A napelem egy olyan eszköz, amely átalakítja része a napsugárzás a termikus vagy elektromos energia segítségével termikus vagy fotovoltaikus napenergia gyűjtők rendre.
Három típusú napelem van:
Mindhárom esetben a panelek általában síkak, a beépítés megkönnyítése és optimalizálása érdekében a terület körülbelül 1 m 2 . A napelemek a legtöbb napenergia- gyűjtő létesítmény alapvető elemei .
A jövedelmezőség a beruházások több paramétertől függ.
A hőérzékelők nagyon napsütéses régiókban, még nagy szélességeken is (Észak-Franciaország, Belgium, Kanada stb. ) Költséghatékonyak .
A napelemek jövedelmezőbbek a nagyon napos régiókban, bár a hő hátrányosan befolyásolja az érzékelők teljesítményét. Ez magyarázza a dél-európai országok (Olaszország, Portugália stb. ) - mind a nagyfogyasztók, mind a potenciális nagy termelők - lelkesedését a nagy erőművek telepítése iránt .
A fotovoltaikus napelemek hatékonyságát a napsugárzás villamos energiává átalakuló részeként határozzák meg . Az amorf szilícium paneleknél 6 és 8% között mozog, és a laboratóriumban kapott leghatékonyabb sejteknél eléri a 46% -ot. Az átlag jelenleg 14,5%.
Green Building géonef független amerikai építész Mike Reynolds , a England .
Az épületbe integrált fotovoltaikus telepítés , Németországban .
Heliotrop , a németországi Freiburg im Breisgau -ból.
Ökológiai ház a bioszféra helyén a Île Sainte-Hélène , Québec .
Hegyi menedék a szálló az Aigüestortes Nemzeti Park és a Lake St. Maurice , Pireneusok .
A napenergia potenciálja olyan, hogy a nap által kibocsátott és a Föld által körülbelül egy óra alatt befogadott energia, ha teljes mértékben helyreáll, egy évre kielégíti az emberiség energiaigényét. Elméletileg egy napelemek négyzete , amelynek oldala 344 km (120 000 km 2 ), fedezheti a világ összes villamosenergia-szükségletét, a fotovoltaikus berendezések hatékonysága pedig 15 és 17% közé becsülhető (2007-ben Európában) , azaz 160 kWh / év / m 2 (vagy 160 GWh / év / km 2 ), globális igénye 2006-ban 19 000 TWh volt. A Huszonhétek Európája esetében , amely évente 3000 TWh- t fogyaszt, oldalanként 137 km (azaz 19 000 km 2 ) területre lenne szükség, míg Franciaország esetében (500 TWh ) oldalirányban el kell érnie az 56 km-t (3100 km 2 ).
Az EDF középső napelemes tematikája , Pyrenees-Orientales .
Colle des Mées fotovoltaikus naperőműpark , Alpes-de-Haute-Provence .
1 M W fotovoltaikus tető a hannoveri , Németország .
Tenyésztés Alsó-Szászországban , Németországban .
Nellis Naperőmű , 72 000 14 MW-os panel , Nevada , Egyesült Államok .
Orbita naperőmű projekt , NASA .
Mercedes-Benz Alpha Real 1985 szolár autó, Mercedes-Benz Museum Stuttgart .
Solar Car BMW Lovos 2009 BMW Museum in München .
Solar autók , World Solar Challenge , Texas Motor Speedway , 2009.
Svájci napelemes repülőgép Solar Impulse , Payerne , 2014.
Hubble Űrtávcső , 1990.
Nemzetközi Űrállomás , 2011.
Mars Pathfinder űrszonda , 1997.
A napelemek akár 60 fokra is dönthetők, hogy a hó elcsúszhasson. Ezenkívül a napkollektor forró felülete elegendő ahhoz, hogy megolvasztja azokat a cölöpöket, amelyek a panelhez tapadhatnak.
Az idő, az év napja és a napkollektor elhelyezkedésének szélessége egyenletéből kiszámítható a nap magassága és azimutuma, a gömb alakú trigonometria segítségével . Amint a magasság és az azimut ismert, meg lehet számítani a nap beesési szögét a lapos kollektoron.
Vannak:
és a azimut a nap és a gyűjtő, és és a magasság, a Nap és a kollektor.Ő jön :
hol van a beesési szög.
A termikus napelemeknek két fő típusa van: „vízgyűjtők” és aerotermikus rendszerek („légkollektorok” és többé-kevésbé passzív parietodinamikai rendszerek ).
„Víz” hőérzékelők A víz, vagy gyakrabban adalékokkal ellátott hűtőfolyadék folyik zárt körben, csövekben. A matt felület nevezett abszorber , néha egyszerűen feketére festett, felmelegítése napsugárzás és továbbítja a hőt a hűtőközeg. A jobb teljesítmény elérése érdekében a csövek vákuumban lehetnek, vagyis két réteggel rendelkeznek, amelyek között vákuum jön létre, ami lehetővé teszi az üvegházhatás elérését . A napelemes panelek egyszerű üvegezett felületre is redukálhatók, amely alatt a hőátadó folyadék kering. A napkollektorokat általában használati melegvíz (HMV) előállítására használják egyedi napenergiával működő vízmelegítőkben (CESI). Jelenleg ez a legegyszerűbb és legjövedelmezőbb megoldás a napenergia felhasználására . A kombinált napkollektoros rendszerek (SSC) hozzáadják az előző rendszert egy épület fűtési rendszeréhez, vagy közvetlenül biztosítják a fűtött padlót . A napfűtési rendszerek kezdenek fejlődni . Ezek a rendszerek évi 350 kWh megtakarítást tesznek lehetővé a gyűjtők m 2 -énként. „Levegő” hőérzékelők A víz helyett a levegő kering és felmelegszik az abszorberekkel érintkezve vagy üvegházhatás esetén . Az így felmelegített levegőt ezután szellőztetik az élőhelyeken, általában fűtésre, néha ipari vagy mezőgazdasági felhasználásra (termékek szárítására).Franciaországban a Környezetvédelmi és Energiagazdálkodási Ügynökség (ADEME) által a napenergiával működő vízmelegítők és a hőtermelés elősegítése érdekében 2000-ben elindított „Plan Soleil” arra ösztönzi az egyéneket, hogy szereljenek fel napenergiát az állam, a régiók, egyes államok ösztönző támogatásának köszönhetően. osztályok és egyes önkormányzati csoportok.
Solar tracker / Heliostat privát otthonok .
Solar Decathlon napkollektor a California .
Cső alakú napkollektor.
Kézzel készített termikus napelem.
A fotovoltaikus napelemek sorba és párhuzamosan összekapcsolt fotovoltaikus cellákat csoportosítanak .
Ők lehet fixen rögzítve a földön, vagy a mobil nap nyomkövető rendszerek nevű nyomozó . Ez utóbbi esetben a villamosenergia-termelés mintegy 30% -kal nő a fix telepítéshez képest. A naperőművektől eltekintve a helyhez kötött létesítmények jelenleg inkább a házak vagy épületek tetején vannak, vagy a tetőbe integrálva, vagy pedig felül. Bizonyos esetekben függőleges paneleket helyeznek el az épület homlokzatán. Ez a hajlam nem optimális a villamos energia előállításához; Franciaországban az optimális rögzített helyzet 30 ° -os vízszintes dőlésszög, vagy 60 ° -os dőlésszög, ha a télen az áramtermelés maximalizálása a cél. Mivel azonban ezek a panelek felváltják a homlokzati burkolatot, a burkolattal megtakarítás legalább részben kompenzálja az alacsonyabb termelést.
Különböző fotovoltaikus technológiák léteznek egymás mellett:
A globális panelgyártás főként Kína (Kína és Tajvan), Németország, Japán és az Egyesült Államok között oszlik meg. Főként az összeszerelésről (tokozás, elektronikus vezérlés, a keret felszerelése, védőtok ...), mivel 2010-ben a fotovoltaikus cellák világtermelésének körülbelül 50% -a Kínából és 80% -a Ázsiából származik. Ma A nagy nemzetközi márkák moduljait Ázsiában gyártják, és néha átalakítási lépést hajtanak végre a terméken, míg más nagyvállalatok egyszerűen alvállalkozásba adják termelésüket .
A modulokba összeállított fotovoltaikus cellák gyártása és telepítése után nem bocsát ki szén-dioxidot (CO 2) vagy más üvegházhatású gázok . Gyártásuk azonban a megtestesült energiát villamos energia formájában fogyasztja, és élettartamuk végén hulladék keletkezik.
2003-ban a szén-dioxid életciklus-elemzése azt mutatta, hogy húsz éven át a CO 2 -kibocsátása fotovoltaikus panel által előállított elektromos kilowattóránként a figyelembe vett típustól függően a hagyományos hőerőmű által kibocsátott kilowattóránkénti kibocsátás 7–37% -a . 2004-ben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma becslése szerint egy testületnek négy évbe telik, amíg a gyártása során felhasznált energiának megfelelő mennyiséget állít elő.
Gyártás: villamosenergia-fogyasztásA modul egy vagy több mono- / polikristályos cellából áll, amelyek mindkét oldalán vékony etilén-vinil-acetát (EVA) rétegekbe vannak burkolva . Az egész egy műanyag hordozón nyugszik ( polivinil-fluoridban , PVF-ben) vagy polietilénben (PET). Az alábbiakban egy réz csatlakozású alumínium keret kapcsolja össze elektromosan a cellákat. A tetején egy üveg réteg védi a sejteket.
Egy modulban a tömeg 74% -a üvegből áll, az alumínium 10% -ot, a különféle polimerek pedig 6,5% -ot tesznek ki. Más anyagok is megtalálhatók, például cink, ólom vagy réz, mennyiségük azonban továbbra is alacsony (kevesebb, mint a modul tömegének 1% -a). A fotovoltaikus cella önmagában (mono vagy polikristályos) csak a modul teljes tömegének 3% -át teszi ki.
Ezek gyártása a leginkább energiaigényes cellák, és a legtöbb fotovoltaikus gyártó általában csak az utóbbit állítja elő. A többi alkatrészt alvállalkozásba adják más gyártóknak, például a védőüvegért, az alumínium vázért, amelynek gyártási folyamatai régebbi, fejlettebbek és ezért jobban optimalizáltak, mint a közelmúlt gyártási folyamatai.
A cellák előállításához nagyon tiszta szilíciumra van szükség , miután egy elektromos ívkemencén (EAF) keresztül tisztították meg . A szilícium ekkor 98-99,5% tisztaságú (kohászati szilícium vagy kohászati minőségű szilícium ). Önmagában ez a folyamat 150 kWh / kg szilíciumot fogyaszt.
Második tisztításra van szükség az úgynevezett "szolár" szilícium (vagy korszerűbb kohászati szilícium , 99,999 3 % -os tisztasági szint vagy egy úgynevezett elektronikus szilícium (EGS, 99,999 999 99 % tisztaságú ) előállításához. A második tisztítás három szakasza a szilán előállítása , amelyet frakcionált desztilláció és végül szétválasztás követ. Az áramfogyasztás 115–120 kWh / kg a napenergia szilícium esetében és 350 kWh / kg az elektronikus szilícium esetében.
Így a szilícium tisztításától az ostyákká történő vágásigényigényelt energia összege 1000 kWh / kg szilícium monokristályos cellák esetében és 700 kWh / kg szilícium a polikristályos cellák esetében. Monokristályos sejtek sokkal hatékonyabb, de több energiát igényelnek a gyártás folyamán ( a kristályosodás egy mono-kristályos szerkezetű, hogy bonyolultabb, mint egy poli-kristályos szerkezet ).
A sejtgyártás ezért energiaigényes. Ennek a termelésnek a szénlábnyoma a forrás vagy az alkalmazott elektromos keverék jellegétől függ. Jelenleg túlnyomórészt ázsiai, így 40% -kal csökkenhet, ha vízenergiához vagy európai keverékekhez folyamodik .
A Környezetvédelmi és Energiagazdálkodási Ügynökség (ADEME) szerint a Franciaországban telepített fotovoltaikus panel gyártása átlagosan 56 gramm CO 2 -kibocsátással jár.egy kilowattóra előállítására (30% -os bizonytalanság mellett). Ez az érték a panel telepítésének helyétől függ; ez változik 35-85 g CO 2kilowattóránként az ország déli irányától északig és az alkalmazott technológiától függően. CO 2 -kibocsátása napelem jobb, mint a legtöbb más alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiaforrás; például a szárazföldi szélturbinák 10 g CO 2 -ot bocsátanak ki előállított kilowattóránként és a francia atomenergia 6 g . Másrészt sokkal alacsonyabbak, mint a fosszilis tüzelőanyagok használatához kapcsolódóak; sőt, a földgáz durranógázt mintegy 443 g CO 2960–1050 g szén-dioxid-tartalom kilowattóránként .
A másodlagos kibocsátások, például az anyagok nagy távolságból történő szállítása, csak a teljes kibocsátás 0,1–1% -át teszik ki.
Gyártás: hulladék és toxicitásA napelemek gyártásának a környezetre gyakorolt hatása nemcsak a gyártásukhoz szükséges megtestesült energiából származik , hanem a vegyi kezelések során felhasznált anyagok sokaságából adódó hulladékból is : a szilícium-dioxid finomítása történik. potenciálisan veszélyes vegyi anyagok, például a szilán és a szilícium-adalékolás kis mennyiségű híg diboránt és foszfint tartalmazó gázokkal történik . Ezek a gázok nagyon gyúlékonyak. Ha normál idõszakban nem jelentenek veszélyt, baleset vagy szivárgás esetén súlyosan károsíthatják a gyári dolgozók egészségét. A szilícium-dioxid és a szilánpor emellett inhalációs betegségeket is okozhat, például szilikózist
Jelenleg a kutatás célja ezen anyagok csökkentése vagy újrafelhasználása, a Környezetvédelmi és Energiagazdálkodási Ügynökség támogatásával : „A szilícium tisztítási lépés, amelyet főként kémiai eszközökkel hajtanak végre, nevezetesen magában foglalja a„ kutatás tárgyát, hogy alacsony környezeti hatással bíró fizikai folyamatokkal helyettesítsék. . Más akciók célja a fűrésziszapban lévő szilícium visszanyerése az ostya gyártási művelet után, vagy akár az egyes vékonyréteg-technológiákban használt kémiai fürdők újrafeldolgozása. "
ÚjrafeldolgozásA szolármodul legtöbb alkatrésze (egyes félvezető anyagok akár 95% -a), az összes üveg, valamint nagy mennyiségű vas- és színesfém visszanyerhető és újrahasznosítható.
Egyes magáncégek és nonprofit szervezetek, például az Európai Unióban működő PV CYCLE (k) felépítik az újrahasznosítási és az újrahasznosítási rendszereket az életciklus végén lévő fotovoltaikus panelekhez . 2010 óta egy éves konferencia gyűjti össze a gyártókat, az újrafeldolgozókat és a kutatókat, hogy megvizsgálják a fotovoltaikus panelek újrafeldolgozásának jövőjét.
Franciaországban a vége óta 2014. augusztusa kibővített gyártói felelősség keretein belül a gyártóknak, az importőröknek és a viszonteladóknak a hagyományos háztartási hulladékon (WEEE) kívül a használt fotovoltaikus paneleket ingyenesen és vásárlási kötelezettség nélkül kell visszavenniük . Ezek a vállalatok átmeneti időszak nélkül kötelesek finanszírozni és összegyűjteni az új hulladék kezelését, amelynek eredményeként minden eladott új fotovoltaikus kollektor ökológiai részvételt eredményez . 2010 és 2014 között számos felmérés és az Európai Unió becslése szerint az ilyen jellegű hulladék kétharmada soha nem jut el jóváhagyott újrafeldolgozó központokba, hanem hulladéklerakókba vagy külföldre kerül. Az új gyűjtési arányok 2016-tól az előző három évben eladott berendezések tömegének 45% -át teszik ki (ezt az arányt 2019-ben 65% -ra emelik). Ez a szöveg szigorúbb az elektromos és elektronikus berendezések hulladékainak külföldre történő szállítása tekintetében is.
A két leggyakoribb újrahasznosítási megoldás a következő:
Szilikon alapú modulok Az alumínium vázakat és a csatlakozódobozokat a folyamat kezdetén kézzel szétszerelik. Ezután a modult összetörik. Ennek a folyamatnak a különböző frakciói a vas- és színesfémek, az üveg és a műanyag, az átlagos újrafeldolgozási kvóta közel 80% (input tömeg). Például a fotovoltaikus panelekből származó üveget összekeverik a szokásos üveggel, hogy visszahelyezzék az üvegszálas vagy szigetelő szektorba. Ezt a folyamatot síküveg-újrafeldolgozók végezhetik el, mivel a PV-modul morfológiája és összetétele hasonló az építőiparban és az autóiparban használt síküvegéhez. Szilíciummentes fotoelektromos panelek A szilíciummentes fotovoltaikus panelek újrafeldolgozására vonatkozó technológiákat fejlesztettek ki. Egyesek vegyi fürdőt használnak a fotovoltaikus panelek különböző alkatrészeinek leválasztására és szétválasztására. Kadmium-tellurid paneleknél az újrahasznosítási folyamat a panel összetörésével kezdődik, ami a különböző frakciók későbbi szétválasztását eredményezi. Ez a folyamat lehetővé teszi az üveg 90% -ának és a félvezető anyagok 95% -ának kinyerését. A 2010-es években több újrahasznosító létesítményt hoztak létre magáncégek .Az elemeket szintén újrahasznosítani kell: bár sok fotovoltaikus berendezés csatlakozik az elektromos hálózathoz , néhány önállóan működik. A nap folyamán termelt energiát speciális akkumulátorokban tárolják (amelyek fokozatosan lemerülnek, és jobban ellenállnak a gyakori sekély kisüléseknek, az akkumulátor és a modul közé szabályozóval van felszerelve), és néha az autókéhoz hasonló akkumulátorokban. Az akkumulátor élettartama négy-öt év ( egyes legújabb modelleknél hét-tizenöt év ), és értékes és / vagy mérgező fémeket és termékeket (általában ólmot és savat) tartalmaz. 25 évig tartó fotovoltaikus panel esetén kétszer-hatszor kell újrahasznosítani akkumulátorok (a jelenlegi technológiákkal ).
A műszaki fejlődésnek köszönhetően az új generációs napelemek esztétikusabbak. Ennek oka a modulok hőkezelésének fejlesztése, valamint a monokristályos cellák előrehaladása , amelyek lehetővé teszik a sötét tengerészkék színű sima panelek gyártását, amelyek jól keverednek a tetőkkel. Az új szilíciummentes technológiák, például a napelemek hamarosan átlátszó napelemeket tesznek lehetővé.
2012 és 2018 között Kína világelsőnek bizonyult . 2018-ban a fotovoltaikus modulok 70% -át ott gyártották, néha akár 25% -kal olcsóbban, mint Franciaországban - állítja az Enerplan (a francia napenergia-társaságokat képviselve). 2012 óta a világ vezető befektetője a megújuló energiák terén is , de még mindig nem rendelkezik megfelelő infrastruktúrával az összes tervezett szolárpark összekapcsolására, ami arra késztette a kínai gyártókat, hogy több panelt értékesítsenek külföldön. Erre válaszul az Egyesült Államok 2018 elején emelte a tarifák emelését a kínai paneleken.
Az Európai Unióban 2017-ben a napenergia elérte a teljes villamosenergia-fogyasztás 3% -át, de a kínai versennyel szemben Európa mintegy 30 000 munkahely elvesztését kockáztatta, ami arra kényszerítette, hogy 11,8% -os dömpingellenes intézkedést alkalmazzon a hónapban.2013 Június, majd két hónappal később 47,6% -kal a Kínából importált panelekről. Európa különösen Kínát vádolja a napelemeket gyártó vállalatok túlzott támogatásával, ami lehetővé teszi számára, hogy napelemeket Európában alacsonyabb áron adjon el, mint a gyártási költség, és ezeket az intézkedéseket 2018 augusztusáig meghosszabbította napenergia-iparának védelme érdekében. 2017-ben az Európai Bizottság tizennyolc hónap alatt fokozatosan csökkentette ezeket az intézkedéseket, annak ellenére, hogy az „EU Prosun” termelői szövetség tiltakozott, amely szerint száz gyártó csődbe ment a kínai versenyben, amelyet ráadásul gyárépítéssel alkalmazkodtak Törökországban vagy a Cseh Köztársaságban, valamint európai vállalatok megvásárlásával például azzal, hogy 2016-ban megvásárolta a holland Solland Power-t a kínai Trina Solar (világelső). A fotovoltaikus parkokat képviselő SolarPower Europe szövetség szerint ezek a parkok ennek ellenére tovább fognak fejlődni Európában.