Et solcellepanel er en enhet som konverterer en del av solstrålingen til termisk eller elektrisk energi ved bruk av henholdsvis termiske eller solcelleanlegg .
Det er tre typer solcellepaneler:
I alle tre tilfeller er panelene vanligvis flate, med et område begrenset til ca. 1 m 2 for å forenkle og optimalisere installasjonen. Solcellepaneler er de grunnleggende komponentene i de fleste installasjoner for innsamling av solenergi .
Den lønnsomheten av investeringene avhenger av flere parametere.
De termiske sensorene er kostnadseffektive i veldig solrike områder, selv i høye breddegrader (Nord-Frankrike, Belgia, Canada, etc. ) .
De solcellepaneler er mer lønnsomme i meget solrike områder, selv om den varme negativ innvirkning på ytelsen til sensorene. Dette forklarer entusiasmen til landene i Sør-Europa (Italia, Portugal osv. ), Både store forbrukere og store potensielle produsenter, for installasjon av store kraftverk .
Effektiviteten til solcelleanlegg er definert som den delen av solstrålingen transformert til elektrisitet. Det varierer fra 6 til 8% for amorfe silisiumpaneler og når 46% for de mest effektive cellene som oppnås i laboratoriet. Gjennomsnittet ligger for tiden på 14,5%.
Green Building géonef uavhengig av den amerikanske arkitekten Mike Reynolds , i England .
Heliotrop , fra Freiburg im Breisgau i Tyskland.
Økologisk hus på Biosphere- området på Île Sainte-Hélène , Quebec .
Mountain Refuge of Aigüestortes National Park and Lake St. Maurice , Pyrenees .
Potensialet til solenergi er slik at energien som sendes ut av solen og mottas av jorden på omtrent en time, hvis den er fullstendig gjenopprettet, vil møte menneskehetens energibehov i et år. I teorien kan et kvadrat med solcellepaneler med en side på 344 km (120 000 km 2 ) dekke alle verdens strømbehov, og effektiviteten til en solcelleanlegg anslås til mellom 15 og 17% (i 2007 i Europa) , dvs. 160 kWh / år / m 2 (eller 160 GWh / år / km 2 ) med globale behov beregnet til 19 000 TWh i 2006). Når det gjelder Europa av de tjuefem , som bruker 3000 TWh per år, vil et område på 137 km per side (dvs. 19 000 km 2 ) være nødvendig, mens det i Frankrike (500 TWh ) er skal nå 56 km sidelengs (3100 km 2 ).
Central Solar THEMIS of EDF , Pyrenees-Orientales .
Colle des Mées solcelleanleggspark , Alpes-de-Haute-Provence .
Solkraftverk , Marokko .
Avl i Niedersachsen , Tyskland .
Nellis Solar Power Plant , 72.000 14 MW paneler , Nevada , USA .
Orbital Solar Power Plant Project , NASA .
Mercedes-Benz Alpha Real 1985 solbil, Mercedes-Benz Museum Stuttgart .
Solar Car BMW Lovos , 2009 BMW Museum i München .
Solbiler , World Solar Challenge , Texas Motor Speedway , 2009.
Solar båt Plas , California .
Planet solenergi båt i Miami , Florida .
Sveitsisk solfly Solar Impulse , Payerne , 2014.
Hubble romteleskop , 1990.
Internasjonal romstasjon , 2011.
Mars Pathfinder romføler , 1997.
Solcellepaneler kan vippes opp til 60 grader for å la snøen gli. I tillegg er den varme overflaten på solfangeren tilstrekkelig til å smelte pelene som kan forbli klamret til panelet.
Fra tidsligningen, året på dagen og breddegraden til solfangeren, er det mulig å beregne solens høyde og azimut ved hjelp av sfærisk trigonometri . Når høyde og azimut er kjent, er det mulig å beregne innfallsvinkelen til solen på flatpanelsamleren.
Er:
og asimut av solen og kollektor, og og heving av solen og kollektoren.Han kommer :
hvor er innfallsvinkelen.
Det er to hovedtyper av termiske solcellepaneler: "vannsamlere" og aerotermiske systemer ("luftsamlere" og mer eller mindre passive parietodynamiske systemer ).
"Vann" termiske sensorer Vannet, eller oftere en kjølevæskevæske med tilsetningsstoffer, sirkulerer i en lukket krets i rør. En matt overflate kalt absorber , noen ganger bare malt svart, varmes opp av solstråling og overfører varme til kjølevæsken. For å oppnå bedre ytelse kan rørene være under vakuum, det vil si at de har to lag som det dannes vakuum mellom, noe som gjør det mulig å oppnå en drivhuseffekt . Solvarmepaneler kan også reduseres til en enkel glassert overflate der varmeoverføringsvæsken sirkulerer. Solvannssamlere brukes vanligvis til å produsere varmtvann fra husholdningsbruk i en individuell solvarmer (CESI). Det er for tiden den enkleste og mest lønnsomme løsningen for bruk av solenergi . Kombinerte solenergisystemer (SSC) tilsett det tidligere systemet til en bygning varmeinstallasjon eller direkte tilføre et oppvarmet gulv . Solvarmesystemer er i ferd med å utvikle . Disse systemene tillater besparelser på rundt 350 kWh per år og per m 2 samlere. "Air" termiske sensorer I stedet for vann sirkulerer luft og varmes opp ved kontakt med absorbere eller i drivhuseffekt . Den således oppvarmede luften ventileres deretter i habitatene, vanligvis for oppvarming og noen ganger for industriell eller landbruksbruk (tørking av produkter).I Frankrike, "Plan Soleil", lansert i 2000 av Environmental and Energy Management Agency (ADEME) for å fremme solvarmere og varmeproduksjon, oppfordrer enkeltpersoner til å utstyre solenergi takket være insentivhjelp fra staten, regioner, visse avdelinger og visse kommunegrupper.
Solar tracker / Heliostat for private hjem .
Solar Decathlon solfanger i California .
Rørformet solvarmesamler.
Solvarmesamler på grønt tak .
Håndlaget termisk solcellepanel.
Solcelleanlegg samler solceller som er koblet sammen i serie og parallelt.
De kan installeres på faste støtter på bakken eller på mobile solsporingssystemer kalt trackere . I sistnevnte tilfelle øker strømproduksjonen med rundt 30% sammenlignet med en fast installasjon. Bortsett fra solkraftverk, er faste installasjoner for tiden heller på takene til boliger eller bygninger, enten integrert i taket eller plassert over. I noen tilfeller installeres vertikale paneler på fasaden. Denne tilbøyeligheten er ikke optimal for produksjon av elektrisitet; I Frankrike er den optimale faste posisjonen en helning på 30 ° fra den horisontale, eller 60 ° hvis målet er å maksimere strømproduksjonen om vinteren. Men siden disse panelene erstatter fasadekledningen, kompenserer besparelsene på kledningen i det minste delvis for en lavere produksjon.
Ulike solcellerteknologier eksisterer sammen:
Global panelproduksjon er hovedsakelig delt mellom Kina (Folkerepublikken Kina og Taiwan), Tyskland, Japan og USA. Det handler hovedsakelig om montering (innkapsling, elektronisk kontroll, montering av rammen, beskyttelsesveske ...) fordi i 2010 kommer omtrent 50% av verdensproduksjonen av solceller fra Kina og 80% fra Asia. I dag Får de store internasjonale merkevarene produsert modulene i Asia, og noen ganger utfører de et transformasjonstrinn på produktet, mens andre store selskaper rett og slett underleveranderer sin produksjon .
Når de er produsert og distribuert, avgir ikke solceller samlet i moduler karbondioksid (CO 2) eller andre klimagasser . Imidlertid bruker produksjonen av dem legemliggjort energi i form av elektrisitet, og deres levetid produserer avfall.
I 2003 viste en livssyklusanalyse av karbondioksid at over en levetid på tjue år utslipp av CO 2pr. elektrisk kilowatt-time produsert av et solcelleanlegg representerer, avhengig av typen som er vurdert, fra 7 til 37% av utslippene per kilowatt-time produsert av et vanlig termisk kraftverk . I 2004 estimerte det amerikanske energidepartementet at et panel tar fire år å produsere en mengde energi som tilsvarer den som forbrukes ved produksjonen.
Produksjon: strømforbrukEn modul består av en eller flere mono / polykrystallinske celler innpakket på begge sider i tynne lag av etylenvinylacetat (EVA). Det hele hviler på en plastbærer (i polyvinylfluorid , PVF) eller i polyetylen , PET). Under kobler en aluminiumsramme med kobberkobling cellene elektrisk. På toppen beskytter et glasslag cellene.
I en modul består 74% av massen av glass, aluminium representerer 10% og de forskjellige polymerene 6,5%. Andre materialer kan finnes som sink, bly eller kobber, men mengdene forblir imidlertid lave (mindre enn 1% av modulens masse). Den fotovoltaiske cellen alene (mono eller poly-krystallinsk) representerer bare 3% av den totale massen til modulen.
Dette er de mest energiintensive cellene å produsere, og de fleste solcelleprodusenter produserer vanligvis bare sistnevnte. Resten av komponentene blir deretter gitt til andre produsenter, for eksempel for beskyttelsesglasset, aluminiumsrammen, hvis produksjonsprosesser er eldre, mer utviklede og derfor bedre optimalisert enn nyere produksjonsprosesser.
Produksjon av celler krever veldig rent silisium , etter en første rensing via en lysbueovn (EAF). Silisiumet er da 98-99,5% rent (metallurgisk silisium, eller silisium av metallurgisk kvalitet ). Denne prosessen alene bruker rundt 150 kWh / kg silisium.
En annen rensing er nødvendig for å oppnå et såkalt "sol" -silisium (eller oppgradert silisium av metallurgisk kvalitet , med et renhetsnivå på 99,999 3 % eller et såkalt elektronisk silisium (EGS, med en renhet på 99,999 999 99 % ). De tre trinnene den andre rensingen er produksjonen av silan , etterfulgt av brøkdestillasjon og til slutt separasjon. Strømforbruket er 115–120 kWh / kg for solsilisium og 350 kWh / kg for elektronisk silisium.
Dermed er summen av energien som kreves, fra rensing av silisium til kutting til wafere 1000 kWh / kg silisium for monokrystallinske celler og 700 kWh / kg silisium for poly-krystallinske celler. Monokrystallinske celler er mer effektive, men krever mer energi under fremstillingen ( krystallisering i en monokrystallinsk struktur er mer kompleks enn i en polykrystallinsk struktur ).
Celleproduksjon er derfor energikrevende. Den karbonavtrykk av denne produksjonen er avhengig av arten av kilden eller den elektriske anvendte blanding. For tiden overveiende asiatisk, kan det dermed reduseres med 40% ved å benytte vannkraft eller europeiske blandinger .
Ifølge Environmental and Energy Management Agency (ADEME) er produksjonen av et solcelleanlegg installert i Frankrike ledsaget av i gjennomsnitt 56 gram CO 2for produksjon av en kilowatt-time (med 30% usikkerhet). Denne verdien avhenger av stedet der panelet er installert; det varierer fra 35 til 85 g CO 2per kilowatt-time fra Sør til Nord i landet og avhengig av hvilken teknologi som brukes. CO 2 -utslippsolcelleanlegg er overlegne de fleste andre energikilder med lite karbon; for eksempel avgir vindmøller på land 10 g CO 2per produsert kilowatt-time og fransk kjernekraft 6 g . På den annen side er de mye lavere enn de som er knyttet til bruk av fossile brensler; faktisk avgir naturgass omtrent 443 g CO 2per produsert kilowatt-time og kull mellom 960 og 1050 g .
Sekundære utslipp, slik som de som skyldes transport av materialer over lange avstander, representerer bare mellom 0,1 og 1% av de totale utslippene.
Produksjon: avfall og giftighetVirkningen av produksjonen av solcellepaneler på miljøet kommer ikke bare fra den legemliggjorte energien som er nødvendig for produksjonen av dem, men også fra avfallet på grunn av mangfoldet av materialer som brukes under kjemisk behandling: raffinering av silika finner sted. Laget med potensielt farlige kjemikalier som silan, og silisiumdoping gjøres med gasser som inneholder små mengder fortynnet diboran og fosfin . Disse gassene er svært brannfarlige. Hvis de ikke utgjør en fare i normale tider, er de i stand til å skade fabrikkarbeidernes helse i tilfelle en ulykke eller lekkasjer. Silika og silanstøv kan i tillegg forårsake inhalasjonssykdommer som silikose
For tiden tar forskningen sikte på å redusere eller gjenbruke disse materialene, støttet av Miljø- og energiledelsebyrået : “Silisiumrensingstrinnet, hovedsakelig utført med kjemiske midler, involverer spesielt” gjenstand for forskning for å erstatte det med fysiske prosesser med lav miljøpåvirkning . Andre tiltak tar sikte på å gjenvinne silisiumet som er tilstede i sagslammet etter produksjonen av skiven, eller til og med å resirkulere de kjemiske badene som brukes i visse tynnfilmteknologier. "
GjenvinningDe fleste komponentene i en solmodul (opptil 95% av noen halvledermaterialer), alt glass og store mengder jernholdige og ikke-jernholdige metaller kan gjenvinnes og resirkuleres.
Noen private selskaper og non-profit organisasjoner, for eksempel PV CYCLE (es) i EU, setter opp innsamling og gjenvinning systemer for end-of-life fotovoltaiske paneler . Siden 2010 har en årlig konferanse samlet produsenter, gjenvinnere og forskere for å undersøke fremtiden for gjenvinning av solcellepaneler.
I Frankrike, siden slutten august 2014, innenfor rammen av utvidet produsentansvar , er produsenter, importører og forhandlere pålagt å ta tilbake, i tillegg til konvensjonelt husholdningsavfall (WEEE), brukte solcelleanlegg gratis og uten kjøpsplikt. Disse selskapene har en forpliktelse til å finansiere og samle opp behandlingen av dette nye avfallet, uten en overgangsperiode, noe som resulterer i miljødeltakelse på hver solgte solceller. I 2010-2014 estimerte flere undersøkelser og EU imidlertid at to tredjedeler av avfall av denne typen aldri når godkjente opparbeidingssentre, men havner på deponi eller i utlandet. De nye målene for innsamlingsraten er fra 2016 45% av vekten av utstyr som er solgt de tre foregående årene (denne satsen økes til 65% i 2019). Denne teksten er også mer restriktiv med hensyn til forsendelse av WEEE i utlandet.
To av de vanligste resirkuleringsløsningene er:
Silisiumbaserte moduler Aluminiumsrammer og koblingsbokser demonteres manuelt i begynnelsen av prosessen. Modulen knuses deretter. De forskjellige fraksjonene som følge av denne prosessen er jernholdige og ikke-jernholdige metaller, glass og plast med en gjennomsnittlig gjenvinningskvote nær 80% (inngangsvekt). For eksempel blandes glass fra solcellspaneler med standardglass for å bli introdusert i glassfiber- eller isolasjonssektoren. Denne prosessen kan utføres av flate glassgjenvinnere, siden morfologien og sammensetningen av en PV-modul ligner på flatglass som brukes i bygnings- og bilindustrien. Silisiumfrie fotovoltaiske paneler Spesifikke teknologier for resirkulering av silisiumfrie solcellspaneler er utviklet. Noen bruker et kjemisk bad for å delaminere og skille de forskjellige komponentene i solcellepaneler. For kadmium-telluridpaneler begynner resirkuleringsprosessen med knusing av panelet, noe som resulterer i påfølgende separasjon av de forskjellige fraksjonene. Denne prosessen gjør det mulig å gjenvinne opptil 90% av glasset og 95% av halvledermaterialene. På 2010-tallet ble flere gjenvinningsanlegg opprettet av private selskaper .Batteriene må også resirkuleres: selv om mange solcelleanlegg er koblet til strømnettet , fungerer noen selvstendig. Energien som produseres om dagen lagres i spesielle batterier (som tømmes mer gradvis og tåler hyppigere grunne utladninger bedre, med en regulator installert mellom batteriet og modulen) og noen ganger i batterier som ligner på biler. Et batteri har en levetid på fire til fem år ( syv til femten år for visse nyere modeller ) og inneholder edle og / eller giftige metaller og produkter (ofte bly og syre). For et solcelleanlegg som kan vare i 25 år, vil det være nødvendig å resirkulere to til seks ganger batterier (med dagens teknologi ).
Takket være teknisk fremgang er nye generasjons solcellepaneler mer estetiske. Dette skyldes forbedringer i termisk styring av modulene, samt fremdriften av monokrystallinske celler , som tillater produksjon av glatte paneler i mørk marineblå som passer godt sammen med tak. Ny silisiumfri teknologi, som solcellefliser, vil snart tillate gjennomsiktige solcellepaneler.
Fra 2012 til 2018 etablerte Kina seg som verdensledende. I 2018 ble 70% av solcellemodulene produsert der, noen ganger opptil 25% billigere enn i Frankrike ifølge Enerplan (som representerer franske solselskaper). Siden 2012 har det også vært verdens ledende investor i fornybar energi , men mangler fortsatt tilstrekkelig infrastruktur for å koble sammen alle de planlagte solparkene, noe som har fått kinesiske produsenter til å selge flere paneler i utlandet. Som svar, i begynnelsen av 2018, innførte USA en økning i tariffer på kinesiske paneler.
I EU nådde solenergi i 2017 3% av det totale strømforbruket, men i møte med kinesisk konkurranse risikerte Europa å miste rundt 30 000 arbeidsplasser, noe som presset det til å bruke en antidumping på 11,8% i månedenJuni 2013, deretter med 47,6% to måneder senere, på paneler importert fra Kina. Europa anklager Kina spesielt for å ha subsidiert selskaper som produserer solcellepaneler, noe som gjør det mulig å selge solcellepaneler i Europa til en pris som er lavere enn produksjonskostnadene, og har utvidet disse tiltakene til august 2018 for å beskytte sin solindustri. I 2017 initierte EU-kommisjonen en gradvis reduksjon av disse tiltakene over atten måneder, til tross for protester fra føderasjonen av produsenter "EU Prosun", ifølge hvilke hundre produsenter gikk konkurs i møte med kinesisk konkurranse, som dessuten har tilpasset seg ved å bygge fabrikker i Tyrkia eller Tsjekkia og ved å kjøpe europeiske selskaper med for eksempel kjøpet i 2016 av den nederlandske Solland Power av kinesiske Trina Solar (verdensledende). I følge SolarPower Europe-føderasjonen, som representerer solcelleparker, vil disse parkene likevel fortsette å utvikle seg i Europa.