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中国废旧光伏组件回收现状与未来发展

作者:user 来源:  日期:2019-12-13 23:18

随着可再生能源的广泛应用,截止2018年底中国的光伏装机容量已达1.74亿千瓦,未来还将持续增加,随之而来的问题是上世纪末第一批光伏器件的废旧以及因前些年急功近利的光伏热所产生的一部分缺少维护的光伏组件提前大规模报废,设备得不到良好的处理,会带来资源浪费,环境污染等一系列严峻问题。本文就光伏组件的废旧处理问题进行详细分析并给出建议。 
  关键词:废旧光伏组件 ;回收;资源再利用 
  1光伏组件废旧现状 
  1.1光伏组件理想寿命 
  光伏组件中电器元件设计寿命大于25年,逆变器的寿命为25年(中途更换一次),内部电容使用寿命为15年左右,光伏电站使用的蓄电池正常寿命为10~15年1,且在考虑到光伏电池本身的效率衰减问题,目前普遍认为的光伏组件理想寿命为20年左右。 
  1.2光伏组件实际寿命 
  理想的寿命虽考虑到组件的老化和衰减问题,但仍处于良好维护,无外界损坏,制造工艺精细的假设下,而实际运行的电站还存在大量问题使光伏组件提前报废。 
  1.2.1电场维护不佳 
  目前存在大型电站因运维工作量大而导致的不能及时维护,小型分布式电站因无专业运维人而使组件得不到恰当维护。 
  甚至出现大量因以赚取国家补助而建立的电站,建成便开始荒废,使得组件迅速老旧报废。 
  1.2.2生产工艺不达标 
  在前些年国家政策对于光伏产业的大力扶持之下,部分企业急功近利,纷纷建立生产线。本理论上500~600家企业和行业需求量,实际却出现近10万家光伏企业。而很大一部分的企业工艺,用料等都不符合標准,除去电池效率低下,因工艺如组装封装性能不达标2等而在造成电池投入运行后纷纷暴露各种性能问题,甚至报废。 
  1.2.3外界环境对光伏板损坏 
  目前大型电站都建筑在荒漠,戈壁,山地上,其强劲的风沙对光伏组件产生极大的损坏;以及太阳能光伏板中因飞鸟,灰尘落叶等遮挡物使器件局部发热所引起的热斑效应,使实际的太阳电池寿命会至少减少10%左右。3 
  1.3光伏组件报废浪潮提前到来 
  目前中国的光伏器件的报废来源主要有以下两种,一是上世纪末第一批光伏组件的服务期满,二是在“光伏热”下大量工艺不合格的器件在投入运行中的迅速损坏。在2020年后晶硅光伏组件的废弃量将显著增加,若在运行一般的情况下,预计到2034年累计废弃量将超过70GW。光伏器件的报废问题已经是十分严峻的问题。4 
  2光伏组件报废的资源环境问题 
  2.1资源问题 
  因国内几乎尚无致力于光伏电站废弃处理的公司,一般光伏组件报废后,采取就地搁置的措施。 
  不可再发电的光伏组件,仍占用一定面积,是对于国土资源的极大浪费。其次光伏电厂中用来固定组件的混凝土桩得不到良好处理,会废弃在土地中,限制土地资源的再利用。 
  除过对于土地资源的浪费外,还有对于材料资源的浪费。就目前的晶硅电池的组成而言,若将太阳电池个部分分解提炼后各项资源的重量比为:玻璃70%,铝10%,硅5%,粘合封胶10%,其他5%。而废弃后的这些资源将会因不到重复利用而浪费。5 
  2.2环境问题 
  在晶硅太阳电池的制备中,部分步骤涉及到一些具有对于环境有污染破环的酸性试剂;以及如非晶硅,CdTe,以及CIGS光伏电池会产生酸性气体包括二氧化硫,氮氧化物等的排放,且通过实验发现,温室气体的排放速率较酸性气体的排放速率更高6; 
  废旧光伏组件除去电池释放的污染性物质,组件中的蓄电池也是环境的重要污染源,以青海省为例,有调查显示废弃电池组件中的蓄电池对土壤,地下水,草原生态环境造成污染破坏7,其次碱性混凝土桩也会对土壤构成影响和污染。 
  从上述我们可以看出,废旧的光伏组件会对资源和环境造成极大的影响,在大规模光伏组件的浪潮到来时,如何合理的进行设备回收,无害化处理,再利用成为目前光伏应该高度重视以及亟待解决的问题。 
  3光伏设备回收处理技术 
  3.1光伏电池的回收处理 
  太阳电池的密封性能好,EVA胶膜和背板,玻璃和EVA胶膜的剥离强度分别达到20N/cm和30N/cm。必先进行电池的拆解才可回收利用。8目前以破坏EVA胶膜为核心的技术分为物理分离,化学分离法,物理和化学法结合的方法。 
  3.1.1物理拆解法 
  一般采用粉碎筛选法。 
  通过粉碎机进行机械处理后,采用双辊式高压静电分选装置,可回收废旧电池中的额金属和非金属。实验表明此方法能获得的最高效率为金属17.4%,非金属18.29%。9 
  3.1.2化学拆解法 
  对于PVB胶膜可将其溶解在大多数醇,酮,醚,酯类有机溶剂中; EVA胶膜可在有机溶剂中发生物理性状变化,从中回收钢化玻璃,使EVA胶膜膨胀再通过热分解法出去胶膜。将得到的光伏电池室温下浸于添加表面活性剂的化学腐蚀液20分钟,可回收86%纯度达99.999%的硅。10 
  3.1.3物理和化学法结合拆解法 
  以多晶硅组件为例,首先采用对去除背板的电池高温焚烧的热处理,经济高效的拆卸组件,接着对分离后的电池片进行化学处理,分离铝背电极,银电极,减发膜,和p-n结,得到纯硅。 
  以CIGS电池组件为例,首先通过粉碎机和锤膜机进行机械处理后,再加入硫酸,双氧水进行氧化,将CIGS和玻璃,EVA分离,再进行固液分离后经过物理化学反应后转换为可利用物质。11 
  目前热处理步骤,实验证明通过热处处理去除背板后硅片的完整性更高12。 
  3.2非光伏电池组件的回收方式 
  3.2.1蓄电池回收 
  当前我们尚未形成较为规范的回收市场,回收率低且不具备专业拆解技术。
 国外发达国家尤为重视废旧蓄电池回收处理。有火法,湿法,干湿结合的工艺。在完备的自动化机械设备下,于密封负压下对废旧铅蓄电池进行粉碎,再通过分选技术将合金颗粒,铅泥,塑料,硫酸溶液等进行分离,且将废气废水等处理后排放。13目前湿法结合电解法的工艺结合,可使95%~97%铅得到回收。14 
  3.2.2其他组件的回收 
  典型的晶体硅太阳能电池板有65-75%的玻璃、10-15%的铝制框架、10%的塑料。进行分拆、分拣后可会被送往不同的行业进行再利用。其中,三分之二的玻璃回收后成为了碎玻璃,被送往玻璃制造业;铝制框架被送往铝精炼厂;废塑料可作为燃料使用在水泥厂;最后,剩下的缆线和接头会被压碎后以铜珠的形式出售。15 
  4光伏组件回收的困难 
  4.1技术因素 
  目前,对于光伏电池回收的技术大多尚处于实验室探索阶段,就上面所提到各种拆解方法而言,还分别存有一定弊端。如化学法中试剂昂贵且有毒,且有机酸无机酸仅针对EVA分离而未考虑边框拆除,晶硅再利用;涉及热处理的步骤,会产生有害气体。 
  4.2 政策和经济因素 
  目前大多数的目光还都聚焦在如何体改光伏的转换效率,怎样改进工艺,如何减少生产中的环境问题。甚少有人关注到废弃光伏电池的处理问题。我国目前并未具有较为完整的废弃光伏组件管理回收的方向指示以及相关政策法律。使得光伏组件废弃回收处于无指导思想,无足够重视,无专门管理组织的混乱境况。 
  其次,相较于拥有补贴的光伏电厂建立,废旧回收因尚未形成完整体系导致运输和回收成本过高以及本身可获得利润较小的原因,相关企业目前积极性不高,市场却少动力。 
  5.对光伏废旧回收的建议和展望 
  针对现阶段我国将有大批光伏组件老旧废弃的棘手现状,却因技术和政策等原因形成大规模回收产业困难重重的问题。主要有以下建议 
  首先,结合我国光伏产业实际情况,尽快组织起相关管理机构,并由其探索出台相关的指导思想。如日本2000便由日本太阳能发电协会(JPEA)组建了太阳能电池循环再利用试验小组,进行太阳能电池使用后处理方法的调查,最终发行《关于太阳能电池类物品废弃处理的法律事项》。2015年日本太阳能发电协会与经济产业省和行业团体合作,制定了“光伏发电设备的拆除、搬运及处理方法的相关指导方针。以及欧盟2012年重新修订了《欧洲废弃电子电器产品管理条例》(WEEE 2.0),将太阳能光伏组件纳入管理范围,出台了强制回收光伏组件的相关规定。借鉴国外前例,开展政策研究,制定行业规范,完善回收体系要求。 
  在回收政策的加持下,应重视对于回收技术的研究。加大对于废旧太阳电池清洁高效回收方向研究的鼓励指引,以及科研经费上的投入。针对目前各种回收技术进行试验评估,分析建立适于我国的技术方案,进而对工艺条件和设备开发进行针对性完善。 
  未来,光伏企业将建立一个完备的回收体系,有规划性的在光伏组件废旧后进行清洁无污染的回收积极再利用。甚至可以学习美国First Solar在出售建立电厂之初便预留回收的费用,在中国联合光伏生产商和回收利用企业,形成完备的光伏生命周期管理。 
  6结语 
  通过本文希望能够使我国光伏废旧组件的回收利用的严峻问题得到重视,不再任其自然发展而导致各种能源和环境问题。形成完备的光伏生命周期管理,在逐渐成熟的回收技术和明确的政策指引规范下,最大限度降低废旧光伏板对环境的影响,提高对于资源的再利用率,减少对原生矿等资源的进一步消耗。达到有准备的应对光伏废旧浪潮,使光伏资源真正做到清洁能源,使资源环境可持续发展的战略目标。 

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