Un panel solar es un dispositivo que convierte parte de la radiación solar en energía térmica o eléctrica , utilizando colectores solares térmicos o fotovoltaicos respectivamente.
Hay tres tipos de paneles solares:
En los tres casos, los paneles suelen ser planos, con un área limitada a aproximadamente 1 m 2 para facilitar y optimizar la instalación. Los paneles solares son los componentes básicos de la mayoría de las instalaciones de captación de energía solar .
La rentabilidad de las inversiones depende de varios parámetros.
Los sensores térmicos son rentables en regiones muy soleadas, incluso en latitudes altas (norte de Francia, Bélgica, Canadá, etc. ) .
Los paneles solares son más rentables en regiones muy soleadas, aunque el calor afecta negativamente al rendimiento de los sensores. Esto explica el entusiasmo de los países del sur de Europa (Italia, Portugal, etc. ), tanto grandes consumidores como grandes productores potenciales, por la instalación de grandes centrales eléctricas .
La eficiencia de los paneles solares fotovoltaicos se define como la parte de la radiación solar transformada en electricidad. Varía del 6 al 8% para los paneles de silicio amorfo y llega al 46% para las células más eficientes obtenidas en el laboratorio. La media se sitúa actualmente en el 14,5%.
Green Building géonef independiente del arquitecto estadounidense Mike Reynolds , en Inglaterra .
Instalación fotovoltaica integrada en edificio , en Alemania .
Heliotrop , de Friburgo de Brisgovia en Alemania.
Casa ecológica en el sitio de la Biosfera en Île Sainte-Hélène , Quebec .
Refugio de Montaña del Parque Nacional de Aigüestortes y Lago St. Maurice , Pirineos .
El potencial de la energía solar es tal que la energía emitida por el sol y recibida por la Tierra en aproximadamente una hora, si se recupera por completo, cubriría las necesidades energéticas de la humanidad durante un año. En teoría, un cuadrado de paneles solares con un lado de 344 km (120.000 km 2 ) podría cubrir todas las necesidades eléctricas del mundo, estimándose la eficiencia de una instalación fotovoltaica entre el 15 y el 17% (en 2007 en Europa) , es decir, 160 kWh / año / m 2 (o 160 GWh / año / km 2 ) con necesidades globales estimadas en 19.000 TWh en 2006). En el caso de la Europa de los Veintisiete , que consume 3.000 TWh al año, sería necesaria una superficie de 137 km por lado (es decir, 19.000 km 2 ), mientras que en el caso de Francia (500 TWh ) debe llegar a 56 km de lado (3.100 km 2 ).
Central Solar THEMIS de EDF , Pirineos Orientales .
Parque de la planta de energía solar fotovoltaica Colle des Mées , Alpes-de-Haute-Provence .
Cría en Baja Sajonia , Alemania .
Planta de energía solar Nellis , 72.000 paneles de 14 MW , Nevada , Estados Unidos .
Proyecto de Planta de Energía Solar Orbital , NASA .
Coche solar Mercedes-Benz Alpha Real 1985 , Museo Mercedes-Benz de Stuttgart .
Solar Car BMW Lovos , 2009 BMW Museum en Munich .
Automóviles solares , World Solar Challenge , Texas Motor Speedway , 2009.
Barco solar PlanetSolar en Miami , Florida .
Avión solar suizo Solar Impulse , Payerne , 2014.
Telescopio espacial Hubble , 1990.
Estación Espacial Internacional , 2011.
Sonda espacial Mars Pathfinder , 1997.
Los paneles solares se pueden inclinar hasta 60 grados para permitir que la nieve se deslice. Además, la superficie caliente del colector solar es suficiente para fundir los pilotes que pudieran quedar adheridos al panel.
A partir de la ecuación del tiempo, el día del año y la latitud de la ubicación del colector solar, es posible calcular la elevación y el azimut del sol, utilizando la trigonometría esférica . Una vez que se conocen la elevación y el azimut, es posible calcular el ángulo de incidencia del sol en el colector de pantalla plana.
Sean :
y el azimut del sol y el colector, y y la elevación del sol y el colector.El viene :
donde es el ángulo de incidencia.
Existen dos tipos principales de paneles solares térmicos: “colectores de agua” y sistemas aerotérmicos (“colectores de aire” y sistemas parietodinámicos más o menos pasivos ).
Sensores térmicos de "agua" El agua, o más a menudo un líquido refrigerante con aditivos, circula en un circuito cerrado en tubos. Una superficie mate llamada absorbente , a veces simplemente pintada de negro, se calienta con la radiación solar y transmite calor al refrigerante. Para obtener un mejor rendimiento, los tubos pueden estar al vacío, es decir, tienen dos capas entre las que se realiza un vacío, lo que permite obtener un efecto invernadero . Los paneles solares térmicos también se pueden reducir a una simple superficie acristalada por debajo de la cual circula el líquido caloportador. Los colectores de agua solares se utilizan normalmente para producir agua caliente sanitaria (ACS) en un calentador de agua solar individual (CESI). Actualmente es la solución más sencilla y rentable para el aprovechamiento de la energía solar . Los sistemas solares combinados (SSC) agregan el sistema anterior a la instalación de calefacción de un edificio o suministran directamente un piso con calefacción . Los sistemas de calefacción solar están comenzando a desarrollarse . Estos sistemas permiten un ahorro de alrededor de 350 kWh por año y por m 2 de colectores. Sensores térmicos "aire" En lugar de agua, el aire circula y se calienta al entrar en contacto con absorbentes o en efecto invernadero . El aire así calentado se ventila luego en los hábitats, generalmente para calefacción y, a veces, para usos industriales o agrícolas (secado de productos).En Francia, el "Plan Soleil", lanzado en 2000 por la Agencia de Gestión del Medio Ambiente y la Energía (ADEME) para promover los calentadores de agua solares y la producción de calor, anima a las personas a equiparse con energía solar gracias a las ayudas de incentivos del Estado, las regiones, algunos departamentos y determinados grupos municipales.
Seguidor solar / Heliostato para viviendas particulares .
Colector solar Solar Decathlon en California .
Colector solar térmico tubular.
Panel solar térmico elaborado artesanalmente.
Los paneles solares fotovoltaicos agrupan células fotovoltaicas conectadas entre sí en serie y en paralelo.
Se pueden instalar en soportes fijos en el suelo o en sistemas móviles de seguimiento solar llamados seguidores . En este último caso, la producción de electricidad aumenta alrededor de un 30% en comparación con una instalación fija. Aparte de las plantas de energía solar, las instalaciones fijas actualmente se encuentran más bien en los techos de las viviendas o edificios, ya sea integradas en el techo o colocadas encima. En algunos casos, se instalan paneles verticales en la fachada del edificio. Esta inclinación no es óptima para la producción de electricidad; en Francia, la posición fija óptima es una inclinación de 30 ° con respecto a la horizontal, o 60 ° si el objetivo es maximizar la producción de electricidad en invierno. Sin embargo, dado que estos paneles sustituyen al revestimiento de la fachada, los ahorros realizados en el revestimiento compensan al menos parcialmente una menor producción.
Coexisten diferentes tecnologías fotovoltaicas:
La producción mundial de paneles se divide principalmente entre China (República Popular China y Taiwán), Alemania, Japón y Estados Unidos. Se trata principalmente de montaje (encapsulado, control electrónico, instalación del marco, funda protectora ...) porque en 2010 aproximadamente el 50% de la producción mundial de células fotovoltaicas proviene de China y el 80% de Asia. Hoy , Las grandes marcas internacionales tienen sus módulos producidos en Asia y en ocasiones realizan un paso de transformación del producto, mientras que otras grandes empresas simplemente subcontratan su producción .
Una vez fabricadas y desplegadas, las células fotovoltaicas ensambladas en módulos no emiten dióxido de carbono (CO 2) u otros gases de efecto invernadero . Sin embargo, su fabricación consume energía incorporada en forma de electricidad y su fin de vida produce residuos.
En 2003, un análisis del ciclo de vida del dióxido de carbono mostró que, durante una vida útil de veinte años, la emisión de CO 2por kilovatio-hora eléctrico producido por un panel fotovoltaico representa, según el tipo considerado, del 7 al 37% de las emisiones por kilovatio-hora producidas por una central térmica convencional. En 2004, el Departamento de Energía de Estados Unidos estimó que un panel tarda cuatro años en producir una cantidad de energía equivalente a la consumida en su fabricación.
Fabricación: consumo de electricidadUn módulo está compuesto por una o más celdas mono / policristalinas envueltas en ambos lados en capas delgadas de etileno acetato de vinilo (EVA). El conjunto descansa sobre un soporte plástico (en polivinil fluoruro , PVF) o en polietileno , PET). Abajo, un marco de aluminio con una unión de cobre conecta eléctricamente las celdas. En la parte superior, una capa de vidrio protege las células.
En un módulo, el 74% de la masa está constituida por vidrio, el aluminio representa el 10% y los distintos polímeros el 6,5%. Se pueden encontrar otros materiales como zinc, plomo o cobre, pero sus cantidades siguen siendo bajas (menos del 1% de la masa del módulo). La celda fotovoltaica sola (mono o policristalina) representa solo el 3% de la masa total del módulo.
Estas son las células que consumen más energía para fabricar y la mayoría de los fabricantes de energía fotovoltaica generalmente solo producen estas últimas. El resto de componentes se subcontrata luego a otros fabricantes, por ejemplo para el vidrio protector, el marco de aluminio, cuyos procesos de fabricación son más antiguos, más desarrollados y, por tanto, mejor optimizados que los procesos de fabricación recientes.
La fabricación de células requiere silicio muy puro, después de una primera purificación mediante un horno de arco eléctrico (EAF). El silicio tiene una pureza del 98-99,5% (silicio metalúrgico o silicio de grado metalúrgico ). Este proceso por sí solo consume alrededor de 150 kWh / kg de silicio.
Es necesaria una segunda purificación para obtener un silicio denominado "solar" (o un silicio de grado metalúrgico mejorado , con un nivel de pureza del 99,999 3 % o un denominado silicio electrónico (EGS, con una pureza del 99,999 999 99 % ). Las tres etapas de la segunda purificación es la producción de silano , seguida de la destilación fraccionada y finalmente la separación. El consumo de electricidad es de 115-120 kWh / kg para el silicio solar y 350 kWh / kg para el silicio electrónico.
Así, la suma de la energía requerida, desde la purificación del silicio hasta su corte en obleas, es de 1000 kWh / kg de silicio para células monocristalinas y 700 kWh / kg de silicio para células policristalinas. Las células monocristalinas son más eficientes pero requieren más energía durante su fabricación (la cristalización en una estructura monocristalina es más compleja que en una estructura policristalina ).
Por tanto, la fabricación de células consume mucha energía. La huella de carbono de esta producción depende de la naturaleza de la fuente o de la mezcla eléctrica utilizada. Actualmente predominantemente asiático, podría disminuir así en un 40% recurriendo a la energía hidroeléctrica o mezclas europeas .
Según la Agencia de Gestión de Medio Ambiente y Energía (ADEME), la fabricación de un panel fotovoltaico instalado en Francia va acompañada de la emisión, de media, de 56 gramos de CO 2para la producción de un kilovatio-hora (con un 30% de incertidumbre). Este valor depende del lugar donde se instale el panel; varía de 35 a 85 g de CO 2por kilovatio-hora de sur a norte del país y dependiendo de la tecnología utilizada. Emisiones de CO 2la energía solar fotovoltaica es superior a la mayoría de las otras fuentes de energía bajas en carbono; por ejemplo, las turbinas eólicas terrestres emiten 10 g de CO 2por kilovatio-hora producido y la energía nuclear francesa 6 g . Por otro lado, son muy inferiores a los asociados al uso de combustibles fósiles; de hecho, el gas natural emite unos 443 g de CO 2por kilovatio-hora producido y carbón entre 960 y 1050 g .
Las emisiones secundarias, como las provocadas por el transporte de materiales a largas distancias, representan solo entre el 0,1 y el 1% de las emisiones totales.
Fabricación: residuos y toxicidadEl impacto de la producción de paneles solares en el medio ambiente no proviene solo de la energía incorporada necesaria para su producción, sino también de los residuos debido a la multitud de materiales utilizados durante sus tratamientos químicos: se lleva a cabo el refinado de la sílice . sustancias químicas potencialmente peligrosas como el silano y el dopaje con silicio se realizan con gases que contienen pequeñas cantidades de diborano y fosfina diluidos. Estos gases son muy inflamables. Si no representan un peligro en tiempos normales, pueden dañar gravemente la salud de los trabajadores de la fábrica en caso de accidente o fugas. El polvo de sílice y silano también puede causar enfermedades por inhalación como la silicosis
Actualmente, la investigación tiene como objetivo la reducción o reutilización de estos materiales, tal y como avala la Agencia de Gestión de Medio Ambiente y Energía : “La etapa de purificación del silicio, realizada principalmente por medios químicos, implica en particular 'objeto de investigación para sustituirlo por procesos físicos de bajo impacto medioambiental . Otras acciones tienen como objetivo recuperar el silicio presente en los lodos de aserrado tras la operación de fabricación de obleas, o incluso reciclar los baños químicos utilizados en determinadas tecnologías de película fina. "
ReciclajeLa mayoría de los componentes de un módulo solar (hasta el 95% de algunos materiales semiconductores), todo el vidrio y grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos se pueden recuperar y reciclar.
Algunas empresas privadas y organizaciones sin fines de lucro, como PV CYCLE (s) en la Unión Europea, están instalando sistemas de recolección y reciclaje de paneles fotovoltaicos al final de su vida útil . Desde 2010, una conferencia anual reúne a fabricantes, recicladores e investigadores para examinar el futuro del reciclaje de paneles fotovoltaicos.
En Francia, desde el final agosto 2014, en el marco de la responsabilidad ampliada del productor , los fabricantes, importadores y revendedores están obligados a retirar, además de los residuos domésticos convencionales (RAEE), los paneles fotovoltaicos usados, de forma gratuita y sin obligación de compra. Estas empresas tienen la obligación de financiar y recoger el tratamiento de estos nuevos residuos, sin período de transición, lo que se traduce en una ecoparticipación en cada nuevo colector fotovoltaico vendido. En 2010-2014, varias encuestas y la Unión Europea, sin embargo, estimaron que dos tercios de los residuos de esta naturaleza nunca llegan a los centros de reprocesamiento autorizados, sino que terminan en vertederos o en el extranjero. Los nuevos objetivos de tasa de recogida son, a partir de 2016, el 45% del peso de los equipos vendidos en los tres años anteriores (esta tasa se incrementará al 65% en 2019). Este texto también es más restrictivo con respecto a los envíos de RAEE al extranjero.
Dos de las soluciones de reciclaje más comunes son:
Módulos basados en silicio Los marcos de aluminio y las cajas de conexiones se desmontan manualmente al inicio del proceso. A continuación, se tritura el módulo. Las diferentes fracciones resultantes de este proceso son metales ferrosos y no ferrosos, vidrio y plástico con una cuota de reciclaje promedio cercana al 80% (peso de entrada). Por ejemplo, el vidrio de los paneles fotovoltaicos se mezcla con vidrio estándar para reintroducirlo en el sector de la fibra de vidrio o el aislamiento. Este proceso puede ser realizado por recicladores de vidrio plano, ya que la morfología y composición de un módulo fotovoltaico es similar a la del vidrio plano utilizado en la industria de la construcción y la automoción. Paneles fotovoltaicos sin silicona Se han desarrollado tecnologías específicas para el reciclaje de paneles fotovoltaicos sin silicio. Algunos utilizan un baño químico para deslaminar y separar los diferentes componentes de los paneles fotovoltaicos. Para los paneles de telururo de cadmio , el proceso de reciclaje comienza con el triturado del panel, dando como resultado la posterior separación de las diferentes fracciones. Este proceso permite recuperar hasta el 90% del vidrio y el 95% de los materiales semiconductores. En la década de 2010, empresas privadas crearon varias instalaciones de reciclaje .Las baterías también deben reciclarse: aunque muchas instalaciones fotovoltaicas están conectadas a la red eléctrica , algunas funcionan de forma autónoma. La energía producida durante el día se almacena en baterías especiales (que se descargan más gradualmente y resisten mejor las descargas frecuentes poco profundas, con un regulador instalado entre la batería y el módulo) y, a veces, en baterías similares a las de los automóviles. Una batería tiene una vida útil de cuatro a cinco años (de siete a quince años para ciertos modelos recientes ) y contiene metales y productos preciosos y / o tóxicos (comúnmente plomo y ácido). Para un panel fotovoltaico que puede durar 25 años, será necesario reciclar de dos a seis veces baterías (con las tecnologías actuales ).
Gracias al progreso técnico, los paneles solares de nueva generación son más estéticos. Esto se debe a las mejoras en la gestión térmica de los módulos así como al avance de las células monocristalinas , que permiten la producción de paneles lisos en un azul marino oscuro que combinan bien con los techos. Las nuevas tecnologías sin silicio, como las tejas solares, pronto permitirán paneles solares transparentes.
De 2012 a 2018, China se estableció como líder mundial. En 2018, el 70% de los módulos fotovoltaicos se produjeron allí, a veces hasta un 25% más barato que en Francia según Enerplan (que representa a las empresas solares francesas). Desde 2012, también ha sido el principal inversor mundial en energías renovables , pero aún carece de la infraestructura adecuada para conectar todos los parques solares planificados, lo que ha llevado a los fabricantes chinos a vender más paneles en el extranjero. En respuesta, a principios de 2018, Estados Unidos introdujo un aumento en los aranceles sobre los paneles chinos.
En la Unión Europea , en 2017, la solar alcanzó el 3% del consumo total de electricidad pero, ante la competencia china, Europa corría el riesgo de perder unos 30.000 puestos de trabajo, lo que la empujó a aplicar un anti-dumping del 11,8% en el mes deJunio del 2013, luego en un 47,6% dos meses después, en los paneles importados de China. Europa acusa a China en particular de subvencionar en exceso a las empresas que producen paneles solares, lo que le permite vender paneles solares en Europa a un precio inferior a su coste de producción y ha ampliado estas medidas hasta agosto de 2018 para proteger su industria solar. En 2017, la Comisión Europea inició una reducción paulatina de estas medidas a lo largo de dieciocho meses, a pesar de las protestas de la federación de productores "EU Prosun" según las cuales un centenar de productores quebraron ante la competencia china, que además se ha adaptado construyendo fábricas. en Turquía o República Checa y comprando empresas europeas con, por ejemplo, la compra en 2016 de la holandesa Solland Power por parte de la china Trina Solar (líder mundial). Según la federación SolarPower Europe, que representa a los parques fotovoltaicos, estos parques seguirán desarrollándose en Europa.