Uma célula solar fotovoltaica é um módulo fotovoltaico que funciona como um gerador elétrico de corrente contínua na presença de luz solar. Composto por um conjunto de células fotovoltaicas ligadas eletricamente entre si, funciona como módulo básico para instalações fotovoltaicas e em particular para centrais solares fotovoltaicas .
Qualquer ligação de painéis solares à rede elétrica requer um inversor e um contador separado ou comunicante em caso de revenda.
Os módulos são geralmente paralelepípedos retangulares rígidos e finos (alguns centímetros de espessura), cujo comprimento e largura são da ordem de um metro, para uma área da ordem de um metro quadrado, e uma massa da ordem de 20 kg . Vários elementos (conexões elétricas, fixações, possível estrutura para garantir uma vedação) estão incluídos. Existem também módulos em forma de membranas flexíveis e resistentes, bem como módulos de concentração , mais complexos, mas que exploram melhor o elemento mais caro do módulo, a célula fotovoltaica .
A eficiência energética de conversão de um módulo é inferior à proporcionada por todas as células que o constituem, devido às perdas elétricas internas e às superfícies descobertas. Atualmente está em torno de 20%.
A energia eléctrica é gerada em corrente contínua com tensão variável, o que implica um carregador adaptado para ligação a uma bateria , ou uma transformação em corrente alternada por inversor se se tratar de a injectar numa rede de distribuição . A tensão fornecida depende do tipo de módulos, da conexão das células e módulos, da energia solar disponível, da temperatura do módulo e da resistência elétrica aplicada pelo circuito (consulte Rastreador de ponto de potência máxima ). A tensão fornecida por um módulo é geralmente da ordem de 10 a 100 volts.
A energia efetivamente captada por um módulo depende da área de superfície e da potência nominal do painel, da quantidade de luz solar (variável dependendo da latitude , hora do dia, clima, máscara sofrida, etc. ), temperatura do módulo ( a produção é melhor na montanha porque lá é mais frio) e da resistência elétrica aplicada pelo circuito. Na Europa, cada Wc instalado permite a produção de cerca de 1 kWh de energia ao longo do ano, o dobro em zonas com muito sol e com heliostato .
Além de sua potência e sua superfície, um módulo fotovoltaico possui três características importantes:
O preço desses módulos estava em 2008 em torno de 3–4 € / Wp e está caindo continuamente. Em 2021, o preço de atacado (preço do módulo cristalino do mercado à vista da UE ) é inferior a € 0,35 / Wp .
Um módulo fotovoltaico não gera resíduos em operação, seu custo de desmontagem é muito baixo e seus custos operacionais são quase nulos. À prova d'água, pode ser utilizada como cobertura de telhado , desde que o fluxo de água nas bordas seja bem controlado com um conjunto adequado.
Os módulos à base de silício são atualmente os mais utilizados (mais de 90% do mercado), seguidos pelos à base de telureto de cádmio (usados principalmente em algumas grandes usinas solares fotovoltaicas ), sendo os outros tipos ainda, seja na pesquisa / fase de desenvolvimento, ou muito caro e reservado para utilizações onde o seu preço não é um obstáculo. Uma distinção é feita, dependendo das técnicas utilizadas:
o silício monocristalino as células fotovoltaicas são baseadas em cristais de silício encapsulados em um invólucro de plástico ou vidro. Eles têm um rendimento muito bom (12 a 20%), mas seu custo é relativamente alto; o silício policristalino as células são baseadas em policristais de silício, notavelmente mais baratos de fabricar que o silício monocristalino, mas que têm uma eficiência da ordem de 11 a 15% por um preço mais acessível; o silício amorfo as células são confeccionadas em silicone amorfo com forte poder energizante e apresentadas em bandas flexíveis que permitem uma perfeita integração arquitetônica. O rendimento é inferior ao dos painéis de silício cristalino. o telureto de cádmio as células são baseadas em finas camadas de telureto de cádmio colocadas sobre um suporte de vidro; eles são consideravelmente mais baratos de fabricar do que os feitos de silício, mas têm um rendimento (10 a 12%) inferior ao do silício monocristalino, mas superior ao do silício amorfo.A técnica está evoluindo rapidamente, sendo o preço do quilowatt-pico (kWp) mais importante do que a eficiência do painel: uma eficiência duas vezes menor significa apenas que será necessário equipar o dobro da superfície para coletar a mesma energia, o que não é irritante apenas se a superfície disponível for limitada em relação à potência necessária (em um satélite, por exemplo). Portanto, se uma nova técnica possibilitar a produção de painéis de baixo rendimento, mas de baixo custo, terá boas chances de prevalecer. No entanto, o rendimento continua a ser um componente do preço, mesmo que apenas por causa dos custos de manuseio e instalação, que são menores porque o módulo é pequeno e leve.
A análise de 172 instalações do programa pioneiro na Europa “1000 telhados alemães” mostrou produções de 0,43 a 0,875 kWh / Wp / ano com uma média de 0,68 kWh / Wp / ano . Outra análise da Agência Internacional de Energia (IEA) mostra valores típicos variando entre 0,7 kWh / Wp / ano na Alemanha e Holanda, 0,83 kWh / Wp na Suíça com uma dispersão considerável de 0, 4 a 0,95 kWh / Wp (Alemanha) e 0,5 a 1,4 kWh / Wp (Suíça).
Os valores médios do coeficiente de desempenho PR oscilam entre 0,7 e 0,75 mas a análise da Agência Internacional de Energia mostra que o PR pode variar consideravelmente de 0,25 a 0,9 com um valor médio de 0,72 .
O kWh / Wp produzido por um dispositivo fotovoltaico pode então ser expresso como o produto de três fatores independentes:
com
A partir daí, é possível estimar a produtividade elétrica anual. Os seguintes valores são indicativos e aproximados, pois este tipo de medição é muito sensível às condições e convenções adotadas: com ou sem heliostato , com ou sem as perdas do inversor, em média sobre uma região ou localidade. auspicioso, etc. em kWh / Wp / ano; aqui, o coeficiente de desempenho PR ( Performance Ratio ) adotado é de 0,75 e para uma superfície inclinada idealmente.
No entanto, os valores reais podem ser muito mais baixos.
As principais fontes de perda de energia são:
sombra parcial o ambiente de um módulo fotovoltaico pode incluir árvores, montanhas, paredes, edifícios, etc. Pode causar sombreamento no módulo, o que afeta diretamente a energia coletada. sombra total (poeira ou sujeira) sua deposição causa uma redução na corrente e tensão produzida pelo gerador fotovoltaico (~ 3-6%) dispersão de potência nominal os módulos fotovoltaicos resultantes do processo de fabricação industrial não são todos idênticos. Os fabricantes garantem desvios de 3% a 10% em torno da potência nominal. Na prática, o módulo solar fotovoltaico opera de acordo com o desempenho do pior painel: a potência nominal é, portanto, geralmente inferior à prescrita pelo fabricante. Perda de conexões a conexão entre módulos de potência ligeiramente diferente causa operação com potência ligeiramente reduzida. Eles aumentam com o número de módulos em série e em paralelo. (~ 3%) Perdas angulares ou espectrais os módulos fotovoltaicos são espectralmente seletivos, a variação do espectro solar afeta a corrente gerada por eles. As perdas angulares aumentam com o ângulo de incidência dos raios e com o grau de sujeira da superfície. Perdas de queda ôhmica As quedas ôhmicas são caracterizadas por quedas de tensão devido à passagem de corrente em um condutor de determinado material e seção. Essas perdas podem ser minimizadas com o dimensionamento correto desses parâmetros. Perdas relacionadas à temperatura Estima-se, portanto, que acima de 25 ° C , um aumento de 1 ° C resulta em uma diminuição na produção de 0,45%. De fato, de acordo com a explicação da Futura Sciences : “Quando os fótons passam pelas células fotovoltaicas, eles arrancam elétrons dos átomos de silício criando um“ buraco ”no material semicondutor. Um fator importante na eficiência de um painel solar é a velocidade com que os elétrons se recombinam com os buracos. Porém, essa taxa de recombinação é muito sensível à temperatura: quanto mais quente, maior é, o que diminui o rendimento ” . A temperatura de funcionamento dos módulos depende da irradiação solar incidente, da temperatura ambiente, da cor dos materiais e da velocidade do vento (5 a 14%) . Perdas devido à eficiência de conversão DC / AC do inversor O inversor pode ser caracterizado por uma curva de eficiência em função da potência operacional (~ 6%). Perdas monitorando o ponto de potência máxima o inversor possui um dispositivo eletrônico que calcula em tempo real o ponto máximo de operação da potência (3%). Perdas devido ao envelhecimento natural dos módulos Em média, um módulo outdoor perde menos de 1% de sua capacidade por ano (0,8% / ano em média e 0,5% / ano em valor mediano ).Em geral, os módulos fotovoltaicos não precisam de manutenção especial: constituídos por uma superfície particularmente plana e escorregadia (vidro), chuva, vento e inclinação são suficientes para mantê-los suficientemente limpos ao longo dos anos para perder apenas um mínimo de produção com o tempo, a menos que eles são nublados pela poeira produzida em grandes quantidades nas proximidades (fábricas de cimento, pedreiras, etc.). Portanto, após vários meses, a opacidade máxima é atingida. Os poucos% de perda de produção - provavelmente menos de 5% - são, portanto, aceitáveis. Quando os módulos são inseridos na moldura, o arquiteto pode, no entanto, prever as condições de manutenção, incluindo a limpeza.
Duas inovações recentes podem contribuir para a manutenção de grandes instalações com maior segurança para o pessoal e com menor risco de danificar os módulos:
Os módulos solares fotovoltaicos foram desenvolvidos pela primeira vez em uma ampla variedade de aplicações, não conectados à rede elétrica, seja porque não há rede disponível (satélites, mar, montanha, deserto, etc. ), ou porque a conexão seria muito cara em comparação com a energia necessária (balizas, parquímetro , abrigos de ônibus , telefone celular, etc. ); neste caso, são utilizados dispositivos elétricos adequados para corrente contínua fornecida pelos módulos. Muitos fabricantes também desenvolveram postes de luz solares que funcionam a partir de módulos fotovoltaicos, evitando ter que conectá-los à rede elétrica, se a quantidade de luz solar e a capacidade das baterias forem adequadas.
Para fornecer eletricidade a uma casa ou a uma rede pública de distribuição, é inserido um inversor que transforma a corrente contínua em corrente alternada adequada para dispositivos convencionais. Vários módulos estão integrados numa instalação solar associada a uma habitação ou numa central solar fotovoltaica que podem ser sistemas autónomos ou sistemas fotovoltaicos ligados à rede eléctrica.
Este tipo de aplicação só se torna lucrativo por subsídios massivos existentes em alguns estados, porque a energia assim produzida é geralmente muito mais cara do que a eletricidade nuclear ou a produzida a partir de hidrocarbonetos fósseis: a fonte solar é reconhecidamente gratuita, mas o investimento necessário é muito alto .
No entanto, um estudo de 2011 mostrou que, em condições favoráveis, os sistemas solares fotovoltaicos podem, em volume, produzir energia a um preço próximo de outras fontes tradicionais de energia.
Uma instalação fotovoltaica é antes de mais nada uma instalação elétrica obedecendo a rígidas normas que, na França, são publicadas pela União Técnica da Eletricidade (UTE). Podemos citar o padrão C15712-1 para instalações conectadas à rede e C15712-2 para instalações em locais isolados (com armazenamento de energia por bateria). Ao mesmo tempo, o padrão C15-100 permanece válido e aplicável em particular na parte AC. A peculiaridade de uma instalação fotovoltaica reside na existência de correntes diretas e alternadas, fontes de perigo que podem chegar de vários lugares. Como tal, recomenda-se uma vigilância acrescida na manutenção ou em caso de desastre que provoque a intervenção dos serviços de emergência.
Entre os fabricantes mais importantes de módulos solares, podemos citar em 2011: Centrosolar, Solon-Microsol e Q-Cells (Alemanha; em 2012, Q-Cells torna-se Hanwha Q-Cells após sua aquisição pelo conglomerado sul coreano Hanwha ), Sharp , Kyocera e Sanyo (Japão), Sunpower (Estados Unidos), Quantum Solar (Filipinas), First Solar ( Estados Unidos ) e muitos fabricantes chineses, incluindo: Suntech Power , JA Solar , Trina Solar e Upsolar.
Os cinco maiores fabricantes de células fotovoltaicas compartilham 60% do mercado mundial. São as empresas japonesas Sharp e Kyocera , as empresas anglo-americanas BP Solar e Astropower e o grupo italiano Kerself SpA. O Japão produz quase metade das células solares do mundo , Mas é na China que a grande maioria dos painéis é montada. Podemos citar também a Photowatt , empresa francesa com sede em Bourgoin-Jallieu ( Isère ), que emprega mais de 400 funcionários e que foi comprada em novembro de 2011 pela EDF ENR, bem como duas subsidiárias da Total , Sunpower e Tenesol , que possuem duas fábricas de fabricação de painéis solares na França .
O próprio Japão é um dos maiores consumidores de painéis solares, mas superado pela Alemanha .
O custo por quilowatt-hora produzido por equipamento solar, descontado ao longo da vida útil do equipamento, pode ser estimado a partir de três parâmetros:
Obtemos então uma fórmula bastante simples, pois uma instalação que teria custado 1 € / Wp e produzisse 1 kWh / ano / Wp teria então um custo base de 0,1 € / kWh , sendo o preço do quilowatt-hora proporcional. ao preço de compra (ou seja, triplo se a instalação custar 3 € / Wp ) e inversamente proporcional à produtividade (por exemplo, metade se a instalação produzir 2 kWh / Wp / ano , o dobro se produzir apenas 0,5 kWh / Wp / ano ) .
Preço de venda de eletricidade na FrançaNa França , o decreto de4 de março de 2011fixa "as condições de compra da eletricidade produzida pelas instalações que utilizam a energia radiante do sol". O preço (em c € / kWh sem IVA) é calculado a partir de várias variáveis. O artigo 2 apresenta as principais características do contrato de compra:
De acordo com o decreto de 4 de março de 2011, os preços de compra na França são reavaliados trimestralmente pela Comissão Reguladora de Energia (CRE) de acordo com a capacidade instalada no trimestre anterior. Por exemplo, o preço de compra de um quilowatt-hora fotovoltaico para particulares (potência inferior a 9 kWp), que era de 58 c € / kWh no final de 2010, caiu gradualmente até atingir 37 c € / kWh no segundo trimestre de 2012 e 34..15 c € / kWh no quarto trimestre de 2012, 29,1 c € / kWh no 4 º trimestre de 2013 e 25,8 c € / kWh para 3 º trimestre de 2015.
Um concurso para a construção e operação de instalações inovadoras de geração de energia solar foi publicado em 4 de abril de 2017. Trata-se, entre outras coisas, de tecnologias híbridas ou usinas agrivoltaicas . Para este concurso, o intervalo de preços é entre 50 e 200 € / MWh para o primeiro período. No entanto, a Comissão Reguladora de Energia considera que o preço-teto proposto, para o primeiro período, é excessivo face aos preços propostos nos editais de 2015 que também incluíram um critério de inovação.
Comparação do custo da eletricidade fotovoltaica com o de outras energiasSegundo a EPIA (Associação Europeia da Indústria Fotovoltaica), na latitude de Lyon , na França, um módulo solar devolve em dois anos e meio a energia necessária à sua fabricação.
Uma diretiva da União Europeia de 2012 exige que os resíduos de equipamentos elétricos e eletrônicos (WEEE) sejam reciclados quando desmontados. Os inversores foram afetados desde 2005 e uma alteração à diretiva foi adicionada (o13 de agosto de 2012) módulos fotovoltaicos na lista de produtos eletrônicos a serem reciclados no final da sua vida útil . Será traduzido na França com um pequeno atraso, por um decreto; este decreto será aplicado em duas etapas e imporá coleta gratuita, incentiva a reutilização e estabelece requisitos para a exportação de EEE usados.
Várias organizações na França estão preparando a reciclagem de painéis em fim de vida, incluindo:
A vida útil dos painéis é da ordem de 30 anos. O tempo de retorno de energia é difícil de avaliar, pois depende da quantidade de luz solar, da inclinação dos painéis, de sua temperatura, de sua orientação, etc. De acordo com os estudos disponíveis, "o tempo de recuperação de energia, [...] é de cerca de 3 anos" .
Os módulos fotovoltaicos contêm vários metais raros , cuja reciclagem deve ser amplamente desenvolvida:
Na União Europeia, desde 13 de agosto de 2012, qualquer painel solar fotovoltaico em fim de vida é legalmente um Resíduos de Equipamentos Elétricos e Eletrônicos (REEE), a ser gerenciado como tal.
Antes de traduzir esta obrigação para o direito francês, o Estado francês abriu uma consulta pública relativa a vários textos sobre REEE (incluindo painéis fotovoltaicos).
Um projeto europeu (Cabriss) promove a “reciclagem de loop” de painéis usados .
Em França, em 2017, estima-se que já foram instalados mais de 55.000 t de painéis fotovoltaicos (parte dos quais está a chegar ao fim da vida ), para uma potência total ligada em 2016 de 6,8 GW que poderá triplicar de 2016 a 2023 Foi assim criada uma eco-organização dedicada: PV Cycle France , homologada para a recolha e tratamento de painéis fotovoltaicos que chegaram ao fim da sua vida. Com a Triade Électronique (subsidiária da Veolia), criou na França em 2017 a primeira unidade de reciclagem de painéis fotovoltaicos em Rousset (Bouches-du-Rhône); 1.400 t de materiais como alumínio, cobre, vidro, prata, silício e plástico já devem ser recuperados de março a dezembro de 2017, por meio de moagem, micronização , peneiramento e triagem. A Veolia então prevê que a reciclagem aumentará 40% ao ano (mais de 4.000 toneladas esperadas de 2017 até o final de 2021). Anteriormente, os painéis a serem reciclados eram enviados (menos de 500 t / ano ) para a Malta belga.