Una célula solar fotovoltaica es un módulo fotovoltaico que funciona como generador eléctrico de CC en presencia de luz solar. Compuesto por un conjunto de células fotovoltaicas conectadas eléctricamente entre sí, sirve como módulo básico para instalaciones fotovoltaicas y en particular plantas solares fotovoltaicas .
Cualquier conexión de paneles solares a la red eléctrica requiere un inversor y un medidor separado o comunicante en caso de reventa.
Los módulos son generalmente paralelepípedos rectangulares rígidos y delgados (de algunos centímetros de espesor), cuya longitud y anchura son del orden de un metro, para un área del orden de un metro cuadrado, y una masa del orden de 20 kg . Se incluyen varios elementos (conexiones eléctricas, fijaciones, posible marco para asegurar una estanqueidad). También hay módulos en forma de membranas flexibles y resistentes, así como módulos de concentración , más complejos pero aprovechando mejor el elemento más caro del módulo, la célula fotovoltaica .
La eficiencia energética de conversión de un módulo es menor que la proporcionada por todas las celdas que lo constituyen, debido a las pérdidas eléctricas internas y las superficies descubiertas. Actualmente ronda el 20%.
La energía eléctrica se genera como una variable de voltaje en corriente continua, lo que implica un cargador adaptado para la conexión a una batería , o una transformación en corriente alterna por un inversor en el caso de inyectarla en una red de distribución . La tensión entregada depende del tipo de módulos, la conexión de las células y módulos, la potencia solar disponible, la temperatura del módulo y la resistencia eléctrica aplicada por el circuito (ver Seguidor del punto de máxima potencia ). El voltaje entregado por un módulo suele ser del orden de 10 a 100 voltios.
La energía realmente captada por un módulo depende de la superficie y la potencia nominal del panel, la cantidad de luz solar (variable en función de la latitud , hora del día, clima, enmascaramiento, etc. ), temperatura del módulo (producción es mejor en la montaña porque hace más frío allí) y de la resistencia eléctrica aplicada por el circuito. En Europa, cada Wc instalado permite producir alrededor de 1 kWh de energía durante el año, el doble que en zonas con mucho sol y con helióstato .
Además de su potencia y su superficie, un módulo fotovoltaico tiene tres características importantes:
El precio de estos módulos en 2008 rondaba los 3–4 € / Wp y está cayendo constantemente. En 2021, el precio al por mayor (precio del módulo cristalino del mercado spot de la UE ) es inferior a 0,35 € / Wp .
Un módulo fotovoltaico no genera residuos en funcionamiento, su coste de desmontaje es muy bajo y sus costes operativos son casi nulos. Resistente al agua, se puede utilizar como cubierta para un techo , siempre que el flujo de agua en los bordes esté bien controlado con un montaje adecuado.
Los módulos basados en silicio son actualmente los más utilizados (más del 90% del mercado), seguidos de los basados en telururo de cadmio (utilizados principalmente en determinadas grandes plantas solares fotovoltaicas ), estando los otros tipos todavía, ya sea en fase de investigación / desarrollo. , o demasiado caras y reservadas para usos donde su precio no es un obstáculo. Se hace una distinción, en función de las técnicas utilizadas:
el silicio monocristalino las células fotovoltaicas se basan en cristales de silicio encapsulados en una carcasa de plástico o vidrio. Tienen muy buen rendimiento (12 a 20%) pero su costo es relativamente alto; el silicio policristalino las células se basan en policristales de silicio, notablemente menos costosos de fabricar que el silicio monocristalino, pero que tienen una eficiencia del orden del 11 al 15% por un precio más accesible; el silicio amorfo las celdas están fabricadas con silicio amorfo con un fuerte poder energizante y presentadas en bandas flexibles que permiten una perfecta integración arquitectónica. El rendimiento es inferior al de los paneles de silicio cristalino. el telururo de cadmio las células se basan en finas capas de telururo de cadmio colocadas sobre un soporte de vidrio; son apreciablemente menos costosos de fabricar que los de silicio, pero tienen un rendimiento (10 a 12%) inferior al del silicio monocristalino, pero superior al del silicio amorfo.La técnica está evolucionando rápidamente, siendo más importante el precio del kilovatio-pico (kWp) que la eficiencia del panel: una eficiencia dos veces menor solo significa que será necesario equipar el doble de superficie para recolectar la misma energía, que no 'es molesto solo si la superficie disponible es limitada en relación con la potencia requerida (en un satélite, por ejemplo). Por lo tanto, si una nueva técnica permite producir paneles de bajo rendimiento, pero a bajo costo, tendrá muchas posibilidades de prevalecer. Sin embargo, el rendimiento sigue siendo un componente del precio, aunque solo sea por los costos de manipulación e instalación, que son aún menores dado que el módulo es pequeño y liviano.
El análisis de 172 instalaciones del programa pionero en Europa “1000 techos alemanes” arrojó producciones de 0,43 a 0,875 kWh / Wp / año con una media de 0,68 kWh / Wp / año . Otro análisis de la Agencia Internacional de Energía (IEA) muestra valores típicos que varían entre 0,7 kWh / Wp / año en Alemania y Holanda, 0,83 kWh / Wp en Suiza con una considerable dispersión de 0, 4 a 0,95 kWh / Wp (Alemania) y de 0,5 a 1,4 kWh / Wp (Suiza).
Los valores medios del coeficiente de rendimiento PR oscilan entre 0,7 y 0,75 pero el análisis de la Agencia Internacional de Energía muestra que el PR puede variar considerablemente de 0,25 a 0,9 con un valor medio de 0,72 .
Los kWh / Wp producidos por un dispositivo fotovoltaico se pueden expresar como el producto de tres factores independientes:
con
A partir de ahí, es posible estimar una productividad eléctrica anual. Los siguientes valores son indicativos y aproximados, porque este tipo de medida es muy sensible a las condiciones y convenciones adoptadas: con o sin helióstato , con o sin pérdidas del inversor, en promedio sobre una región o localidad en particular. auspicioso, etc. en kWh / Wp / año; aquí el coeficiente de rendimiento PR ( Performance Ratio ) adoptado es 0,75 y para una superficie óptimamente inclinada.
Sin embargo, los valores reales pueden ser mucho menores.
Las principales fuentes de pérdida de energía son:
sombra parcial el entorno de un módulo fotovoltaico puede incluir árboles, montañas, paredes, edificios, etc. Puede causar sombras en el módulo que afectan directamente a la energía recolectada. sombra total (polvo o suciedad) su deposición provoca una reducción en la corriente y el voltaje producidos por el generador fotovoltaico (~ 3-6%) dispersión de potencia nominal Los módulos fotovoltaicos resultantes del proceso de fabricación industrial no son todos idénticos. Los fabricantes garantizan desviaciones del 3% al 10% alrededor de la potencia nominal. En la práctica, el módulo solar fotovoltaico funciona de acuerdo con el rendimiento del peor panel: por lo tanto, la potencia nominal es generalmente menor que la prescrita por el fabricante. Pérdida de conexiones la conexión entre módulos de potencia ligeramente diferente provoca un funcionamiento a potencia ligeramente reducida. Aumentan con el número de módulos en serie y en paralelo. (~ 3%) Pérdidas angulares o espectrales Los módulos fotovoltaicos son espectralmente selectivos, la variación del espectro solar afecta la corriente que generan. Las pérdidas angulares aumentan con el ángulo de incidencia de los radios y el grado de suciedad de la superficie. Pérdidas por caída óhmica Las caídas óhmicas se caracterizan por caídas de tensión debidas al paso de corriente en un conductor de material y sección determinados. Estas pérdidas se pueden minimizar con el dimensionamiento correcto de estos parámetros. Pérdidas relacionadas con la temperatura Por tanto, se estima que por encima de 25 ° C , un aumento de 1 ° C da como resultado una disminución de la producción del 0,45%. De hecho, según la explicación de Futura Sciences : “Cuando los fotones atraviesan las células fotovoltaicas, arrancan electrones de los átomos de silicio creando así un“ agujero ”en el material semiconductor. Un factor importante en la eficiencia de un panel solar es la velocidad a la que los electrones se recombinan con los huecos. Sin embargo, esta tasa de recombinación es muy sensible a la temperatura: cuanto más caliente está, más alta es, lo que disminuye el rendimiento ” . La temperatura de funcionamiento de los módulos depende de la irradiación solar incidente, la temperatura ambiente, el color de los materiales y la velocidad del viento (5 a 14%) . Pérdidas debidas a la eficiencia de conversión CC / CA del inversor el inversor se puede caracterizar por una curva de eficiencia en función de la potencia de funcionamiento (~ 6%). Pérdidas por monitorización del punto de máxima potencia el inversor dispone de un dispositivo electrónico que calcula en tiempo real el punto de funcionamiento de máxima potencia (3%). Pérdidas por envejecimiento natural de los módulos En promedio, un módulo exterior pierde menos del 1% de su capacidad por año (0.8% / año en promedio y 0.5% / año en valor mediano ).En general, los módulos fotovoltaicos no necesitan un mantenimiento especial: compuestos por una superficie especialmente plana y resbaladiza (vidrio), la lluvia, el viento y la inclinación son suficientes para mantenerlos suficientemente limpios a lo largo de los años para perder solo un mínimo de producción con el tiempo, a menos que están empañadas por el polvo producido en grandes cantidades en las cercanías (cementeras, canteras, etc.). Entonces, después de varios meses, se alcanza la opacidad máxima. Por tanto, el pequeño porcentaje de producción perdido, probablemente menos del 5%, es aceptable. Sin embargo, cuando los módulos se insertan en el marco, el arquitecto puede prever las condiciones de mantenimiento, incluida la limpieza.
Dos innovaciones recientes pueden contribuir al mantenimiento de grandes instalaciones con mayor seguridad para el personal y con menor riesgo de dañar los módulos:
Los módulos solares fotovoltaicos se desarrollaron por primera vez en una amplia variedad de aplicaciones, no conectados a la red eléctrica, ya sea porque no hay red disponible (satélites, mar, montaña, desierto, etc. ), o porque la conexión sería demasiado cara en comparación con la potencia requerida (balizas, parquímetro , paradas de autobús , teléfono móvil, etc. ); en este caso, se utilizan dispositivos eléctricos aptos para la corriente continua suministrada por los módulos. Muchos fabricantes también han desarrollado farolas solares que funcionan a partir de módulos fotovoltaicos evitando tener que conectarlas a la red eléctrica, si la cantidad de luz solar y la capacidad de las baterías son las adecuadas.
Para suministrar electricidad a una casa o una red de distribución pública, se inserta un inversor que transforma la corriente continua en corriente alterna apta para dispositivos convencionales. Varios módulos están integrados en una instalación solar asociada a una vivienda o en una planta de energía solar fotovoltaica que pueden ser sistemas autónomos o sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica.
Este tipo de aplicación solo se rentabiliza con los subsidios masivos existentes en ciertos estados, porque la energía así producida es generalmente mucho más cara que la electricidad nuclear o la producida a partir de hidrocarburos fósiles: la fuente solar es ciertamente gratuita, pero la inversión requerida es muy alta .
Sin embargo, un estudio de 2011 mostró que, en condiciones favorables, los sistemas solares fotovoltaicos pueden, en volumen, producir energía a un precio cercano al de otras fuentes de energía tradicionales.
Una instalación fotovoltaica es ante todo una instalación eléctrica que obedece a estrictas normas que, en Francia, publica la Unión Técnica de Electricidad (UTE). Podemos citar la norma C15712-1 para instalaciones conectadas a la red y C15712-2 para instalaciones en sitios aislados (con almacenamiento de energía por batería). Al mismo tiempo, el estándar C15-100 sigue siendo válido y aplicable en particular en la parte de CA. La particularidad de una instalación fotovoltaica radica en la existencia de corrientes continuas y alternas, fuentes de peligro que pueden llegar desde varios lugares. Como tal, se recomienda una mayor vigilancia en el mantenimiento o en caso de un desastre que provoque la intervención de los servicios de emergencia.
Entre los fabricantes más importantes de módulos solares, podemos citar en 2011: Centrosolar, Solon-Microsol y Q-Cells (Alemania; en 2012, Q-Cells se convierte en Hanwha Q-Cells tras su adquisición por parte del conglomerado sur coreano Hanwha ), Sharp , Kyocera y Sanyo (Japón), Sunpower (Estados Unidos), Quantum Solar (Filipinas), First Solar ( Estados Unidos ) y muchos fabricantes chinos, incluidos: Suntech Power , JA Solar , Trina Solar y Upsolar.
Los cinco mayores fabricantes de células fotovoltaicas comparten el 60% del mercado mundial. Se trata de las empresas japonesas Sharp y Kyocera , las empresas angloamericanas BP Solar y Astropower, y el grupo italiano Kerself SpA. El Japón produce casi la mitad de las células solares del mundo , Pero es en China, que la gran mayoría de los paneles se ensamblan. También podemos citar a Photowatt , una empresa francesa con sede en Bourgoin-Jallieu ( Isère ), que emplea a más de 400 empleados y que fue comprada en noviembre de 2011 por EDF ENR, así como dos filiales de Total , Sunpower y Tenesol , que cuentan con dos plantas. de fabricación de paneles solares en Francia .
El propio Japón es uno de los mayores consumidores de paneles solares, pero Alemania supera con creces .
El costo por kilovatio-hora producido por los equipos solares, descontado durante la vida útil del equipo, se puede estimar a partir de tres parámetros:
Entonces obtenemos una fórmula bastante simple, ya que una instalación que hubiera costado 1 € / Wp y produciendo 1 kWh / año / Wp tendría entonces un costo base de 0.1 € / kWh , siendo entonces el precio del kilovatio-hora proporcional. al precio de compra (es decir, el triple si la instalación cuesta 3 € / Wp ) e inversamente proporcional a la productividad (por ejemplo, la mitad si la instalación produce 2 kWh / Wp / año , el doble si solo produce 0,5 kWh / Wp / año ) .
Precio de venta de la electricidad en FranciaEn Francia , el decreto de4 de marzo de 2011fija "las condiciones de compra de la electricidad producida por las instalaciones utilizando la energía radiante del sol". El precio (en c € / kWh sin IVA) se calcula a partir de varias variables. El artículo 2 recoge las principales características del contrato de compraventa:
De acuerdo con el decreto de 4 de marzo de 2011, los precios de compra en Francia son reevaluados trimestralmente por la Comisión Reguladora de Energía (CRE) de acuerdo con la capacidad instalada en el trimestre anterior. Por ejemplo, el precio de compra de un kilovatio-hora fotovoltaico para particulares (potencia inferior a 9 kWp), que era de 58 c € / kWh a finales de 2010, ha ido descendiendo paulatinamente hasta alcanzar los 37 c € / kWh en el segundo trimestre de 2012 y 34..15 c € / kWh en el cuarto trimestre de 2012, 29,1 c € / kWh en el 4 º trimestre de 2013 y 25,8 c € / kWh a 3 º trimestre 2015.
Se publicó un llamado a licitación para la construcción y operación de instalaciones innovadoras de generación de energía solar el 4 de abril de 2017. Se trata, entre otras cosas, de tecnologías híbridas o centrales eléctricas agrivoltaicas . Para este llamado a licitación, el rango de precios está entre 50 y 200 € / MWh para el primer período. Sin embargo, la Comisión Reguladora de Energía considera que el precio techo propuesto, para el primer período, es excesivo dados los precios propuestos en las licitaciones de 2015 que también incluían un criterio de innovación.
Comparación del coste de la electricidad fotovoltaica con el de otras energíasSegún la EPIA (Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica), bajo la latitud de Lyon , en Francia, un módulo solar devuelve en dos años y medio la energía que era necesaria para su fabricación.
Una directiva de la Unión Europea de 2012 requiere que los equipos eléctricos y electrónicos de desecho (WEEE) se reciclen cuando se desmantelen. Los inversores han estado preocupados desde 2005 y se añadió una enmienda a la directiva (la13 de agosto de 2012) módulos fotovoltaicos en la lista de productos electrónicos que se reciclarán al final de su vida útil . Se traducirá en Francia con un poco de retraso, por decreto; este decreto se aplicará en dos etapas e impone la recogida gratuita, fomenta la reutilización y establece requisitos para la exportación de AEE usados.
Varias organizaciones en Francia están preparando el reciclaje de paneles al final de su vida útil, que incluyen:
La vida útil de los paneles es del orden de 30 años. El tiempo de retorno de la energía es difícil de valorar ya que depende de la cantidad de luz solar, la inclinación de los paneles, su temperatura, su orientación, etc. Según los estudios disponibles, "el tiempo de recuperación de la energía [...] es de unos 3 años" .
Los módulos fotovoltaicos contienen varios metales raros , cuyo reciclaje debería desarrollarse ampliamente:
En la Unión Europea, desde el 13 de agosto de 2012, cualquier panel solar fotovoltaico al final de su vida útil es legalmente un Residuo de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE), para ser gestionado como tal.
Antes de traducir esta obligación al derecho francés, el Estado francés abrió una consulta pública relativa a varios textos sobre RAEE (incluidos los paneles fotovoltaicos).
Un proyecto europeo (Cabriss) promueve el “reciclaje en bucle” de paneles usados .
En Francia, en 2017, se estima que ya se instalaron más de 55.000 t de paneles fotovoltaicos (parte de los cuales está llegando al final de su vida útil ), para una potencia total conectada en 2016 de 6,8 GW que podría triplicarse de 2016 a 2023 . Una dedicada eco-organización fue creada, por lo tanto: PV Cycle Francia , aprobado para recoger y tratar los paneles fotovoltaicos que han llegado al final de su vida. Con Triade Électronique (filial de Veolia), creó en Francia en 2017 la primera unidad de reciclaje de paneles fotovoltaicos en Rousset (Bocas del Ródano); 1.400 t de materiales como aluminio, cobre, vidrio, plata, silicio y plástico ya deberían recuperarse de marzo a diciembre de 2017, mediante trituración, micronización , cribado y clasificación. Veolia luego pronostica que el reciclaje aumentará en un 40% por año (se esperan más de 4,000 toneladas desde 2017 hasta fines de 2021). Anteriormente, los paneles a reciclar se enviaban (menos de 500 t / año ) a la Malta belga.