Fotowoltaicznych ogniw słonecznych jest moduł fotowoltaiczny , który działa jako generator prądu w DC w obecności światła słonecznego. Złożony z zestawu ogniw fotowoltaicznych połączonych ze sobą elektrycznie , służy jako podstawowy moduł dla instalacji fotowoltaicznych aw szczególności fotowoltaicznych elektrowni słonecznych .
Każde podłączenie paneli słonecznych do sieci elektrycznej wymaga falownika i oddzielnego lub komunikującego się licznika na wypadek odsprzedaży.
Moduły są na ogół sztywnymi i cienkimi prostokątnymi równoległościanami (o grubości kilku centymetrów), których długość i szerokość są rzędu metra, dla powierzchni rzędu jednego metra kwadratowego i masy rzędu kilku centymetrów kwadratowych. 20 kg . W zestawie różne elementy (połączenia elektryczne, mocowania, ewentualna rama zapewniająca uszczelnienie). Istnieją również moduły w postaci elastycznych i wytrzymałych membran, a także moduły koncentracyjne , bardziej złożone, ale lepiej wykorzystujące najdroższy element modułu, jakim jest ogniwo fotowoltaiczne .
Sprawność przemiany energii modułu jest niższy niż określony przez wszystkie komórki, które tworzą się, ze względu na wewnętrzne straty elektryczne i odsłoniętych powierzchni. Obecnie wynosi około 20%.
Energia elektryczna jest wytwarzana jako zmienna napięcia prądu stałego, co oznacza ładowarkę przystosowaną do podłączenia do akumulatora lub przekształcenie w prąd przemienny przez falownik w przypadku wprowadzenia go do sieci dystrybucyjnej . Dostarczane napięcie zależy od typu modułów, podłączenia ogniw i modułów, dostępnej energii słonecznej, temperatury modułu i rezystancji elektrycznej zastosowanej przez obwód (patrz Śledzenie maksymalnego punktu mocy ). Napięcie dostarczane przez moduł jest zwykle rzędu 10 do 100 woltów.
Energia faktycznie zrobione przez moduł zależy od powierzchni i mocy znamionowej panelu, na wysokości słonecznych (zmienna w zależności od szerokości geograficznej , pory dnia, pogody, została poddana maskowanie, itd. ), Temperatury modułu (w górach produkcja jest lepsza, bo tam jest chłodniej) i oporu elektrycznego obwodu. W Europie każdy zainstalowany Wp pozwala na produkcję około 1 kWh energii w ciągu roku, dwukrotnie więcej na obszarach o dobrym nasłonecznieniu i heliostacie .
Oprócz mocy i powierzchni moduł fotowoltaiczny ma trzy ważne cechy:
Cena takich modułów kształtowała się w 2008 roku w granicach 3–4 € / Wp i systematycznie spada. W 2021 r. Cena hurtowa (cena modułu krystalicznego na rynku kasowym w UE ) jest niższa niż 0,35 EUR / Wp .
Moduł fotowoltaiczny nie generuje żadnych odpadów podczas pracy, jego koszt demontażu jest bardzo niski, a koszty eksploatacji są prawie zerowe. Wodoodporny, może służyć jako pokrycie dachu , pod warunkiem, że przepływ wody na krawędziach jest dobrze kontrolowany przy pomocy odpowiedniego montażu.
Obecnie najpowszechniej stosowane są moduły oparte na krzemie (ponad 90% rynku), za nimi plasują się moduły oparte na tellurku kadmu (stosowane głównie w niektórych dużych słonecznych elektrowniach fotowoltaicznych ), inne typy są nadal albo w fazie badań. fazy rozwoju lub zbyt drogie i zarezerwowane dla zastosowań, w których ich cena nie jest przeszkodą. W zależności od zastosowanych technik wyróżnia się :
monokrystaliczny krzem fotoogniwa są oparte na kryształach z krzemu obudowane w obudowie z tworzywa sztucznego lub szkła. Mają bardzo dobrą wydajność (12 do 20%), ale ich koszt jest stosunkowo wysoki; krzemu polikrystalicznego ogniwa są oparte na polikryształach krzemu, znacznie tańszych w produkcji niż krzem monokrystaliczny, ale które mają wydajność rzędu 11–15% za bardziej przystępną cenę; amorficzny krzem ogniwa są wykonane z amorficznego krzemu o silnej mocy energetyzującej i prezentowane w postaci elastycznych pasków, umożliwiających doskonałą integrację architektoniczną. Wydajność jest niższa niż w przypadku paneli z krzemu krystalicznego. tellurku kadmu ogniwa oparte są na cienkich warstwach tellurku kadmu umieszczonych na szklanym wsporniku; są znacznie tańsze w produkcji niż te wykonane z krzemu, ale mają wydajność (o 10 do 12%) niższą niż w przypadku krzemu monokrystalicznego, ale wyższą niż w przypadku krzemu bezpostaciowego.Technika ewoluuje szybko, cena kilowatogodzin (kWp) jest ważniejsza niż wydajność panelu: dwukrotnie niższa wydajność oznacza tylko, że konieczne będzie wyposażenie dwukrotnie większej powierzchni, aby zebrać tę samą energię, co nie „jest denerwujące tylko wtedy, gdy dostępna powierzchnia jest ograniczona w stosunku do wymaganej mocy (na przykład na satelicie). Dlatego, jeśli nowa technika umożliwi produkcję paneli o niskiej plastyczności, ale niedrogo, będzie miała duże szanse zwycięstwa. Jednak wydajność pozostaje składnikiem ceny, choćby ze względu na koszty obsługi i instalacji, które są tym mniejsze, ponieważ moduł jest mały i lekki.
Analiza 172 instalacji pionierskiego programu w Europie „1000 niemieckich dachów” wykazała produkcję od 0,43 do 0,875 kWh / Wp / rok przy średniej 0,68 kWh / Wp / rok . Inna analiza przeprowadzona przez Międzynarodową Agencję Energetyczną (IEA) pokazuje typowe wartości wahające się od 0,7 kWh / Wp / rok w Niemczech i Holandii do 0,83 kWh / Wp w Szwajcarii ze znacznym rozrzutem od 0, 4 do 0,95 kWh / Wp (Niemcy) i 0,5 do 1,4 kWh / Wp (Szwajcaria).
Średnie wartości współczynnika wydajności PR oscylują między 0,7 a 0,75, ale analiza Międzynarodowej Agencji Energii pokazuje, że PR może zmieniać się znacznie od 0,25 do 0,9 przy średniej wartości 0,72 .
Następnie kWh / Wp wyprodukowane przez urządzenie fotowoltaiczne można wyrazić jako iloczyn trzech niezależnych czynników:
z
Stamtąd można oszacować roczną produktywność elektryczną. Poniższe wartości są orientacyjne i przybliżone, ponieważ ten rodzaj pomiaru jest bardzo wrażliwy na przyjęte warunki i konwencje: z heliostatem lub bez, ze stratami falownika lub bez, średnio w regionie lub w określonej miejscowości. pomyślny itp. w kWh / Wp / rok; tutaj przyjęty współczynnik wydajności PR ( Performance Ratio ) wynosi 0,75 i dla optymalnie nachylonej powierzchni.
Jednak rzeczywiste wartości mogą być znacznie niższe.
Główne źródła strat energii to:
półcień otoczenie modułu fotowoltaicznego może obejmować drzewa, góry, ściany, budynki itp. Może to spowodować zacienienie modułu, co bezpośrednio wpływa na gromadzoną energię. całkowity odcień (kurz lub brud) ich osadzanie się powoduje zmniejszenie prądu i napięcia wytwarzanego przez generator fotowoltaiczny (~ 3-6%) nominalne rozproszenie mocy Nie wszystkie moduły fotowoltaiczne powstałe w wyniku przemysłowego procesu produkcyjnego są identyczne. Producenci gwarantują odchylenia od 3% do 10% wokół mocy nominalnej. W praktyce fotowoltaiczny moduł słoneczny działa zgodnie z wydajnością najgorszego panelu: w związku z tym moc znamionowa jest generalnie niższa niż zalecana przez producenta. Utrata połączeń połączenie pomiędzy modułami o nieco innej mocy powoduje pracę przy nieco zmniejszonej mocy. Zwiększają się wraz z liczbą modułów połączonych szeregowo i równolegle. (~ 3%) Straty kątowe lub widmowe moduły fotowoltaiczne są selektywne widmowo, zmienność widma słonecznego wpływa na generowany przez nie prąd. Straty kątowe rosną wraz z kątem natarcia szprych i stopniem zabrudzenia nawierzchni. Spadek omowej straty Spadki omowe charakteryzują się spadkami napięcia na skutek przepływu prądu w przewodniku z danego materiału i przekroju. Straty te można zminimalizować dzięki prawidłowemu wymiarowaniu tych parametrów. Straty związane z temperaturą Szacuje się zatem, że powyżej 25 ° C wzrost o 1 ° C powoduje spadek produkcji o 0,45%. Rzeczywiście, zgodnie z wyjaśnieniem Futura Sciences : „Kiedy fotony przechodzą przez ogniwa fotowoltaiczne, wyrywają elektrony z atomów krzemu, tworząc w ten sposób„ dziurę ”w materiale półprzewodnikowym. Ważnym czynnikiem wpływającym na wydajność panelu słonecznego jest prędkość, z jaką elektrony rekombinują się z otworami. Jednak ta szybkość rekombinacji jest bardzo wrażliwa na temperaturę: im jest wyższa, tym jest wyższa, co zmniejsza wydajność ” . Temperatura pracy modułów zależy od padającego nasłonecznienia, temperatury otoczenia, koloru materiałów i prędkości wiatru (5 do 14%) . Straty spowodowane wydajnością konwersji DC / AC falownika falownik można scharakteryzować za pomocą krzywej sprawności jako funkcji mocy roboczej (~ 6%). Straty poprzez monitorowanie maksymalnego punktu mocy falownik posiada elektroniczne urządzenie obliczające w czasie rzeczywistym maksymalny punkt pracy mocy (3%). Straty spowodowane naturalnym starzeniem się modułów Średnio moduł zewnętrzny traci mniej niż 1% swojej wydajności rocznie ( średnio 0,8% / rok i 0,5% / rok w medianie ).Ogólnie rzecz biorąc, moduły fotowoltaiczne nie wymagają specjalnej konserwacji: złożone z wyjątkowo płaskiej i śliskiej powierzchni (szkło), deszcz, wiatr i nachylenie są wystarczające, aby utrzymać je w wystarczającej czystości przez lata, aby z czasem stracić tylko minimum produkcji, chyba że są one zmętniałe przez pył wytwarzany w dużych ilościach w pobliżu (cementownie, kamieniołomy itp.). Tak więc po kilku miesiącach osiągane jest maksymalne krycie. Kilka% utraconej produkcji - prawdopodobnie mniej niż 5% - jest zatem akceptowalne. Po włożeniu modułów do ramy architekt może jednak przewidzieć warunki konserwacji, w tym czyszczenie.
Dwie ostatnie innowacje mogą przyczynić się do utrzymania dużych instalacji z większym bezpieczeństwem personelu i mniejszym ryzykiem uszkodzenia modułów:
Fotowoltaiczne moduły słoneczne zostały po raz pierwszy opracowane w wielu różnych zastosowaniach, które nie były podłączone do sieci elektrycznej, ponieważ nie ma dostępnej sieci (satelity, morze, góry, pustynia itp. ) Lub ponieważ połączenie byłoby zbyt drogie w porównaniu z wymagana moc (światła ostrzegawcze, parkometr , wiaty autobusowe , telefon komórkowy itp. ); w tym przypadku stosuje się urządzenia elektryczne przystosowane do prądu stałego dostarczanego przez moduły. Wielu producentów opracowało również słoneczne oświetlenie uliczne działające z modułów fotowoltaicznych, bez konieczności podłączania ich do sieci elektrycznej, jeśli nasłonecznienie i pojemność baterii są odpowiednie.
Aby dostarczyć energię elektryczną do domu lub publicznej sieci dystrybucyjnej, włożony jest falownik, który przekształca prąd stały w prąd przemienny odpowiedni dla konwencjonalnych urządzeń. Kilka modułów jest zintegrowanych w instalacji słonecznej związanej z domem lub w fotowoltaicznej elektrowni słonecznej, która może być samodzielnymi systemami lub systemami fotowoltaicznymi podłączonymi do sieci elektrycznej.
Ten rodzaj zastosowania jest opłacalny tylko dzięki ogromnym dotacjom istniejącym w niektórych stanach, ponieważ wytwarzana w ten sposób energia jest generalnie znacznie droższa niż energia jądrowa lub energia wytwarzana z węglowodorów kopalnych: źródło energii słonecznej jest wprawdzie darmowe, ale wymagane inwestycje są bardzo wysokie .
Jednak badanie z 2011 r. Wykazało, że w sprzyjających warunkach słoneczne systemy fotowoltaiczne mogą produkować masowo energię po cenie zbliżonej do ceny innych tradycyjnych źródeł energii.
Instalacja fotowoltaiczna to przede wszystkim instalacja elektryczna spełniająca surowe normy, które we Francji publikuje Technical Union of Electricity (UTE). Możemy przytoczyć normę C15712-1 dla instalacji podłączonych do sieci i C15712-2 dla instalacji w odizolowanych lokalizacjach (z magazynowaniem energii za pomocą baterii). Jednocześnie norma C15-100 pozostaje aktualna i ma zastosowanie w szczególności w części AC. Specyfika instalacji fotowoltaicznej polega na istnieniu prądów stałych i przemiennych, które są źródłami niebezpieczeństwa, które mogą przybywać z kilku miejsc. W związku z tym zaleca się zwiększoną czujność podczas konserwacji lub w przypadku katastrofy powodującej interwencję służb ratunkowych.
Wśród najważniejszych producentów modułów słonecznych w 2011 roku możemy wymienić: Centrosolar, Solon-Microsol i Q-Cells (Niemcy; w 2012 roku Q-Cells zmienia nazwę na Hanwha Q-Cells po przejęciu przez południowy konglomerat Korean Hanwha ), Sharp , Kyocera i Sanyo (Japonia), Sunpower (Stany Zjednoczone), Quantum Solar (Filipiny), First Solar ( Stany Zjednoczone ) oraz wielu chińskich producentów, w tym: Suntech Power , JA Solar , Trina Solar i Upsolar.
Pięciu największych producentów ogniw fotowoltaicznych ma 60% udział w światowym rynku. Są to japońskie firmy Sharp i Kyocera , anglo-amerykańskie BP Solar i Astropower oraz włoska grupa Kerself SpA. Japonia produkuje prawie połowa ogniw słonecznych na świecie , Ale jest w Chinach , że zdecydowana większość paneli są montowane. Możemy również przytoczyć Photowatt , francuską firmę z siedzibą w Bourgoin-Jallieu ( Isère ), zatrudniającą ponad 400 pracowników, która została kupiona w listopadzie 2011 roku przez EDF ENR, a także dwie spółki zależne Total , Sunpower i Tenesol , które mają dwa zakłady produkcji paneli słonecznych we Francji .
Japonia sama jest jednym z największych konsumentów paneli słonecznych, ale znacznie przekroczone przez Niemcy .
Koszt kilowatogodziny wytworzony przez sprzęt solarny, zdyskontowany w okresie użytkowania sprzętu, można oszacować na podstawie trzech parametrów:
Otrzymujemy wtedy dość prosty wzór, ponieważ instalacja, która kosztowałaby 1 € / Wp i produkowałaby 1 kWh / rok / Wp, miałaby wówczas koszt bazowy 0,1 € / kWh , przy czym cena kilowatogodziny byłaby wówczas proporcjonalna. po cenie zakupu (tj. trzykrotnie, jeśli koszt instalacji wynosi 3 € / Wp ) i odwrotnie proporcjonalnie do wydajności (na przykład połowa, jeśli instalacja wytwarza 2 kWh / Wp / rok , dwukrotnie, jeśli wytwarza tylko 0,5 kWh / Wp / rok ) .
Cena sprzedaży energii elektrycznej we FrancjiWe Francji dekret z dnia4 marca 2011 rustala „warunki zakupu energii elektrycznej wytwarzanej przez instalacje wykorzystujące energię promieniowania słonecznego”. Cena (w c € / kWh bez VAT) jest obliczana na podstawie kilku zmiennych. Artykuł 2 podaje główne cechy umowy kupna:
Zgodnie z dekretem z 4 marca 2011 rceny zakupu we Francji są co kwartał oceniane przez Komisję Regulacji Energetyki (CRE) na podstawie zainstalowanej mocy w poprzednim kwartale. Na przykład cena zakupu kilowatogodziny fotowoltaicznej dla osób fizycznych (moc poniżej 9 kWp), która na koniec 2010 r. Wynosiła 58 euro / kWh , stopniowo spadała do 37 centów euro / kWh w drugim kwartale 2010 r. 2012 i 34..15 c € / kWh w czwartym czwartej 2012 29,1 c € / kWh na 4 p czwarta 2013 i 25,8 c € / kWh do 3 p czwarta 2015.
Opublikowano zaproszenie do składania ofert na budowę i eksploatację innowacyjnych obiektów do wytwarzania energii słonecznej 4 kwietnia 2017. Dotyczy to m.in. technologii hybrydowych czy elektrowni rolniczych . W przypadku tego zaproszenia do składania ofert przedział cenowy wynosi od 50 do 200 EUR / MWh w pierwszym okresie. Jednak Komisja Regulacji Energii uważa, że cena proponowana sufit, w pierwszym okresie, jest nadmierna zważywszy na ceny zaproponowane w 2015 przetargów, które również zawarte kryterium innowacyjności.
Porównanie kosztów energii fotowoltaicznej z kosztami innych energiiWedług EPIA (Europejskiego Stowarzyszenia Przemysłu Fotowoltaicznego), we Francji, na szerokości geograficznej Lyonu , moduł słoneczny zwraca w ciągu dwóch i pół roku energię potrzebną do jego wytworzenia.
2012 dyrektywa Unii Europejskiej wymaga zużytego sprzętu elektrycznego i elektronicznego (WEEE) mają być poddane recyklingowi, kiedy rozebrano. Inwertery zostały dotknięte od 2005 roku i dodano poprawkę do dyrektywy (13 sierpnia 2012) moduły fotowoltaiczne na liście produktów elektronicznych do recyklingu po zakończeniu ich życia . Zostanie przetłumaczony we Francji z niewielkim opóźnieniem, dekretem; dekret ten będzie obowiązywał w dwóch etapach i będzie nakładał obowiązek bezpłatnej zbiórki, zachęcał do ponownego użycia i określał wymogi dotyczące eksportu używanego EEE.
Kilka organizacji we Francji przygotowuje recykling paneli wycofanych z eksploatacji, w tym:
Żywotność paneli wynosi około 30 lat. Czas zwrotu energii jest trudny do oszacowania, ponieważ zależy od ilości nasłonecznienia, nachylenia paneli, ich temperatury, orientacji itp. Według dostępnych badań „czas zwrotu energii [...] wynosi około 3 lat” .
Moduły fotowoltaiczne zawierają kilka metali rzadkich , których recykling powinien zostać szeroko rozwinięty:
W Unii Europejskiej od 13 sierpnia 2012 r. Każdy wycofany z eksploatacji panel fotowoltaiczny jest zgodnie z prawem zużytym sprzętem elektrycznym i elektronicznym (WEEE) i jako taki należy nim zarządzać.
Przed przetłumaczeniem tego obowiązku na prawo francuskie państwo francuskie rozpoczęło konsultacje społeczne dotyczące kilku tekstów dotyczących WEEE (w tym paneli fotowoltaicznych).
Europejski projekt (Cabriss) promuje „recykling w pętli” zużytych paneli .
Szacuje się, że we Francji w 2017 r. Zainstalowano już ponad 55 000 ton paneli fotowoltaicznych (z których część dobiega końca ), co daje łączną moc przyłączoną w 2016 r. 6,8 GW, która może się potroić w latach 2016-2023. W związku z tym utworzono dedykowaną eko-organizację : PV Cycle France , zatwierdzoną do zbierania i obróbki paneli fotowoltaicznych, których żywotność dobiegła końca. Wraz z Triade Électronique (spółką zależną Veolia) stworzył we Francji w 2017 r. Pierwszą jednostkę do recyklingu paneli fotowoltaicznych w Rousset (Bouches-du-Rhône); 1400 ton materiałów takich jak aluminium, miedź, szkło, srebro, krzem i tworzywa sztuczne powinno zostać odzyskane już od marca do grudnia 2017 r. Poprzez mielenie, mikronizację , przesiewanie i sortowanie. Veolia spodziewa się następnie, że recykling wzrośnie o 40% rocznie (oczekuje się, że ponad 4000 ton od 2017 r. Do końca 2021 r.). Wcześniej panele do recyklingu były wysyłane (mniej niż 500 t / rok ) na belgijską Maltę.