como uma coleção aleatória de máquinas.

Antes de olhar para o equipamento, há uma distinção importante.

Este artigo é sobre uma linha de produção de módulos solares—uma fábrica que compra células solares acabadas e as monta em painéis solares. Fabricar células solares a partir de wafers de silício é um processo diferente que envolve equipamentos químicos úmidos, fornos de difusão, sistemas PECVD ou ALD, impressoras de tela, fornos de queima e outras máquinas especializadas.

Então, quais máquinas são usadas para fabricar um painel solar acabado?

1. Máquina de Teste e Classificação de Células Solares

Células solares do mesmo lote de produção nem sempre são eletricamente idênticas. Sua corrente, tensão e potência máxima podem variar ligeiramente. Se células com características elétricas significativamente diferentes forem conectadas na mesma string, a célula de pior desempenho pode limitar a saída de toda a string.

Um testador de células solares mede parâmetros como:

• Tensão de circuito aberto

• Corrente de curto-circuito

• Potência máxima

• Eficiência da célula

• Características da curva I-V

O sistema de classificação então agrupa células com desempenho semelhante.

Algumas linhas de produção também usam inspeção óptica automática ou inspeção EL em nível de célula para identificar lascas nas bordas, trincas ocultas, contaminação e áreas eletricamente inativas antes que as células entrem no processo de interconexão.

Pode parecer um pequeno passo, mas a classificação precisa ajuda a reduzir o descasamento elétrico e melhora a consistência dos módulos acabados.

2. Máquina de Corte a Laser de Células Solares

A maioria dos módulos solares modernos usa células cortadas ao meio. Projetos de módulos shingled e outros especiais podem usar seções de células ainda menores. Nesses casos, as células solares de tamanho completo devem ser divididas antes da interconexão.

Uma máquina de corte a laser de células solares risca e separa as células com alta precisão. Dependendo do design do módulo, pode cortar as células em metades, terços ou peças menores.

Dois métodos comuns de corte são usados:

• Riscagem a laser convencional seguida de quebra mecânica

• Corte a laser não destrutivo projetado para reduzir o estresse mecânico e térmico

O corte não destrutivo está se tornando mais importante à medida que as células se tornam mais finas e maiores. Microtrincas criadas durante o corte podem se expandir durante a interconexão, laminação, transporte ou operação externa de longo prazo.

Se uma fábrica produz apenas módulos de célula inteira, uma máquina de corte a laser pode não ser necessária. Para produção de módulos half-cell e shingled, no entanto, é uma parte central da linha.

3. Máquina de Tabbing e Stringing

A máquina de tabbing e stringing é frequentemente considerada o coração de uma linha de produção de painéis solares.

Sua principal função é soldar fita fotovoltaica em células individuais e conectar as células em série para formar strings de células. Máquinas modernas geralmente combinam tabbing e stringing em um único processo automático.

Uma máquina de tabbing e stringing normalmente lida com:

• Carregamento e separação de células

• Posicionamento das células

• Alimentação da fita

• Aplicação de fluxo

• Soldagem

• Alinhamento de strings

• Corte e descarga de strings

• Inspeção visual

O método correto de alinhamento depende da tecnologia das células.

Células PERC e TOPCon geralmente podem ser processadas com stringers convencionais de múltiplos barramentos. Células HJT podem exigir soldagem em temperatura mais baixa, pois são mais sensíveis ao calor. Células BC, IBC, ABC e HPBC necessitam de equipamentos especializados de soldagem por contato traseiro, pois seus contatos positivo e negativo estão localizados na parte traseira.

A seleção do stringer deve, portanto, ser baseada no tamanho da célula, design do barramento, tipo de fita, temperatura de soldagem e estrutura do módulo—não apenas no número de células por hora anunciado.

4. Inspeção EL de String Inline

A inspeção EL de string é geralmente uma função opcional integrada ao stringer, e não uma máquina completamente separada.

Na prática, a maioria dos fabricantes escolhe esta opção, especialmente ao produzir módulos com células TOPCon, HJT ou BC. Com essas tecnologias de células, juntas de solda fracas, trincas ocultas e áreas eletricamente inativas podem ser difíceis de identificar por inspeção visual comum.

A inspeção EL inline verifica a string imediatamente após a soldagem. Uma corrente é aplicada às células conectadas, e uma câmera sensível ao infravermelho captura a imagem de eletroluminescência. Trincas, áreas desconectadas e más conexões elétricas aparecem como regiões escuras anormais.

Isso permite que strings defeituosas sejam removidas antes da laminação, quando o reparo ou substituição ainda é relativamente fácil.

Um testador EL de string offline ainda pode ser usado para amostragem, reinspeção ou análise laboratorial, mas normalmente não é necessário como uma estação de produção separada quando o stringer já inclui inspeção EL inline.

5. Equipamento de Carregamento e Inspeção de Vidro Solar

O vidro solar fornecido para fábricas de módulos modernos é normalmente lavado e preparado pelo fabricante do vidro. Por esse motivo, uma máquina de lavar vidro dedicada geralmente não é necessária em uma linha de produção padrão de painéis solares.

Um carregador automático de vidro coloca o vidro preparado na esteira. Antes da colocação do EVA ou POE, o vidro é verificado quanto a:

• Poeira e contaminação superficial

• Arranhões

• Danos nas bordas

• Lascas de vidro

• Defeitos de revestimento

• Dimensões incorretas

O vidro frontal forma a base da pilha do módulo, portanto sua posição deve permanecer estável durante os processos subsequentes de colocação de material e layup das células.

6. Máquinas de Corte e Colocação de EVA, POE e Backsheet

Antes do layup, o encapsulante e os materiais da camada traseira devem ser cortados nas dimensões corretas do módulo.

Uma máquina automática de corte e colocação pode preparar materiais como:

• Filme de EVA

• Filme de POE

• TPT ou outros backsheets

• Tiras de isolamento

• Materiais de isolamento de barramento

Após o corte, a máquina coloca o encapsulante sobre o vidro automaticamente.

Para módulos vidro-vidro, o backsheet de polímero é substituído por uma segunda peça de vidro. O layout da linha, a laminadora e o equipamento de manuseio devem, portanto, ser projetados para o peso adicional e a estrutura diferente do módulo.

Pequenas fábricas podem cortar EVA e backsheet manualmente. O corte e colocação automáticos tornam-se mais valiosos à medida que a capacidade de produção aumenta, pois melhoram a consistência dimensional e reduzem o desperdício de material.

7. Máquina de Layup Automática

A máquina de layup automática pega as strings de células concluídas e as posiciona sobre o vidro e o encapsulante.

Este é um processo de precisão. O espaçamento das strings, o alinhamento das células e a distância entre as células e as bordas do vidro devem permanecer dentro das tolerâncias especificadas.

Um alinhamento ruim é fácil de notar em um painel acabado, mas a aparência não é a única preocupação. Posições incorretas das strings também podem afetar a encapsulação, a vedação das bordas e a confiabilidade do módulo a longo prazo.

Uma máquina de layup automática normalmente usa:

• Robôs industriais ou sistemas de pórtico

• Garras a vácuo

• Câmeras de visão

• Correção automática de posição

• Controles de espaçamento de strings

• Detecção de posição do vidro

Algumas linhas de produção usam uma máquina de layup separada. Outras combinam posicionamento de strings, layup e bussing em uma unidade integrada.

8. Máquina de Bussing

Após o posicionamento das strings, elas devem ser conectadas eletricamente com fita de barramento.

Uma máquina automática de bussing solda ou brasa os terminais das strings de acordo com o projeto elétrico do módulo. Ela também pode dobrar, cortar e posicionar as fitas de barramento automaticamente.

Módulos de meia-célula requerem atenção especial porque suas seções superior e inferior de células são geralmente conectadas em paralelo. O ponto de saída normalmente está localizado próximo ao meio do painel, em vez de no topo.

O processo de bussing deve controlar:

• Posição do barramento

• Temperatura de solda ou brasagem

• Resistência da junta

• Forma da fita

• Espaçamento das strings

• Posição da fita de saída

Uma conexão de bussing fraca pode causar perda de potência, aquecimento local excessivo ou falha completa do circuito.

Em uma linha semiautomática pequena, o bussing pode ser concluído manualmente com ferramentas de solda e gabaritos de posicionamento. Fábricas de maior capacidade normalmente usam máquinas automáticas de bussing para melhor consistência e produtividade.

9. Teste EL Pré-Laminação e Inspeção Visual

Antes da laminação, o módulo montado deve passar por inspeção visual e teste EL.

Esta é a última oportunidade prática para reparar muitos defeitos de produção. Operadores ou sistemas de inspeção automática verificam problemas como:

• Células trincadas

• Strings desalinhadas

• Fitas faltando

• Conexões de bussing ruins

• Posições de saída incorretas

• Contaminação dentro do módulo

• Encapsulante enrugado ou deslocado

• Posicionamento incorreto do backsheet

O testador EL de pré-laminação verifica a condição elétrica do circuito completo da célula antes de ser selado permanentemente.

A laminação é efetivamente irreversível. Se um defeito for encontrado após a laminação, o custo de reparo é muito maior e, em muitos casos, o módulo inteiro deve ser descartado.

10. Laminadora de Painéis Solares

A laminadora sela o vidro, encapsulante, células solares e backsheet—ou vidro traseiro—em uma estrutura durável.

Dentro da laminadora, o vácuo remove o ar preso da pilha do módulo. Calor e pressão então curam o EVA ou POE, unindo todas as camadas.

A receita de laminação depende de:

• Tipo de encapsulante

• Tamanho do módulo

• Espessura do vidro

• Estrutura vidro-backsheet ou vidro-vidro

• Tecnologia de célula

• Requisitos do fornecedor de material

Um ciclo típico de laminação pode levar cerca de 10 a 20 minutos, embora o tempo real varie com os materiais e equipamentos.

A laminadora é frequentemente o processo principal mais lento na linha de produção. Uma fábrica pode, portanto, precisar de várias laminadoras operando em paralelo.

Este é um ponto importante ao calcular a capacidade de produção. Instalar stringers mais rápidos não aumentará a produção final do módulo se a seção de laminação não puder processar painéis na mesma taxa.

A qualidade da laminação afeta diretamente a adesão, o isolamento elétrico, a resistência à umidade e a vida útil esperada do módulo.

11. Equipamento de Corte e Inspeção Pós-Laminação

Após a laminação, excesso de EVA, POE ou backsheet permanece ao redor das bordas do módulo. Este material deve ser removido antes da moldagem.

Em uma linha pequena, os operadores podem cortar as bordas manualmente. Uma linha automática de alta capacidade normalmente usa uma máquina de corte de bordas.

O módulo laminado também é inspecionado quanto a:

• Bolhas de ar

• Delaminação

• Transbordamento de encapsulante

• Arranhões

• Danos no vidro

• Movimento da célula

• Deslocamento da string

• Contaminação dentro do laminado

Unidades de viragem automática facilitam a inspeção de ambos os lados do módulo sem depender de levantamento manual.

12. Máquina de Colagem de Moldura e Emolduramento

A maioria dos painéis solares convencionais usa uma moldura de alumínio para proteger as bordas do vidro e fornecer suporte mecânico durante o transporte e instalação.

A seção de emolduramento pode incluir:

• Máquina automática de colagem de moldura

• Sistema de carregamento de moldura de alumínio

• Equipamento de inserção de chave de canto

• Máquina de montagem de moldura

• Máquina de emolduramento pneumática ou hidráulica

• Equipamento de perfuração de moldura

O selante é aplicado dentro dos perfis de alumínio antes que as quatro seções da moldura sejam pressionadas ao redor do módulo laminado.

A moldura acabada deve ser quadrada, segura e devidamente selada. Defeitos comuns de emolduramento incluem cantos soltos, selante insuficiente, selante excessivo, arranhões e dimensões incorretas da moldura.

Módulos de vidro-vidro sem moldura podem não exigir este processo, dependendo do design do produto.

13. Máquinas de Instalação de Caixa de Junção

A caixa de junção coleta a saída elétrica do circuito da célula e fornece a conexão entre o módulo e o sistema fotovoltaico externo.

O processo da caixa de junção pode incluir:

• Posicionamento da caixa de junção

• Dispensação de silicone ou adesivo

• Soldagem do cabo de saída

• Soldagem automática de terminais

• Preenchimento com cola AB

• Encapsulamento

• Inspeção do cabo e conector

Uma máquina de solda de caixa de junção conecta as fitas de saída do módulo aos terminais da caixa de junção. Uma máquina de dispensação ou encapsulamento aplica então selante ou material de preenchimento para proteger as conexões elétricas contra umidade, movimento e corrosão.

O adesivo e o material de encapsulamento devem receber tempo de cura suficiente antes dos testes finais e da embalagem.

14. Testador EL Final

Um segundo teste EL é normalmente realizado após a laminação ou montagem final do módulo.

Este teste é necessário porque novas microtrincas podem ser introduzidas durante a laminação, corte, emolduramento ou manuseio do material.

A imagem EL final pode revelar:

• Microtrincas na célula

• Células quebradas

• Dedos desconectados

• Juntas de solda ruins

• Barramentos quebrados

• Áreas eletricamente inativas

• Interrupções de string

O software de análise automática de imagem pode ajudar a classificar defeitos, mas o fabricante ainda precisa de padrões de aceitação claros. O sistema deve definir quais defeitos são aceitáveis, quais exigem retrabalho e quais resultam em rejeição.

15. Simulador Solar e Testador I-V

O simulador solar, também conhecido como testador de flash ou testador I-V, mede o desempenho elétrico do painel solar acabado sob iluminação controlada.

O testador registra parâmetros incluindo:

• Potência máxima

• Tensão de circuito aberto

• Corrente de curto-circuito

• Tensão de operação

• Corrente de operação

• Fator de preenchimento

• Eficiência do módulo

• Curva I-V completa

A potência medida é usada para classificar o painel e gerar sua etiqueta de identificação ou etiqueta de produção.

O simulador solar deve ter correspondência espectral adequada, uniformidade de luz e estabilidade. Sua velocidade de teste também deve corresponder à capacidade de produção do restante da linha. Caso contrário, os painéis acabados começarão a se acumular em frente à estação de teste.

16. Equipamento de Teste de Segurança

A saída elétrica é apenas uma parte do controle de qualidade final. O painel também deve ser eletricamente seguro.

Equipamentos comuns de teste de segurança incluem:

• Testador de rigidez dielétrica (Hi-pot)

• Testador de resistência de isolamento

• Testador de continuidade de terra

• Testador de corrente de fuga

O teste de rigidez dielétrica aplica alta tensão entre o circuito interno e a moldura do módulo para verificar a integridade do isolamento.

O teste de continuidade de terra mede a conexão elétrica entre a moldura de alumínio e seus pontos de aterramento. O teste de isolamento verifica se o módulo pode operar com segurança sem caminhos de fuga perigosos.

Estes são testes de produção essenciais, não verificações de qualidade opcionais.

17. Linha de Etiquetagem, Classificação e Embalagem

Após o painel passar pela inspeção elétrica, de segurança, EL e visual, a fábrica imprime sua etiqueta de produto e registra os resultados finais dos testes.

Cada módulo normalmente recebe um número de série único. Em uma linha automática, este número pode ser conectado a um sistema MES ou de rastreabilidade.

A fábrica pode então rastrear um módulo acabado de volta a informações como:

• Lote de células solares

• Dados de produção do stringer

• Imagens EL

• Estação de layup

• Receita do laminador

• Estação de emolduramento

• Resultado do teste I-V

• Resultado do teste de segurança

• Data e turno de produção

Os módulos acabados são classificados por classe de potência, empilhados com materiais de proteção e embalados para transporte.

A embalagem pode parecer um processo simples, mas empilhamento incorreto ou proteção insuficiente pode danificar módulos bons antes de chegarem ao local do projeto.

Semi-automática ou totalmente automática?

Uma fábrica de painéis solares nem sempre precisa de automação total.

Linhas semiautomáticas são frequentemente adequadas para projetos piloto, fabricantes regionais e fábricas com capacidade planejada menor. Operadores podem lidar manualmente com bussing, preparação de materiais, corte, instalação de caixa de junção e inspeção visual.

Linhas totalmente automáticas adicionam manuseio robótico, transportadores automáticos, sistemas de inspeção integrados, buffers de produção e rastreabilidade de dados. Elas proporcionam maior produtividade e controle de processo mais consistente, mas também exigem capacidade de manutenção mais forte e melhor gestão de produção.

O nível correto de automação depende de:

• Capacidade anual planejada

• Design do módulo

• Tecnologia de célula

• Investimento disponível

• Condições de mão de obra local

• Requisitos de qualidade do produto

• Planos de expansão futura

Não Escolha Cada Máquina Separadamente

A maior máquina nem sempre é a mais importante, e a máquina mais rápida não cria automaticamente a linha de produção mais rápida.

A capacidade deve ser equilibrada entre corte de células, stringing, layup, bussing, laminação, emolduramento, instalação de caixa de junção e teste final.

A fábrica também precisa de sistemas de suporte como:

• Transportadores automáticos

• Buffers de produção

• Compressores de ar

• Sistemas de vácuo

• Chillers

• Armazenamento de materiais

• Software MES e de rastreabilidade

• Espaço de manutenção

• Áreas de controle de qualidade

O design do módulo deve ser confirmado antes de selecionar o equipamento. Uma linha projetada para módulos PERC convencionais de célula inteira pode não ser adequada para meias-células TOPCon de grande formato, módulos HJT, células BC ou painéis pesados vidro-vidro sem trocar várias máquinas.

Um plano de fábrica realista deve, portanto, começar com a especificação do módulo alvo e a capacidade de produção anual. A lista final de máquinas vem depois disso.

Nossa visão é simples: uma fábrica solar confiável não é um monte de máquinas impressionantes, mas um sistema de produção equilibrado, e a Ooitech pode fornecer linhas de produção de painéis solares semiautomáticas e totalmente automáticas de 5 MW a 1,2 GW, projeto de layout de fábrica, instalação, treinamento, suporte de matéria-prima e serviço global pós-venda.