淺談光伏組件的回收再利用技術(shù)

許海園 劉子靖 梁東義 張興 郭婧瀅

摘要：隨著光伏發(fā)電裝機容量和發(fā)電量比重的快速提升，光伏組件的報廢量迅速增長，研究光伏組件的回收技術(shù)迫在眉睫?，F(xiàn)根據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及光伏組件回收現(xiàn)狀，分析并對比了熱處理法、化學(xué)處理法和物理回收法3種主流的光伏組件回收利用技術(shù)，并對光伏組件的回收再利用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：光伏組件;回收;資源化;光伏產(chǎn)業(yè)鏈

0 引言

自20世紀70年代的全球石油危機后，各國開始尋找可以替代傳統(tǒng)化石能源的清潔能源，新能源得以正式發(fā)展，太陽能成為各國一致認為潛力最大的一次能源。在各類太陽能利用技術(shù)中，光伏組件由于在發(fā)電期間無噪聲、無二氧化碳，操作維護簡單而受到各國青睞。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及政策的推動，我國光伏發(fā)電技術(shù)和成本控制均具有明顯的競爭優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，2019年全球光伏累計裝機容量達627 GW，其中我國光伏累計裝機容量為204.7 GW，遠超“十三五”規(guī)劃目標。光伏產(chǎn)業(yè)在飛速擴張的同時，也面臨著新的嚴峻問題：光伏組件的壽命一般為25年，未來我國光伏組件的廢棄量將劇增，而光伏組件中含有少量的銀、碲、銦、鎵等稀有金屬，以及硅、玻璃、鋁、EVA膠等可利用資源，有非常高的回收價值。如果廢棄的光伏組件處理不當(dāng)，不僅會造成資源浪費，還會對生態(tài)環(huán)境造成不可預(yù)估的危害。目前國內(nèi)關(guān)于光伏組件的回收利用技術(shù)尚未成熟，為了推進光伏產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，開展對廢棄光伏組件的回收再利用研究刻不容緩。

1 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著新能源需求的不斷增加以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)作為新興的朝陽產(chǎn)業(yè)，發(fā)展?jié)摿薮?，全球增長態(tài)勢明顯。2010—2019年，全球光伏發(fā)電累計裝機容量從40 GW提升至627 GW，規(guī)模持續(xù)擴張，且光伏供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)主要產(chǎn)品價格均持續(xù)下降，組件價格下降幅度超90%，系統(tǒng)成本隨之下降。國際可再生能源署（IRENA）發(fā)布的《2019年可再生能源發(fā)電成本報告》稱，過去10年間，在各類可再生能源中，光伏發(fā)電平均成本降幅最大，超過80%。近10年來，我國光伏裝機量位居全球榜首，占據(jù)相當(dāng)大的規(guī)模，已經(jīng)具備完善的光伏產(chǎn)業(yè)鏈。

光伏發(fā)電的核心是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。基于光伏效應(yīng)原理，市場上采用的主流原材料是硅，晶體硅太陽能電池占據(jù)的市場份額最大。光伏產(chǎn)業(yè)鏈分為上游（太陽電池片）、中游（光伏組件）和下游（光伏系統(tǒng)）三部分。上游包括對晶硅原材料的提純、晶體硅生產(chǎn)和晶硅片生產(chǎn)，目前主要分為單晶硅片和多晶硅片兩種。中游包括太陽能電池及光伏組件的制造，其制造工藝流程主要有切片、制絨、擴散、刻蝕、沉積減反射膜、電極印刷、燒結(jié)等。下游包括光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成與運營，通過將光伏組件與控制器、逆變器、配電箱等設(shè)備進行組合，形成離網(wǎng)型或并網(wǎng)型的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

在光伏產(chǎn)業(yè)制造端各環(huán)節(jié)中，我國多晶硅產(chǎn)能達到46.2萬t，硅片產(chǎn)量134.6 GW，電池片產(chǎn)量108.6 GW，組件產(chǎn)量98.6 GW。光伏組件以25年的壽命計算，預(yù)計到2042年，我國光伏廢棄物將達到1 250萬～1 650萬t[1]。

太陽能電池組件的制備需要將電池串、鋼化玻璃、熱融膠黏膜（EVA）和熱塑聚氯乙烯復(fù)合膜（TPT）層壓粘接在一起，再封裝鋁框、接線盒后，形成完整的光伏組件。光伏組件中九成以上的材料都可以回收再利用，經(jīng)過無害化處理和有效資源的回收再利用，能夠有效避免組件產(chǎn)生有毒氣體，還可以保護生態(tài)環(huán)境，促進光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 光伏組件回收技術(shù)

目前國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)中各企業(yè)的關(guān)注熱點在于提高光伏組件的產(chǎn)能效率，研究熱點是提高太陽電池片的轉(zhuǎn)換效率，均缺乏對廢棄組件處理的重視。而在國外，歐洲一些國家已經(jīng)成立了相關(guān)組件回收組織，如PV Cycle，該組織基于經(jīng)濟、可行的回收網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)回收了上萬噸的廢棄光伏組件，具有一定的借鑒意義。

根據(jù)所述光伏組件的封裝結(jié)構(gòu)，在對光伏組件進行回收時需要對組件進行拆解，去除鋁邊框、鋼化玻璃和TPT背板。其中，EVA膠膜與電池組的分離技術(shù)是組件回收中的關(guān)鍵技術(shù)。目前主流的回收技術(shù)主要有：熱處理法、化學(xué)處理法和物理回收法，新興的回收技術(shù)有震蕩法、熱刀熱絲法等[2]。

2.1? ? 熱處理法

熱處理法有固定容器和流化床反應(yīng)器熱處理法等，一般是對整個組件進行高溫分解，可將EVA膠、電池組串、玻璃等層壓部分分離，得到較完整的分離件。田建軍[3]采用熱重分析和傅里葉變換紅外光譜（TGA-FTIR）聯(lián)用技術(shù)對EVA的熱穩(wěn)定性和熱分解產(chǎn)物進行了研究，通過熱重分析計算出EVA中乙酸乙烯酯的含量，通過熱重-紅外光譜聯(lián)分析得出逸出氣體全部為揮發(fā)性脂肪烴，可能含有1-異丙烯、1-庚烯、3-癸烷等。

該方法可保持光伏組件本身的完整性，但在熱處理過程中容易產(chǎn)生部分有害氣體及其衍生物等有害物質(zhì)，若可以將產(chǎn)生的廢氣二次利用，如作為熱源使用等，將會有很好的前景。

2.2? ? 化學(xué)處理法

化學(xué)處理法主要采用化學(xué)溶劑，如有機溶劑溶解（三氯乙烯等）和無極酸堿溶解（氫氧化鉀等）。張雷[4]等針對廢舊多晶硅太陽能電池的回收工藝進行了研究，去除電池的鋁背和鋁硅層后，再經(jīng)去離子水洗凈干燥，去除氮化硅減反射膜、磷擴散層以及金屬雜質(zhì)，可得到高純硅片。該工藝路線回收的硅片進行檢測發(fā)現(xiàn)，多晶硅的回收率為76.4%。董莉[5]等對晶硅太陽能電池的資源化回收路線進行了實驗研究，采用20%的鹽酸反應(yīng)40 min去除鋁，35%的硝酸反應(yīng)30 min去除銀，40%硝酸-6%氫氟酸反應(yīng)75 min去除硅，通過對太陽電池的分步回收，實現(xiàn)了85.5%的硅回收率。

化學(xué)處理法技術(shù)較為成熟，但在處理過程中，會產(chǎn)生大量的酸性液體和有機廢液，處理難度較大且會造成較為嚴重的環(huán)境污染。

2.3? ? 物理回收法

該方法一般需要先拆除組件鋁邊框和接線盒，對無框組件進行機械粉碎處理，再對粉碎后的顆粒進行分離。國內(nèi)英利集團率先進行了相關(guān)技術(shù)的探索[6]，提供了一種模塊化光伏組件分解回收處理裝置，可剪切并擠壓拆除后的光伏組件中的電池，得到光伏電池顆粒，在低溫環(huán)境下磨削EVA顆粒，最后振動篩分含硅、背板和EVA的混合顆粒。

相較于熱處理法和化學(xué)處理法，物理回收的過程中不會造成環(huán)境污染，可實現(xiàn)無害化處理，但最終得到的是不同材料的混合物，無法實現(xiàn)單一組分的充分分離，因此該方法還處于優(yōu)化階段。

3 結(jié)語

我國對光伏組件回收再利用的探索起步較晚，在技術(shù)層面上尚未做到無害化處理，經(jīng)濟層面上成本高、收益低，政策層面上缺乏政策和法規(guī)的指導(dǎo)，因此尚無成熟可行的技術(shù)路線。根據(jù)上述對目前主流回收技術(shù)的介紹可以發(fā)現(xiàn)，不同的處理方法各有優(yōu)缺點，且我國現(xiàn)有光伏組件的使用區(qū)域多集中在偏遠郊區(qū)，在具體的實施過程中會增加不少運輸成本。針對我國目前光伏組件的回收現(xiàn)狀，首先要在思想上充分認識到光伏組件回收的必要性和緊迫性;其次，要增強與國外的調(diào)研合作，引進國外較成熟的回收路線，加快我國自主研發(fā)速度;最后，促進相關(guān)實驗室的建設(shè)，加大研發(fā)投入力度，解決回收率低、有害物處理等技術(shù)難題，建立適合我國的光伏組件回收產(chǎn)業(yè)鏈。

[參考文獻]

[1] 肖敏志，劉璐，宋巍巍.光伏廢棄物及其回收技術(shù)綜述[C]//

2019中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會科學(xué)技術(shù)年會論文集（第二卷），2019：1076-1080.

[2] 鄭璐，馬昀鋒，楊紫琪，等.晶硅光伏組件回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電源技術(shù)，2020，44（5）：778-780.

[3] 田建軍，姜恒，蘇婷婷，等.基于TGA-FTIR聯(lián)用技術(shù)的EVA熱解研究[J].分析測試學(xué)報，2003，22（5）：100-102.

[4] 張雷，吳翠姑，陳志軍，等.廢棄多晶硅太陽電池回收高純硅片工藝研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2017，42（8）：626-630.

[5] 董莉，馮晉堯，劉景洋，等.廢晶硅太陽能電池資源化分類回收技術(shù)研究[J].環(huán)境污染與防治，2020，42（6）：678-681.

[6] 英利集團有限公司.一種光伏組件分解回收的方法及其裝置：CN201210058374.X[P].2012-07-04.