À propos de l'énergie solaire : Les défis de l'énergie solaire

Certains des défis de la production d'énergie solaire

• L'efficacité du panneau solaire

• Coût d'investissement initial et de maintenance élevé Système d'énergie photovoltaïque

• Rareté des terres et diminution de la valeur de la propriété

• Manque de travailleurs qualifiés

• Problème d'intermittence et de qualité de l'alimentation

• Rareté du matériel pour les cellules photovoltaïques

• Inconvénient environnemental

Efficacité des panneaux solaires

La puissance solaire moyenne à la surface de la Terre est de 174,7 watts par mètre carré et en une heure, le soleil fournit environ 3,21 x 10^20 joules d'énergie à la Terre.

Cela équivaut à 76 841 mégatonnes.

En moins de deux heures, le soleil fournit plus d'énergie que la planète entière utilisée en un an.

Mais seule une petite fraction de cette énergie peut être convertie en énergie solaire en raison de la moindre efficacité des cellules solaires.

Un panneau solaire est une combinaison de cellules solaires connectées en série ou en parallèle pour former un panneau solaire complet.

Les cellules solaires concentriques contiennent un matériau absorbant l'énergie lumineuse et le convertissent en énergie électrique.

L'efficacité des cellules solaires est limitée car un seul électron peut être excité par un photon, quelle que soit l'énergie photonique ou les paquets d'énergie disponibles à la lumière du soleil.

Les cellules photovoltaïques solaires ont également une efficacité maximale limitée, connue sous le nom de limite Shockley-Queasier.

L'efficacité de conversion solaire maximale d'une cellule solaire avec une seule jonction pn est d'environ 46% (théoriquement) avec la lumière solaire concentrique et les données en laboratoire, elle a atteint 27%.

Pour un usage commercial, cette efficacité n'est que de 16% de la taille totale de la cellule.

Cela signifie que lorsque la lumière du soleil tombe sur les cellules solaires, elle ne convertit que 16% de l'énergie solaire pour une utilisation ultérieure et le reste de l'énergie est gaspillé.

Le rendement élevé des cellules offre un coût unitaire inférieur, car il nécessite moins de surface pour générer le même watt de pointe d'électricité (Wp - la puissance de sortie générée par une cellule solaire sous un rayonnement solaire complet), diminuant ainsi le nombre de cellules requis.

En bref, avec des améliorations d'efficacité, la technologie de production d'énergie solaire pourrait avoir un potentiel important en tant que ressource énergétique.

Coût initial élevé d'investissement et de maintenance du système d'énergie photovoltaïque

Bien que l'installation de panneaux solaires apporterait d'immenses avantages à long terme, les coûts initiaux peuvent être punitifs.

Les panneaux solaires nécessitent également des inverseurs et des batteries de stockage pour convertir l'électricité directe en électricité alternative pour produire de l'électricité.

Alors que l'installation d'un panneau solaire est assez bon marché, l'installation d'autres équipements devient coûteuse.

Selon l'entreprise auprès de laquelle vous choisissez d'acheter des panneaux solaires, cela peut coûter un bras et une jambe.

Il est même difficile de quantifier le coût total de l'installation sans l'aide des entreprises manufacturières.

Certains pays ont introduit des remises et des crédits d'impôt pour permettre à de nombreuses personnes d'installer des panneaux solaires, mais à moins que vous ne mettiez de l'argent de côté pour cela, cela peut être un coût insupportable.

En outre, il peut s'écouler jusqu'à 10 à 15 ans avant d'atteindre le seuil de rentabilité avec votre investissement initial.

Il ne s'agit pas de combien la période de récupération est.

Tout ce qui peut réduire notre dépendance aux combustibles fossiles vaut la peine d'être essayé.

L'installation et la maintenance, en particulier, sont souvent sous-estimées, mais elles sont tout aussi importantes que les autres défis qui font de l'électrification à l'énergie solaire une perspective délicate.

Un autre défi concerne la manière dont les transactions d'achat de panneaux solaires sont structurées.

La plupart des installations de panneaux solaires sont une transaction unique où un client paie pour les panneaux, l'équipement et l'installation.

L'entreprise livre ces produits, puis installe les panneaux elle-même ou fait appel à des installateurs indépendants.

Dans ces accords, il est souvent difficile de savoir qui paiera l'entretien lorsque les panneaux solaires tomberont en panne.

De nombreuses entreprises ont peu de capacité financière pour amener des techniciens de réparation dans des endroits éloignés des années plus tard pour entretenir des panneaux (à part la réputation et la satisfaction de la clientèle, qui ne intéressent pas nécessairement certaines entreprises) car la plupart ont du mal à gagner de l'argent tel quel.

Les clients ne sont souvent pas non plus en mesure de payer beaucoup plus pour la maintenance, car ils ont déjà payé une prime initiale importante pour l'installation.

Les hôpitaux, les écoles et les entreprises ne peuvent pas se permettre de continuer à injecter de l'argent dans des systèmes solaires qui tombent en panne de manière inattendue après deux ans alors qu'ils étaient censés fonctionner pendant vingt ans.

Mais si personne n'est capable ou disposé à payer pour l'entretien, les panneaux restent inutilisés et gaspillés.

Rareté des terres et diminution de la valeur de la propriété

Une autre préoccupation est que l'énergie solaire peut occuper une quantité importante de terres et entraîner une dégradation des terres ou une perte d'habitat pour la faune.

Alors que les systèmes photovoltaïques solaires peuvent être fixés à des structures déjà existantes, les systèmes photovoltaïques à plus grande échelle peuvent nécessiter jusqu'à 3,5 à 10 acres par mégawatt et les installations CSP nécessitent entre 4 et 16,5 acres par mégawatt.

Selon leur emplacement, les installations solaires à grande échelle peuvent soulever des préoccupations concernant la dégradation des terres et la perte d'habitat.

Les besoins en superficie totale varient en fonction de la technologie, de la topographie du site et de l'intensité de la ressource solaire.

Contrairement aux installations éoliennes, il y a moins d'opportunités pour les projets solaires de partager la terre avec des utilisations agricoles.

Cependant, les impacts sur les terres des systèmes solaires à grande échelle peuvent être minimisés en les installant dans des emplacements de moindre qualité tels que des champs, des terrains miniers abandonnés ou des couloirs de transport et de transmission existants.

Les panneaux solaires photovoltaïques à plus petite échelle, qui peuvent être construits sur des maisons ou des bâtiments commerciaux, ont également un impact minimal sur l'utilisation des terres.

Ces dernières années, la publicité autour des fermes solaires a attiré l'attention des propriétaires et des évaluateurs.

Comme pour tout développement à grande échelle, le changement représenté par l'énergie solaire à grande échelle peut être préoccupant.

Les détracteurs expriment leurs inquiétudes concernant les impacts sur le hangar, les problèmes de drainage, l'idée de remplacer les terres agricoles productives par une utilisation industrielle, etc.

Une grande partie de cette inquiétude revient à une chose : l'impact potentiel sur la valeur des propriétés.

Une étude récemment achevée sur 400 000 transactions en Nouvelle-Angleterre sur 15 ans, a révélé que la valeur des propriétés résidentielles de banlieue subissait des impacts négatifs lorsque les fermes solaires à proximité remplaçaient des ressources perçues comme rares, telles que les espaces verts.

En revanche, cette même étude n'a trouvé aucun impact associé sur les valeurs foncières des fermes solaires situées en milieu rural.

Cependant, l'impact peut être réduit en plaçant les installations dans des zones de faible qualité ou le long des corridors de transport et de transmission existants.

Manque de travailleurs qualifiés en énergie solaire

Un obstacle majeur à l'installation de panneaux solaires est le manque de travailleurs qualifiés pour faire le travail.

Les clients pour les installations de panneaux solaires peuvent aller des hôpitaux nécessitant plus de 20 kilowatts d'électricité aux petits villages nécessitant moins de 500 watts pour alimenter l'ensemble du village.

Une formation est nécessaire pour comprendre les complexités de ces systèmes.

Ce problème est abordé de différentes manières.

Certaines entreprises embauchent et forment des équipes d'installation dédiées pour se déplacer dans de vastes zones pour effectuer le travail.

Le problème avec cet arrangement, cependant, est que les déplacements entre les chantiers sont inefficaces et que tout temps d'arrêt devient très coûteux pour les entreprises qui essaient de garder des équipes dédiées sur la liste de paie.

D'un autre côté, si ces entreprises embauchent des équipes d'installation indépendantes, il est plus difficile de garantir des normes de qualité.

De plus, les entreprises sont au gré des tarifs fixés par les équipages indépendants.

Sans oublier que dans certaines régions, il n'y a pas d'équipes d'installation indépendantes à louer.

La disponibilité d'une main-d'œuvre qualifiée est un défi majeur et le secteur solaire peut bénéficier de l'emploi de travailleurs des marchés du travail conventionnels avec des compétences pertinentes.

Cependant, le Programme des Nations Unies pour le développement (PNUD) intervient pour aider.

Récemment, au Mali, le PNUD a financé la formation de techniciennes solaires pour effectuer l'installation, la maintenance et l'entretien de l'ensemble de leur village.

Non seulement cela résout l'un des problèmes difficiles des installations solaires, mais la formation fournit également un élan économique pour l'ensemble du village.

Les femmes sont désormais en mesure de gagner un salaire vital pour aider à subvenir aux besoins de leur famille.

Intermittence - Problème de qualité de l'alimentation

L'un des plus gros problèmes posés par la technologie de l'énergie solaire est que l'énergie n'est générée que lorsque le soleil brille.

Cela signifie que la nuit et les jours nuageux peuvent interrompre l'approvisionnement.

La pénurie créée par cette interruption ne serait pas un problème s'il existait des moyens peu coûteux de stocker l'énergie car les périodes extrêmement ensoleillées peuvent générer des surcapacités.

Alors que la capacité mondiale d'énergie solaire continue d'augmenter, des pays comme le Japon et d'autres leaders mondiaux de la technologie de l'énergie solaire se concentrent sur le développement d'un stockage d'énergie adéquat pour faire face à ce problème.

Lors de l'intégration du système PV au réseau, le paramètre le plus important est la qualité de l'énergie.

La qualité de l'alimentation électrique est le degré auquel la tension, la fréquence et la forme d'onde d'un système d'alimentation électrique sont conformes aux spécifications établies.

Une bonne qualité d'alimentation peut être définie comme une tension d'alimentation stable qui reste dans la plage prescrite, une fréquence alternative stable proche de la valeur nominale et une forme d'onde de courbe de tension lisse (ressemblant à une onde sinusoïdale).

Une qualité d'alimentation défectueuse commencerait à endommager les appareils électriques et les éléments de distribution d'énergie, car les variations de fréquence provoqueraient des processus dans des zones indésirables.

Les différents problèmes de qualité de l'énergie ont été discutés :

Harmoniques

Les distorsions harmoniques sont le principal problème de qualité de l'énergie pris en compte dans les opérations des systèmes photovoltaïques connectés au réseau.

Les harmoniques sont des fréquences plus élevées indésirables superposées à la forme d'onde fondamentale créant un motif d'onde déformé, nature des courants harmoniques.

Les fréquences harmoniques sont des multiples essentiels d'une fréquence fondamentale.

La principale raison des harmoniques dans les systèmes connectés au réseau est le mécanisme électronique de puissance existant dans le système PV.

Conversion du courant continu au courant alternatif via des onduleurs ; infuser des harmoniques de tension et de courant dans le système, ce qui entraîne des problèmes de qualité de l'alimentation.

Un tel phénomène provoque une surchauffe des transformateurs et des batteries de condensateurs, rendant le système de plus en plus instable et peu fiable.

Variation de tension

La principale cause des variations de tension avec les systèmes PV intégrés au réseau est la nature intermittente de l'irradiance solaire.

L'irradiance solaire inégale est due aux nuages transitoires et à d'autres conditions environnementales.

Tous ces paramètres conduisent le système PV vers l'instabilité via un parcours de variations de tension.

Une variation de tension inégale entraîne un affaissement et une augmentation de tension et une interruption courte et longue.

Lorsque la tension d'alimentation chute pendant une courte période, on parle d'affaissement de tension (la tension tombe dans la plage d'amplitude de 10 à 90 % de la tension efficace).

Lorsque la tension d'alimentation augmente pendant une courte période, on parle de surtension (la tension augmente au-delà de 110 % de la tension efficace).

Interruptions courtes et longues : L'interruption est définie comme la diminution du niveau d'alimentation en tension à moins de 10 % de la valeur nominale pendant une durée maximale d'une minute est appelée interruption de tension.

Si l'interruption se produit pendant moins d'une minute, elle est définie comme une interruption courte alors que si la durée est supérieure à une minute, elle est dite d'interruption.

Cependant, le terme « interruption » est généralement utilisé pour désigner une interruption de courte durée, tandis que ce dernier est précédé du mot « soutenu » pour indiquer une interruption de longue durée ou longue.

Puissance réactive

Très souvent, un système photovoltaïque est destiné à fonctionner près du facteur de puissance unitaire, afin qu'il puisse utiliser au maximum l'énergie solaire.

Dans ce cas, le réseau électrique obtient la puissance réelle d'un système photovoltaïque qui ajustera la sortie de puissance réactive dans le système PV.

Par conséquent, la tension des bus à proximité sera améliorée en raison d'une puissance réactive déficiente.

Tout au long de l'action, la sortie de puissance habituelle du système peut avoir des résultats indésirables en raison d'une puissance réactive déficiente.

Cela peut réduire la puissance qui entraîne une transmission déficiente.

Variation de fréquence

La variation de fréquence (fluctuation) est une variation par rapport à la valeur nominale standard (généralement 50 ou 60 Hz) de la fréquence du système d'alimentation.

La variation de fréquence au-dessus de la valeur de tolérance (+/-5%) n'est pas bonne pour le système PV et peut conduire le système à s'effondrer.

Dans un système photovoltaïque, la variation de fréquence dépend des conditions climatiques, météorologiques et de la position topographique qui peuvent causer de graves problèmes.

Rareté des matériaux pour les cellules photovoltaïques

Les cellules solaires au silicium qui dominent actuellement le marché mondial souffrent de trois limitations fondamentales.

Une nouvelle façon prometteuse de fabriquer des cellules solaires à haut rendement, utilisant des pérovskites au lieu de silicium, pourrait traiter les trois à la fois et surcharger la production d'électricité à partir de la lumière du soleil.

La première limitation majeure des cellules photovoltaïques (PV) au silicium est qu'elles sont fabriquées à partir d'un matériau que l'on trouve rarement dans la nature sous la forme pure et élémentaire nécessaire.

Bien qu'il n'y ait pas de pénurie de silicium sous forme de dioxyde de silicium (sable de plage), il faut d'énormes quantités d'énergie pour se débarrasser de l'oxygène qui s'y attache.

En règle générale, les fabricants fondent le dioxyde de silicium à 1500-2000 degrés Celsius dans un four à arc à électrodes.

L'énergie nécessaire pour faire fonctionner de tels fours fixe une limite inférieure fondamentale au coût de production des cellules photovoltaïques au silicium et s'ajoute également aux émissions de gaz à effet de serre provenant de leur fabrication.

Certaines technologies solaires nécessitent des matériaux rares dans leur production.

Ceci, cependant, est principalement un problème pour la technologie PV plutôt que pour la technologie CSP.

De plus, ce n'est pas tant un manque de réserves connues que la production actuelle ne peut pas répondre à la demande future : bon nombre des matériaux rares sont des sous-produits d'autres processus plutôt que l'objet d'efforts miniers ciblés.

Impact environnemental

Bien que la pollution liée aux systèmes d'énergie solaire soit bien moindre par rapport à d'autres sources d'énergie, l'énergie solaire peut être associée à la pollution.

Le transport et l'installation de systèmes solaires ont été associés à l'émission de gaz à effet de serre.

Le seul inconvénient environnemental de la technologie solaire est qu'elle contient bon nombre des mêmes matières dangereuses que l'électronique.

Alors que l'énergie solaire devient une source d'énergie plus populaire, le problème de l'élimination des déchets dangereux devient un défi supplémentaire.

Cependant, en supposant que le défi d'une élimination appropriée soit relevé, les émissions réduites de gaz à effet de serre offertes par l'énergie solaire en font une alternative attrayante aux combustibles fossiles dans un avenir proche.

Cependant, certains matériaux et produits chimiques toxiques sont utilisés pour fabriquer des cellules photovoltaïques (PV) qui convertissent la lumière du soleil en électricité.

Certains systèmes solaires thermiques utilisent des fluides potentiellement dangereux pour transférer la chaleur.

Les fuites de ces matériaux pourraient être nocives pour l'environnement.

Les lois environnementales américaines réglementent l'utilisation et l'élimination de ces types de matériaux.

Comme pour tout type de centrale électrique, les grandes centrales solaires peuvent affecter l'environnement à proximité de leur emplacement.

Le défrichage des terres pour la construction et l'installation de la centrale électrique peuvent avoir des effets à long terme sur les habitats des plantes et des animaux indigènes.

Certaines centrales solaires peuvent nécessiter de l'eau pour nettoyer les capteurs solaires et les concentrateurs ou pour refroidir les générateurs à turbine.

L'utilisation de grands volumes d'eau souterraine ou d'eau de surface pour nettoyer les collecteurs dans certaines zones arides peut affecter les écosystèmes qui dépendent de ces ressources en eau.

De plus, le faisceau de lumière solaire concentré créé par une tour solaire peut tuer les oiseaux et les insectes qui volent dans le faisceau.

Néanmoins, l'énergie solaire pollue beaucoup moins que les autres sources d'énergie alternatives.