Quais Máquinas São Usadas para Fazer Painéis Solares?

Entre numa fábrica de painéis solares e não verá uma única máquina gigante a transformar matérias-primas em painéis acabados. O que realmente verá é uma linha de produção conectada, com cada máquina a tratar de uma parte específica do trabalho: cortar células, soldá-las em strings, organizar as strings, laminar o módulo, instalar a moldura e, por fim, testar o painel acabado.

Parece bastante simples no papel. Na produção real, cada processo afeta o seguinte. Um pequeno erro de posicionamento durante o layup pode tornar-se uma bolha ou um defeito de alinhamento após a laminação. Uma solda fraca pode parecer bem ao olho humano, mas aparecer como uma área escura durante a inspeção EL.

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

Antes de analisar 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 húmidos, fornos de difusão, sistemas PECVD ou ALD, serigrafias, fornos de queima e outras máquinas especializadas.

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

1. Máquina de Teste e Classificação de Células Solares

As células solares do mesmo lote de produção nem sempre são eletricamente idênticas. A sua corrente, tensão e potência máxima podem variar ligeiramente. Se células com características elétricas significativamente diferentes forem conectadas na mesma string, a célula com pior desempenho pode limitar a produção 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 agrupa então as células com desempenho semelhante.

Algumas linhas de produção também usam inspeção ótica automática ou inspeção EL ao nível da célula para identificar lascas nas bordas, fissuras ocultas, contaminação e áreas eletricamente inativas antes de as células entrarem no processo de stringing.

Pode parecer um passo pequeno, mas uma classificação precisa ajuda a reduzir a incompatibilidade elétrica e melhora a consistência dos módulos acabados.

2. Máquina de Corte a Laser de Células Solares

A maioria dos módulos solares modernos usa células meio-cortadas. Módulos shingled e outros designs especiais podem usar secções de células ainda menores. Nestes casos, as células solares de tamanho completo devem ser divididas antes do stringing.

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.

São usados dois métodos de corte comuns:

• Riscagem a laser convencional seguida de quebra mecânica

• Corte a laser não destrutivo, concebido para reduzir o stress mecânico e térmico

O corte não destrutivo está a tornar-se mais importante à medida que as células se tornam mais finas e maiores. As microfissuras criadas durante o corte podem expandir-se durante o stringing, a laminação, o transporte ou a operação ao ar livre a longo prazo.

Se uma fábrica produz apenas módulos de células completas, uma máquina de corte a laser pode não ser necessária. Para a produção de módulos meio-cortados e shingled, no entanto, é uma parte central da linha.

3. Máquina Tabber Stringer

O tabber stringer é frequentemente considerado o coração de uma linha de produção de painéis solares.

A sua principal função é soldar a fita fotovoltaica às células individuais e conectar as células em série para formar strings de células. As máquinas modernas geralmente combinam tanto o tabbing como o stringing num único processo automático.

Um tabber stringer normalmente trata de:

• Carregamento e separação de células

• Posicionamento de células

• Alimentação de fita

• Aplicação de fluxo

• Soldadura

• Alinhamento de string

• Corte e descarga de string

• Inspeção por visão

O método de stringing correto depende da tecnologia da célula.

As células PERC e TOPCon podem geralmente ser processadas com stringers multi-busbar convencionais. As células HJT podem exigir soldadura a temperatura mais baixa, porque são mais sensíveis ao calor. As células BC, IBC, ABC e HPBC precisam de equipamento especializado de soldadura back-contact, porque os seus contactos positivos e negativos estão ambos localizados no lado traseiro.

A seleção do stringer deve, portanto, basear-se no tamanho da célula, design do busbar, tipo de fita, temperatura de soldadura e estrutura do módulo—não apenas no número anunciado de células por hora.

4. Inspeção EL de String Inline

A inspeção EL de string é geralmente uma função opcional integrada no tabber stringer, em vez de uma máquina completamente separada.

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

A inspeção EL inline verifica a string imediatamente após a soldadura. É aplicada uma corrente às células conectadas, e uma câmara sensível a infravermelhos captura a imagem de eletroluminescência. Fissuras, áreas desconectadas e más conexões elétricas aparecem como regiões escuras anormais.

Isto permite remover strings defeituosas antes do layup e da laminação, quando a reparação ou substituição ainda é relativamente fácil.

Um testador EL de string offline pode ainda ser usado para amostragem, reinspeção ou análise laboratorial, mas normalmente não é necessário como 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 às fábricas modernas de módulos é normalmente lavado e preparado pelo fabricante do vidro. Por este motivo, uma máquina de lavar vidro dedicada geralmente não é necessária numa linha de produção padrão de painéis solares.

Um carregador automático de vidro coloca o vidro preparado na transportadora. Antes de o EVA ou POE ser colocado, o vidro é verificado quanto a:

• Poeira e contaminação da superfície

• Riscos

• Danos nas bordas

• Lascas de vidro

• Defeitos de revestimento

• Dimensões incorretas

O vidro frontal forma a base da pilha do módulo, pelo que a sua posição deve permanecer estável durante os processos seguintes de colocação de materiais e de disposição das células.

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

Antes da disposição, 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 EVA

• Filme POE

• TPT ou outros backsheets

• Tiras de isolamento

• Materiais de isolamento de busbar

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 manuseamento devem, portanto, ser concebidos para o peso adicional e a diferente estrutura do módulo.

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

7. Máquina de Disposição Automática

A máquina de disposição automática pega nas cadeias de células completas e posiciona-as sobre o vidro e o encapsulante.

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

O mau alinhamento é fácil de notar num painel acabado, mas a aparência não é a única preocupação. Posições incorretas das cadeias também podem afetar a encapsulação, a vedação das bordas e a fiabilidade do módulo a longo prazo.

Uma máquina de disposição automática normalmente utiliza:

• Robôs industriais ou sistemas de pórtico

• Garras de vácuo

• Câmaras de visão

• Correção automática de posição

• Controlos de espaçamento das cadeias

• Deteção da posição do vidro

Algumas linhas de produção utilizam uma máquina de disposição separada. Outras combinam o posicionamento das cadeias, a disposição e a ligação de busbar numa única unidade integrada.

8. Máquina de Bussing

Após as cadeias serem posicionadas, devem ser eletricamente conectadas com fita de busbar.

Uma máquina de bussing automática solda ou brasa os terminais das cadeias entre si de acordo com o design elétrico do módulo. Também pode dobrar, cortar e posicionar as fitas de busbar automaticamente.

Os módulos de meia célula requerem atenção especial porque as suas secções superior e inferior das células são geralmente conectadas em paralelo. O ponto de saída está normalmente localizado perto do meio do painel em vez de no topo.

O processo de bussing deve controlar:

• Posição da busbar

• Temperatura de soldadura ou brasagem

• Resistência da junta

• Forma da fita

• Espaçamento das cadeias

• Posição da fita de saída

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

Numa pequena linha semiautomática, o bussing pode ser concluído manualmente com ferramentas de soldadura e modelos de posicionamento. As fábricas de maior capacidade normalmente utilizam máquinas de bussing automáticas para melhor consistência e produtividade.

9. Testador EL Pré-Laminação e Inspeção Visual

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

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

• Células rachadas

• Cadeias desalinhadas

• Fitas em falta

• Conexões de bussing fracas

• Posições de saída incorretas

• Contaminação dentro do módulo

• Encapsulante enrugado ou deslocado

• Colocação incorreta do backsheet

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

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

10. Laminadora de Painéis Solares

A laminadora sela o vidro, o encapsulante, as células solares e o backsheet — ou vidro traseiro — numa única estrutura durável.

Dentro da laminadora, o vácuo remove o ar preso da pilha do módulo. O calor e a pressão curam então o EVA ou POE, ligando todas as camadas entre si.

A receita de laminação depende de:

• Tipo de encapsulante

• Tamanho do módulo

• Espessura do vidro

• Estrutura vidro-backsheet ou vidro-vidro

• Tecnologia das células

• Requisitos do fornecedor de materiais

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

A laminadora é frequentemente o processo principal mais lento da linha de produção. Uma fábrica pode, portanto, precisar de várias laminadoras a operar 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 conseguir processar os painéis na mesma velocidade.

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

11. Equipamentos de Corte de Bordas e Inspeção Pós-Laminação

Após a laminação, permanece EVA, POE ou backsheet em excesso ao redor das bordas do módulo. Esse material deve ser removido antes da moldura.

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

• Excesso de encapsulante

• Riscos

• Danos no vidro

• Movimentação das células

• Deslocamento das strings

• Contaminação dentro do laminado

Unidades automáticas de inversão facilitam a inspeção de ambos os lados do módulo sem depender de levantamento manual.

12. Colagem de Moldura e Máquina de Enquadramento

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 a instalação.

A seção de enquadramento 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 enquadramento pneumática ou hidráulica

• Equipamento de puncionamento 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 estar esquadrejada, segura e devidamente vedada. Defeitos comuns de enquadramento incluem cantos soltos, selante insuficiente, selante em excesso, riscos e dimensões incorretas da moldura.

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

13. Máquinas de Instalação de Caixa de Junção

A caixa de junção coleta a saída elétrica do circuito das células 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 da fita de saída

• Soldagem automática de terminais

• Preenchimento com cola AB

• Potting

• Inspeção de cabos e conectores

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

O adesivo e o material de potting devem receber tempo de cura suficiente antes do teste final e da embalagem.

14. Testador EL Final

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

Esse teste é necessário porque novas microfissuras podem ser introduzidas durante a laminação, o corte de bordas, o enquadramento ou o manuseio de materiais.

A imagem EL final pode revelar:

• Microfissuras nas células

• Células quebradas

• Dedos desconectados

• Soldas ruins

• Barras coletoras quebradas

• Áreas eletricamente inativas

• Interrupções nas strings

Software automático de análise 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 produção.

O simulador solar deve ter correspondência espectral, uniformidade de luz e estabilidade adequadas. 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. Equipamentos 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

• Testador de resistência de isolamento

• Testador de continuidade de aterramento

• Testador de corrente de fuga

O teste hi-pot aplica alta tensão entre o circuito elétrico interno e a estrutura do módulo para verificar a integridade do isolamento.

O teste de continuidade de terra mede a conexão elétrica entre a estrutura de alumínio e seus pontos de aterramento. Os testes de isolamento verificam 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

Depois que o painel passa 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, esse número pode ser conectado a um sistema MES ou de rastreabilidade.

A fábrica pode então rastrear um módulo acabado até informações como:

• Lote de células solares

• Dados de produção do stringer

• Imagens de EL

• Estação de layup

• Receita do laminador

• Estação de enquadramento

• 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 o empilhamento incorreto ou a proteção insuficiente podem danificar bons módulos antes que cheguem ao local do projeto.

Semiautomática 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. Os operadores podem realizar bussing, preparação de materiais, corte, instalação de caixa de junção e inspeção visual manualmente.

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 maior capacidade de manutenção e melhor gestão de produção.

O nível correto de automação depende de:

• Capacidade anual planejada

• Design do módulo

• Tecnologia das células

• 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, enquadramento, instalação de caixa de junção e testes finais.

A fábrica também precisa de sistemas de apoio 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 alterar várias máquinas.

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

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