O celulă solară fotovoltaică este un modul fotovoltaic care funcționează ca un generator electric de curent continuu în prezența soarelui. Alcătuit dintr-un set de celule fotovoltaice conectate electric unele cu altele, servește ca modul de bază pentru instalațiile fotovoltaice și în special centralele solare fotovoltaice .
Orice conexiune a panourilor solare la rețeaua electrică necesită un invertor și un contor separat sau comunicant în caz de revânzare.
Modulele sunt în general paralelipipede rectangulare subțiri și rigide (cu câțiva centimetri grosime), a căror lungime și lățime sunt de ordinul unui metru, pentru o suprafață de ordinul unui metru pătrat și o masă de ordinul 20 kg . Sunt incluse diverse elemente (conexiuni electrice, fixări, cadru posibil pentru a asigura o etanșare). Există, de asemenea, module sub formă de membrane flexibile și rezistente, precum și module de concentrare , mai complexe, dar exploatând mai bine elementul cel mai scump al modulului, celula fotovoltaică .
Eficiența energetică a conversiei unui modul este mai mică decât cea furnizată de toate celulele care îl constituie, din cauza pierderilor electrice interne și a suprafețelor descoperite. În prezent, este în jur de 20%.
Puterea electrică este generată sub formă de curent continuu cu tensiune variabilă, ceea ce implică un încărcător adaptat pentru o conexiune la o baterie sau o transformare în curent alternativ de către un invertor dacă este vorba de injectarea acestuia într-o rețea de distribuție . Tensiunea livrată depinde de tipul de module, conectarea celulelor și a modulelor, puterea solară disponibilă, temperatura modulului și rezistența electrică aplicată de circuit ( a se vedea Maximum power point tracker ). Tensiunea livrată de un modul este de obicei de ordinul a 10 până la 100 de volți.
Energia de fapt captat de un modul depinde de suprafața și puterea nominală a panoului, pe cantitatea de lumină solară (variabilă în funcție de latitudine , momentul zilei, vreme, mascare suferită, etc. ), temperatura modulului ( producția este mai bună la munte, deoarece este mai frig acolo) și a rezistenței electrice aplicate de circuit. În Europa, fiecare Wp instalat permite producerea a aproximativ 1 kWh de energie pe parcursul anului, dublu față de cel din zonele cu soare bun și cu un heliostat .
Pe lângă puterea și suprafața sa, un modul fotovoltaic are trei caracteristici importante:
Prețul pentru astfel de module a fost în 2008 de aproximativ 3-4 euro / Wp și scade constant. În 2021, prețul cu ridicata (prețul modulului cristalin al pieței spot UE ) este mai mic de 0,35 EUR / Wp .
Un modul fotovoltaic nu generează deșeuri în funcționare, costul său de demontare este foarte mic și costurile sale de funcționare sunt aproape zero. Impermeabil, poate fi folosit ca acoperire pentru un acoperiș , cu condiția ca fluxul de apă la margini să fie bine controlat cu un ansamblu adecvat.
Modulele pe bază de siliciu sunt în prezent cele mai utilizate (peste 90% din piață), urmate de cele pe bază de telurură de cadmiu (utilizate în principal în anumite centrale solare mari fotovoltaice ), celelalte tipuri fiind încă, fie în faza de cercetare / dezvoltare , fie prea scumpe și rezervate pentru utilizări în care prețul lor nu este un obstacol. Se face o distincție, în funcție de tehnicile utilizate:
siliciu monocristalin celulele fotovoltaice se bazează pe cristale de siliciu încapsulate într-o carcasă din plastic sau sticlă. Au un randament foarte bun (12-20%), dar costul lor este relativ ridicat; siliciu policristalin celulele se bazează pe policristale de siliciu, în special mai puțin costisitoare de fabricat decât siliciu monocristalin, dar care au o eficiență de ordinul 11-15% pentru un preț mai accesibil; siliciu amorf celulele sunt realizate cu siliciu amorf cu o puternică putere energizantă și prezentate în benzi flexibile care permit o integrare arhitecturală perfectă. Randamentul este mai mic decât cel al panourilor de siliciu cristaline. cadmiu - telur celulele se bazează pe straturi subțiri de telurură de cadmiu plasate pe un suport de sticlă; sunt considerabil mai puțin costisitoare de fabricat decât cele din siliciu, dar au un randament (10-12%) mai mic decât cel al siliciului monocristalin, dar mai mare decât cel al siliciului amorf.Tehnica evoluează rapid, prețul kilowatt-vârfului (kWp) fiind mai important decât eficiența panoului: o eficiență de două ori mai mică înseamnă doar că va fi necesar să se echipeze de două ori mai multă suprafață pentru a colecta aceeași energie, care nu este „enervant doar dacă suprafața disponibilă este limitată în raport cu puterea necesară (de exemplu, pe un satelit). Prin urmare, dacă o nouă tehnică face posibilă producerea de panouri cu randament redus, dar ieftin, va avea șanse mari să predomine. Cu toate acestea, randamentul rămâne o componentă a prețului, chiar și din cauza costurilor de manipulare și instalare, care sunt cu atât mai mici cu cât modulul este mic și ușor.
Analiza a 172 de instalații ale programului pionier în Europa „1000 de acoperișuri germane” a arătat producții de la 0,43 la 0,875 kWh / Wp / an cu o medie de 0,68 kWh / Wp / an . O altă analiză efectuată de Agenția Internațională pentru Energie (IEA) arată valori tipice variind între 0,7 kWh / Wp / an în Germania și Olanda, 0,83 kWh / Wp în Elveția, cu o dispersie considerabilă de 0, 4 până la 0,95 kWh / Wp (Germania) și 0,5 până la 1,4 kWh / Wp (Elveția).
Valorile medii ale coeficientului de performanță PR oscilează între 0,7 și 0,75, dar analiza Agenției Internaționale pentru Energie arată că PR poate varia considerabil de la 0,25 la 0,9 cu o valoare medie de 0,72 .
KWh / Wp produs de un dispozitiv fotovoltaic poate fi apoi exprimat ca produsul a trei factori independenți:
cu
De acolo, este posibil să se estimeze o productivitate electrică anuală. Următoarele valori sunt orientative și aproximative, deoarece acest tip de măsurare este foarte sensibil la condițiile și convențiile adoptate: cu sau fără heliostat , cu sau fără pierderile invertorului, în medie pe o regiune sau o anumită localitate. de bun augur etc. în kWh / Wp / an; aici coeficientul de performanță PR ( Performance Ratio ) adoptat este de 0,75 și pentru o suprafață înclinată optim.
Cu toate acestea, valorile reale pot fi mult mai mici.
Principalele surse de pierdere de energie sunt:
umbra parțială mediul unui modul fotovoltaic poate include copaci, munți, pereți, clădiri etc. Poate provoca umbrirea modulului care afectează direct energia colectată. umbră totală (praf sau murdărie) depunerea lor determină o reducere a curentului și a tensiunii produse de generatorul fotovoltaic (~ 3-6%) dispersia puterii nominale modulele fotovoltaice rezultate din procesul de fabricație industrială nu sunt toate identice. Producătorii garantează abateri de la 3% la 10% în jurul puterii nominale. În practică, modulul solar fotovoltaic funcționează în funcție de performanța celui mai prost panou: puterea nominală este, prin urmare, în general mai mică decât cea prescrisă de producător. Pierderea conexiunilor conexiunea dintre module cu putere ușor diferită determină funcționarea la o putere ușor redusă. Acestea cresc cu numărul de module în serie și în paralel. (~ 3%) Pierderi unghiulare sau spectrale modulele fotovoltaice sunt selective spectral, variația spectrului solar afectează curentul generat de acestea. Pierderile unghiulare cresc odată cu unghiul de incidență al spițelor și gradul de murdărie al suprafeței. Pierderi de cadere ohmice picăturile ohmice se caracterizează prin căderi de tensiune datorate trecerii curentului într-un conductor din material și secțiune date. Aceste pierderi pot fi reduse la minimum cu dimensionarea corectă a acestor parametri. Pierderi legate de temperatură Se estimează astfel că peste 25 ° C , o creștere de 1 ° C are ca rezultat o scădere a producției de 0,45%. Într-adevăr, conform explicației Futura Sciences : „Când fotonii trec prin celulele fotovoltaice, ei rup electronii din atomii de siliciu creând astfel o„ gaură ”în materialul semiconductor. Un factor important în eficiența unui panou solar este viteza cu care electronii se recombină cu găurile. Cu toate acestea, această rată de recombinare este foarte sensibilă la temperatură: cu cât este mai fierbinte, cu atât este mai mare, ceea ce scade randamentul ” . Temperatura de funcționare a modulelor depinde de iradierea solară incidentă, de temperatura ambiantă, de culoarea materialelor și de viteza vântului (5-14%) . Pierderi datorate eficienței de conversie DC / AC a invertorului Invertorul poate fi caracterizat printr-o curbă de eficiență în funcție de puterea de funcționare (~ 6%). Pierderi prin monitorizarea punctului maxim de putere invertorul are un dispozitiv electronic care calculează în timp real puterea maximă de funcționare (3%). Pierderi datorate îmbătrânirii naturale a modulelor În medie, un modul exterior pierde mai puțin de 1% din capacitatea sa pe an (0,8% / an în medie și 0,5% / an în valoare mediană ).În general, modulele fotovoltaice nu necesită o întreținere specială: formate dintr-o suprafață deosebit de plană și alunecoasă (sticlă), ploaia, vântul și înclinația sunt suficiente pentru a le menține suficient de curate de-a lungul anilor pentru a pierde doar un minim de producție în timp, cu excepția cazului în care sunt înnorate de praful produs în cantități mari în apropiere (fabrici de ciment, carieră etc.). Deci, după câteva luni, se atinge opacitatea maximă. Câteva% din producția pierdută - probabil mai puțin de 5% - sunt, prin urmare, acceptabile. Când modulele sunt introduse în cadru, arhitectul poate prevedea totuși condițiile de întreținere, inclusiv curățarea.
Două inovații recente pot contribui la întreținerea instalațiilor mari, cu o siguranță mai mare pentru personal și cu un risc mai mic de deteriorare a modulelor:
Modulele solare fotovoltaice au fost dezvoltate pentru prima dată într-o mare varietate de aplicații, care nu sunt conectate la rețeaua electrică, fie pentru că nu există o rețea disponibilă (sateliți, mare, munte, deșert etc. ), fie pentru că conexiunea ar fi prea costisitoare în comparație cu puterea necesară (balize, parcometru , adăposturi pentru autobuze , telefon mobil etc. ); în acest caz, se utilizează dispozitive electrice adecvate curentului continuu furnizat de module. Mulți producători au dezvoltat, de asemenea , faruri solare care funcționează din module fotovoltaice, evitând nevoia de a le conecta la rețeaua electrică, dacă cantitatea de soare și capacitatea bateriilor sunt adecvate.
Pentru a furniza energie electrică unei case sau unei rețele publice de distribuție, este introdus un invertor care transformă curentul continuu în curent alternativ adecvat pentru dispozitivele convenționale. Mai multe module sunt integrate într-o instalație solară asociată unei case sau într-o centrală solară fotovoltaică care poate fi fie sisteme independente, fie sisteme fotovoltaice conectate la rețeaua electrică.
Acest tip de aplicație este rentabil doar prin subvenții masive existente în anumite state, deoarece energia astfel produsă este în general mult mai scumpă decât energia electrică nucleară sau cea produsă din hidrocarburi fosile: sursa solară este, desigur, gratuită, dar investiția necesară este foarte mare .
Cu toate acestea, un studiu din 2011 a arătat că, în condiții favorabile, sistemele solare fotovoltaice pot, în volum, să producă energie la un preț apropiat de cel al altor surse tradiționale de energie.
O instalație fotovoltaică este mai presus de toate o instalație electrică care respectă standarde stricte care, în Franța, sunt publicate de Uniunea Tehnică a Electricității (UTE). Putem cita standardul C15712-1 pentru instalațiile conectate la rețea și C15712-2 pentru instalațiile pe site-uri izolate (cu stocare de energie prin baterie). În același timp, standardul C15-100 rămâne valabil și se aplică în special pe partea de curent alternativ. Particularitatea unei instalații fotovoltaice constă în existența curenților direcți și alternativi, surse de pericol care pot ajunge din mai multe locuri. Ca atare, se recomandă o vigilență sporită la întreținere sau în cazul unui dezastru care provoacă intervenția serviciilor de urgență.
Printre cei mai importanți producători de module solare, putem cita în 2011: Centrosolar, Solon-Microsol și Q-Cells (Germania; în 2012, Q-Cells devine Hanwha Q-Cells după preluarea de către conglomeratul sudic coreean Hanwha ), Sharp , Kyocera și Sanyo (Japonia), Sunpower (Statele Unite), Quantum Solar (Filipine), First Solar ( Statele Unite ) și mulți producători chinezi, inclusiv: Suntech Power , JA Solar , Trina Solar și Upsolar.
Cei mai mari cinci producători de celule fotovoltaice au 60% din piața mondială. Acestea sunt companiile japoneze Sharp și Kyocera , companiile anglo-americane BP Solar și Astropower și grupul italian Kerself SpA. Japonia produce aproape jumatate celule solare din lume , Dar este în China , că marea majoritate a panourilor sunt asamblate. Putem cita, de asemenea , Photowatt , o companie franceză cu sediul în Bourgoin-Jallieu ( Isère ), care are peste 400 de angajați și care a fost cumpărată în noiembrie 2011 de EDF ENR, precum și două filiale ale Total , Sunpower și Tenesol , care au două fabrici de fabricare a panourilor solare în Franța .
Japonia este ea însăși unul dintre cei mai mari consumatori de panouri solare, dar mult depășite de Germania .
Costul pe kilowatt-oră produs de echipamentele solare, redus pe durata de viață a echipamentului, poate fi estimat din trei parametri:
Apoi obținem o formulă destul de simplă, deoarece o instalație care ar fi costat 1 € / Wp și ar produce 1 kWh / an / Wp ar avea apoi un cost de bază de 0,1 € / kWh , prețul kilowatt-orei fiind apoi proporțional. la prețul de achiziție (adică triplu dacă costul instalării este de 3 € / Wp ) și invers proporțional cu productivitatea (de exemplu, jumătate dacă instalația produce 2 kWh / Wp / an , dublu dacă produce doar 0,5 kWh / Wp / an ) .
Prețul de vânzare a energiei electrice în FranțaÎn Franța , decretul de4 martie 2011fixează „condițiile de cumpărare a energiei electrice produse de instalațiile care utilizează energia radiantă a soarelui”. Prețul (în c € / kWh fără TVA) este calculat din mai multe variabile. Articolul 2 prezintă principalele caracteristici ale contractului de cumpărare:
În conformitate cu decretul din 4 martie 2011, prețurile de cumpărare din Franța sunt reevaluate în fiecare trimestru de către Comisia de reglementare a energiei (CRE) în funcție de capacitatea instalată în trimestrul anterior. De exemplu, prețul de achiziție al unui kilowatt-oră fotovoltaic pentru persoane fizice (putere mai mică de 9 kWp), care era de 58 c € / kWh la sfârșitul anului 2010, a scăzut treptat până la 37 c € / kWh în al doilea trimestru al anului 2012 și 34..15 c € / kWh în al patrulea trimestru al anului 2012, 29.1 c € / kWh în 4 - lea trimestru al anului 2013 și 25,8 c € / kWh până la 3 mii trimestru 2015.
A fost publicată o cerere de oferte pentru construcția și funcționarea instalațiilor inovatoare de generare a energiei solare 4 aprilie 2017. Se referă, printre altele, la tehnologii hibride sau centrale electrice agrivoltaice . Pentru această cerere de oferte, gama de prețuri este cuprinsă între 50 și 200 € / MWh pentru prima perioadă. Cu toate acestea, Comisia de reglementare a energiei consideră că prețul plafon propus, pentru prima perioadă, este excesiv, având în vedere prețurile propuse în cererile de oferte din 2015 care includeau și un criteriu de inovare.
Compararea costului electricității fotovoltaice cu cel al altor energiiPotrivit EPIA (Asociația Europeană a Industriei Fotovoltaice), sub latitudinea Lyon , în Franța, un modul solar returnează în doi ani și jumătate energia necesară pentru fabricarea sa.
O directivă a Uniunii Europene din 2012 impune reciclarea deșeurilor de echipamente electrice și electronice (DEEE) atunci când sunt demontate. Invertoarele au fost afectate din 2005 și s-a adăugat o modificare la directivă (13 august 2012) module fotovoltaice pe lista produselor electronice care urmează să fie reciclate la sfârșitul vieții lor . Acesta va fi tradus în Franța cu o mică întârziere, printr-un decret; acest decret se va aplica în două etape și va impune colectarea gratuită, va încuraja refolosirea și va stabili cerințe pentru exportul EEE uzat.
Mai multe organizații din Franța pregătesc reciclarea panourilor la sfârșitul vieții, inclusiv:
Durata de viață a panourilor este de aproximativ 30 de ani. Timpul de returnare a energiei este dificil de evaluat, deoarece depinde de cantitatea de soare, de înclinația panourilor, de temperatura acestora, de orientarea lor etc. Conform studiilor disponibile, „timpul de recuperare a energiei, [...] este de aproximativ 3 ani” .
Modulele fotovoltaice conțin mai multe metale rare , a căror reciclare ar trebui dezvoltată pe scară largă:
În Uniunea Europeană, începând cu 13 august 2012, orice panou solar fotovoltaic la sfârșitul ciclului de viață este legal un deșeu de echipamente electrice și electronice (DEEE), care trebuie gestionat ca atare.
Înainte de a transpune această obligație în legislația franceză, statul francez a deschis o consultare publică referitoare la mai multe texte despre DEEE (inclusiv panouri fotovoltaice).
Un proiect european (Cabriss) promovează „reciclarea în buclă” a panourilor uzate .
În Franța, în 2017, se estimează că peste 55.000 t de panouri fotovoltaice au fost deja instalate (din care o parte ajunge la sfârșitul vieții lor ), pentru o putere totală conectată în 2016 de 6,8 GW, care ar putea tripla din 2016 până în 2023 . Un dedicat eco-organizație , prin urmare , a fost creată: PV Cycle Franța , aprobat pentru a colecta și trata panouri fotovoltaice , care au ajuns la sfârșitul vieții lor. Cu Triade Électronique (o filială a Veolia), a creat în Franța în 2017 ceea ce este prima unitate de reciclare a panourilor fotovoltaice din Rousset (Bouches-du-Rhône); 1.400 t de materiale precum aluminiu, cupru, sticlă, argint, siliciu și plastic ar trebui deja recuperate din martie până în decembrie 2017, prin măcinare, micronizare , screening și sortare. Veolia prevede apoi că reciclarea va crește cu 40% pe an (peste 4.000 de tone sunt așteptate din 2017 până la sfârșitul anului 2021). Anterior, panourile care urmau să fie reciclate erau trimise (mai puțin de 500 t / an ) către Malta belgiană.