Un panou solar este un dispozitiv care transformă o parte din radiația solară în energie termică sau electrică , folosind respectiv colectoare solare termice sau fotovoltaice .
Există trei tipuri de panouri solare:
În toate cele trei cazuri, panourile sunt de obicei plane, cu o suprafață limitată la aproximativ 1 m 2 pentru a facilita și optimiza instalarea. Panourile solare sunt componentele de bază ale majorității instalațiilor de colectare a energiei solare .
Rentabilitatea a investițiilor depinde de mai mulți parametri.
De senzori termici sunt rentabile în regiuni foarte însorite, chiar și în latitudini înalte ( în nordul Franței, Belgia, Canada, etc. ) .
Cele Panourile solare sunt mai profitabile în regiuni foarte însorite, deși căldura afectează negativ performanțele senzorilor. Acest lucru explică entuziasmul țărilor din sudul Europei (Italia, Portugalia etc. ), atât mari consumatori, cât și mari producători potențiali, pentru instalarea unor centrale electrice mari .
Eficiența panourilor solare fotovoltaice este definită ca partea radiației solare transformată în electricitate. Acesta variază de la 6 la 8% pentru panourile de siliciu amorf și ajunge la 46% pentru cele mai eficiente celule obținute în laborator. Media se ridică în prezent la 14,5%.
Green Building géonef independent de arhitectul american Mike Reynolds , în Anglia .
Instalație fotovoltaică integrată în clădire , în Germania .
Heliotrop , din Freiburg im Breisgau, în Germania.
Casă ecologică la situl Biosferei de pe Île Sainte-Hélène , Quebec .
Refugiul Montan al Parcului Național Aigüestortes și Lacul Sf. Maurice , Pirinei .
Potențialul energiei solare este astfel încât energia emisă de soare și primită de Pământ în aproximativ o oră, dacă ar fi complet recuperată, ar satisface nevoile de energie ale umanității timp de un an. În teorie, un pătrat de panouri solare cu o latură de 344 km (120.000 km 2 ) ar putea acoperi toate necesitățile mondiale de energie electrică, eficiența unei instalații fotovoltaice fiind estimată între 15 și 17% (în 2007 în Europa) , adică 160 kWh / an / m 2 (sau 160 GWh / an / km 2 ) cu nevoi globale estimate la 19.000 TWh în 2006). În cazul Europei celor douăzeci și șapte , care consumă 3.000 TWh pe an, ar fi necesară o suprafață de 137 km pe latură (adică 19.000 km 2 ), în timp ce în cazul Franței (500 TWh ), ar trebui să ajungă la 56 km lateral (3.100 km 2 ).
Central Solar THEMIS al EDF , Pyrenees-Orientales .
Parcul central fotovoltaic Colle des Mées , Alpes-de-Haute-Provence .
Centrală solară , Maroc .
Reproducerea în Saxonia Inferioară , Germania .
Centrala solară Nellis , 72.000 de panouri de 14 MW , Nevada , Statele Unite .
Proiectul centralei solare orbitale , NASA .
Mașină solară Mercedes-Benz Alpha Real 1985 , Muzeul Mercedes-Benz Stuttgart .
Mașină solară BMW Lovos , Muzeul BMW 2009 din München .
Mașini solare , World Solar Challenge , Texas Motor Speedway , 2009.
Barcă solară PlanetSolar în Miami , Florida .
Avion solar elvețian Solar Impulse , Payerne , 2014.
Telescop spațial Hubble , 1990.
Stația Spațială Internațională , 2011.
Sonda spațială Mars Pathfinder , 1997.
Panourile solare pot fi înclinate până la 60 de grade pentru a permite alunecarea zăpezii. În plus, suprafața fierbinte a colectorului solar este suficientă pentru a topi grămezile care ar putea rămâne lipite de panou.
Din ecuația timpului, ziua anului și latitudinea locației colectorului solar, este posibil să se calculeze cota și azimutul soarelui, folosind trigonometria sferică . Odată cunoscute cota și azimutul, este posibil să se calculeze unghiul de incidență al soarelui pe colectorul cu ecran plat.
Sunteți:
și azimutul soarelui și al colecționarului și al înălțimii soarelui și colectorului.El vine :
unde este unghiul de incidență.
Există două tipuri principale de panouri solare termice: „colectoare de apă” și sisteme aerotermale („colectoare de aer” și sisteme parietodinamice mai mult sau mai puțin pasive ).
Senzori termici „de apă” Apa, sau mai des un lichid de răcire cu aditivi, circulă într-un circuit închis în tuburi. O suprafață mată numită absorbant , uneori pur și simplu vopsită în negru, este încălzită de radiația solară și transmite căldură lichidului de răcire. Pentru a obține o performanță mai bună, tuburile pot fi sub vid, adică au două straturi între care se face un vid, ceea ce face posibilă obținerea unui efect de seră . Panourile solare termice pot fi, de asemenea, reduse la o suprafață vitrată simplă sub care circulă lichidul de transfer de căldură. Colectoarele solare de apă sunt de obicei utilizate pentru a produce apă caldă menajeră (ACM) într-un încălzitor individual de apă solară (CESI). În prezent, este cea mai simplă și mai profitabilă soluție pentru utilizarea energiei solare . Sistemele solare combinate (SSC) adaugă sistemul anterior la o instalație de încălzire a clădirii sau alimentează direct o pardoseală încălzită . Solare de încălzire sisteme sunt încep să se dezvolte . Aceste sisteme permit economii de aproximativ 350 kWh pe an și pe m 2 de colectoare. Senzori termici „aer” În loc de apă, aerul circulă și se încălzește la contactul cu absorbantele sau într-un efect de seră . Aerul astfel încălzit este apoi ventilat în habitate, în general pentru încălzire și uneori pentru utilizări industriale sau agricole (uscarea produselor).În Franța, „Planul Soleil”, lansat în 2000 de Agenția pentru Managementul Mediului și Energiei (ADEME) pentru a promova încălzitoarele solare de apă și producția de căldură, încurajează indivizii să se echipeze cu energie solară datorită ajutorului de stimulare din partea statului, regiunilor, departamente și anumite grupuri municipale.
Tracker solar / Heliostat pentru case private .
Colector solar Solar Decathlon din California .
Colector solar termic tubular.
Panou solar termic fabricat manual.
Panourile solare fotovoltaice grupează celule fotovoltaice conectate împreună în serie și în paralel.
Pot fi instalate pe suporturi fixe de la sol sau pe sisteme mobile de urmărire solară numite trackere . În acest din urmă caz, producția de energie electrică crește cu aproximativ 30% comparativ cu o instalație fixă. În afară de centralele solare, instalațiile fixe sunt în prezent mai degrabă pe acoperișurile locuințelor sau clădirilor, fie integrate în acoperiș, fie plasate deasupra. În unele cazuri, panourile verticale sunt instalate pe fațada clădirii. Această înclinație nu este optimă pentru producerea de energie electrică; în Franța, poziția fixă optimă este o înclinare de 30 ° față de orizontală sau 60 ° dacă obiectivul este de a maximiza producția de energie electrică în timpul iernii. Cu toate acestea, deoarece aceste panouri înlocuiesc placarea fațadelor, economiile făcute pe placare compensează cel puțin parțial o producție mai mică.
Diferite tehnologii fotovoltaice coexistă:
Producția globală de panouri este împărțită în principal între China (Republica Populară Chineză și Taiwan), Germania, Japonia și Statele Unite. Este vorba în principal de asamblare (încapsulare, control electronic, instalarea cadrului, carcasă de protecție ...) deoarece în 2010 aproximativ 50% din producția mondială de celule fotovoltaice provine din China și 80% din Asia. Astăzi , Marile mărci internaționale își produc modulele în Asia și realizează uneori un pas de transformare a produsului, în timp ce alte companii mari pur și simplu își subcontractează producția .
Odată fabricate și desfășurate, celulele fotovoltaice asamblate în module nu emit dioxid de carbon (CO 2) sau alte gaze cu efect de seră . Cu toate acestea, fabricarea lor consumă energie întrupată sub formă de electricitate, iar sfârșitul vieții lor produce deșeuri.
În 2003, o analiză a ciclului de viață al dioxidului de carbon a arătat că, pe o viață de douăzeci de ani, emisia de CO 2per kilowatt-oră electrică produsă de un panou fotovoltaic reprezintă, în funcție de tipul luat în considerare, de la 7 la 37% din emisiile pe kilowatt-oră produse de o centrală termică convențională. În 2004, Departamentul de Energie al Statelor Unite a estimat că un panou durează patru ani pentru a produce o cantitate de energie echivalentă cu cea consumată la fabricarea sa.
Fabricare: consum de energie electricăUn modul este compus din una sau mai multe celule mono / poli-cristaline înfășurate pe ambele părți în straturi subțiri de acetat de etilen vinil (EVA). Întregul se sprijină pe un suport din plastic (în fluorură de polivinil , PVF) sau în polietilenă , PET). Mai jos, un cadru din aluminiu cu o joncțiune de cupru conectează electric celulele. Deasupra, un strat de sticlă protejează celulele.
Într-un modul, 74% din masă constă din sticlă, aluminiu reprezintă 10% și diferiți polimeri 6,5%. Alte materiale pot fi găsite, cum ar fi zinc, plumb sau cupru, cantitățile lor rămânând totuși scăzute (mai puțin de 1% din masa modulului). Celula fotovoltaică singură (mono sau poli-cristalină) reprezintă doar 3% din masa totală a modulului.
Acestea sunt celulele care consumă cel mai mult consum de energie, iar majoritatea producătorilor fotovoltaici produc în general doar pe acestea din urmă. Restul componentelor sunt apoi subcontractate altor producători, de exemplu pentru sticla de protecție, cadrul din aluminiu, ale cărui procese de fabricație sunt mai vechi, mai dezvoltate și, prin urmare, mai bine optimizate decât procesele de fabricație recente.
Fabricarea celulelor necesită siliciu foarte pur, după o primă purificare printr-un cuptor cu arc electric (EAF). Siliciul este apoi 98-99,5% pur (siliciu metalurgic sau siliciu de calitate metalurgică ). Numai acest proces consumă aproximativ 150 kWh / kg de siliciu.
O a doua purificare este necesară pentru a obține așa-numitul siliciu „solar” (sau siliciu de calitate metalurgică îmbunătățit , cu un nivel de puritate de 99,999 3 % sau așa-numitul siliciu electronic (EGS, cu o puritate de 99,999 999 99 % ). În cele trei etape a doua purificare este producerea silanului , urmată de distilarea fracționată și, în final, de separare. Consumul de energie electrică este de 115-120 kWh / kg pentru siliciu solar și 350 kWh / kg pentru siliciu electronic.
Astfel, suma energiei necesare, de la purificarea siliciului până la tăierea acestuia în napolitane, este de 1000 kWh / kg de siliciu pentru celulele mono-cristaline și 700 kWh / kg de siliciu pentru celulele poli-cristaline. Celulele monocristaline sunt mai eficiente, dar necesită mai multă energie în timpul fabricării lor ( cristalizarea într-o structură mono-cristalină fiind mai complexă decât într-o structură poli-cristalină ).
Prin urmare, producția de celule consumă multă energie. Amprenta de carbon a acestei producții depinde de natura sursei sau amestecului electric folosit. În prezent, predominant asiatic, ar putea astfel să scadă cu 40% recurgând la hidroenergie sau mixuri europene .
Potrivit Agenției pentru Managementul Mediului și Energiei (ADEME), fabricarea unui panou fotovoltaic instalat în Franța este însoțită de emisia, în medie, de 56 de grame de CO 2pentru producerea unui kilowatt-oră (cu 30% incertitudine). Această valoare depinde de locul în care este instalat panoul; variază de la 35 la 85 g de CO 2pe kilowatt-oră de la sud la nord de țară și în funcție de tehnologia utilizată. Emisiile de CO 2PV solare sunt superioare celor mai multe alte surse de energie cu emisii reduse de carbon; de exemplu, turbinele eoliene de pe uscat emit 10 g CO 2pe kilowatt-oră produsă și energia nucleară franceză 6 g . Pe de altă parte, acestea sunt mult mai mici decât cele asociate cu utilizarea combustibililor fosili; de fapt, gazele naturale emit aproximativ 443 g CO 2pe kilowatt-oră produs și cărbune între 960 și 1050 g .
Emisiile secundare, cum ar fi cele cauzate de transportul materialelor pe distanțe mari, reprezintă doar între 0,1 și 1% din emisiile totale.
Fabricare: deșeuri și toxicitateImpactul producției de panouri solare asupra mediului nu provine doar din energia întruchipată necesară producției lor, ci și din deșeurile datorate multitudinii de materiale utilizate în timpul tratamentelor lor chimice: are loc rafinarea siliceului . substanțele chimice potențial periculoase cum ar fi silanul și dopajul cu siliciu se realizează cu gaze care conțin cantități mici de diboran și fosfină diluate. Aceste gaze sunt extrem de inflamabile. Dacă nu reprezintă un pericol în perioadele normale, pot afecta grav sănătatea lucrătorilor din fabrică în caz de accident sau scurgeri. Silica și praful de silan pot provoca în plus boli de inhalare, cum ar fi silicoza
În prezent, cercetarea își propune să reducă sau să refolosească aceste materiale, așa cum este susținut de Agenția pentru Managementul Mediului și Energiei : „Etapa de purificare a siliciului, realizată în principal prin mijloace chimice, implică în special„ subiectul cercetării pentru a-l înlocui cu procese fizice cu impact redus asupra mediului . Alte acțiuni vizează recuperarea siliciului prezent în nămolul de tăiere după operația de fabricare a napolitanilor sau chiar reciclarea băilor chimice utilizate în anumite tehnologii cu film subțire. "
ReciclareaMajoritatea componentelor dintr-un modul solar (până la 95% din unele materiale semiconductoare), toate din sticlă și cantități mari de metale feroase și neferoase pot fi recuperate și reciclate.
Unele companii private și organizații non-profit, cum ar fi PV CYCLE (s) din Uniunea Europeană, instalează sisteme de colectare și reciclare a panourilor fotovoltaice la sfârșitul ciclului de viață . Din 2010, o conferință anuală reunește producători, reciclatori și cercetători pentru a examina viitorul reciclării panourilor fotovoltaice.
În Franța, de la sfârșit august 2014, în cadrul responsabilității extinse a producătorului , producătorii, importatorii și revânzătorii sunt obligați să ia înapoi, pe lângă deșeurile menajere convenționale (DEEE), panourile fotovoltaice uzate, gratuit și fără obligația de a cumpăra. Aceste companii au obligația de a finanța și colecta tratarea acestor noi deșeuri, fără o perioadă de tranziție, ceea ce duce la o participare ecologică la fiecare nou colector fotovoltaic vândut. Cu toate acestea, în 2010-2014, mai multe sondaje și Uniunea Europeană au estimat că două treimi din deșeurile de această natură nu ajung niciodată la centre de reprocesare aprobate, ci ajung în depozitele de deșeuri sau în străinătate. Noile obiective privind rata de colectare sunt, din 2016, 45% din greutatea echipamentelor vândute în ultimii trei ani (această rată va fi majorată la 65% în 2019). Acest text este, de asemenea, mai restrictiv în ceea ce privește transporturile de DEEE în străinătate.
Două dintre cele mai comune soluții de reciclare sunt:
Module bazate pe siliciu Ramele din aluminiu și cutiile de joncțiune sunt demontate manual la începutul procesului. Modulul este apoi zdrobit. Diferitele fracții care rezultă din acest proces sunt metale feroase și neferoase, sticlă și plastic, cu o cotă medie de reciclare de aproape 80% (greutate de intrare). De exemplu, sticla din panourile fotovoltaice este amestecată cu sticla standard pentru a fi reintrodusă în sectorul fibrei de sticlă sau al izolației. Acest proces poate fi realizat de reciclatorii de sticlă plană, deoarece morfologia și compoziția unui modul PV este similară cu cea a sticlei plate utilizate în industria construcțiilor și a automobilelor. Panouri fotovoltaice fără siliciu Au fost dezvoltate tehnologii specifice reciclării panourilor fotovoltaice fără siliciu. Unii folosesc o baie chimică pentru a delamina și separa diferitele componente ale panourilor fotovoltaice. Pentru panourile de telurură de cadmiu , procesul de reciclare începe cu zdrobirea panoului, rezultând separarea ulterioară a diferitelor fracțiuni. Acest proces face posibilă recuperarea a până la 90% din sticlă și 95% din materialele semiconductoare. În anii 2010, mai multe instalații de reciclare au fost create de companii private .Bateriile trebuie, de asemenea, reciclate: deși multe instalații fotovoltaice sunt conectate la rețeaua electrică , unele funcționează autonom. Energia produsă în timpul zilei este stocată în baterii speciale (care se descarcă mai treptat și rezistă mai bine la descărcări adânci frecvente, cu un regulator instalat între baterie și modul) și uneori în baterii similare cu cele ale mașinilor. O baterie are o durată de viață de patru până la cinci ani ( șapte până la cincisprezece ani pentru anumite modele recente ) și conține metale și produse prețioase și / sau toxice (de obicei plumb și acid). Pentru un panou fotovoltaic care poate dura 25 de ani, va fi necesară reciclarea de două până la șase ori baterii (cu tehnologiile actuale ).
Datorită progresului tehnic, panourile solare de nouă generație sunt mai estetice. Acest lucru se datorează îmbunătățirilor în gestionarea termică a modulelor, precum și avansării celulelor monocristaline , care permit producerea de panouri netede într-un albastru închis, care se amestecă bine cu acoperișurile. Noile tehnologii fără siliciu, cum ar fi plăcile solare, vor permite în curând panouri solare transparente.
Din 2012 până în 2018, China s-a impus ca lider mondial. În 2018, 70% din modulele fotovoltaice au fost produse acolo, uneori cu până la 25% mai ieftine decât în Franța, conform Enerplan (reprezentând companiile solare franceze). Din 2012, a fost, de asemenea, cel mai mare investitor mondial în energii regenerabile , dar nu are încă o infrastructură adecvată pentru conectarea tuturor parcurilor solare planificate, ceea ce a determinat producătorii chinezi să vândă mai multe panouri în străinătate. Ca răspuns, la începutul anului 2018, Statele Unite au introdus o creștere a tarifelor la panourile chineze.
În Uniunea Europeană , în 2017, energia solară a atins 3% din consumul total de energie electrică, dar, în fața concurenței chineze, Europa a riscat să piardă aproximativ 30.000 de locuri de muncă, ceea ce a împins-o să aplice un antidumping de 11,8% în lunaIunie 2013, apoi cu 47,6% două luni mai târziu, pe panourile importate din China. Europa acuză China în special de subvenționarea excesivă a companiilor producătoare de panouri solare, ceea ce îi permite să vândă panouri solare în Europa la un preț mai mic decât costul lor de producție și a extins aceste măsuri până în august 2018 pentru a-și proteja industria solară. În 2017, Comisia Europeană a inițiat o reducere treptată a acestor măsuri pe parcursul a optsprezece luni, în ciuda protestelor din partea federației de producători „EU Prosun” conform căreia o sută de producători au dat faliment în fața concurenței chineze, care, de altfel, s-a adaptat prin construirea de fabrici în Turcia sau Cehia și prin cumpărarea de companii europene cu, de exemplu, achiziționarea în 2016 a olandezului Solland Power de către chineza Trina Solar (lider mondial). Potrivit federației SolarPower Europe, care reprezintă parcurile fotovoltaice, aceste parcuri vor continua totuși să se dezvolte în Europa.