得到来自太阳的能量不是可再生,直到面板是可回收的。科学家詹姆斯·米切尔乌鸦会谈使它发生
在常规荒凉的新闻关于气候变化和碳排放,光伏(PV)的快速吸收太阳能技术是一个亮点。新安装光伏模块的数量每年继续超越所有,但阳光最强烈的预测。预测光伏安装即使在过去的五年里,喜欢的国际能源署(IEA)、国际可再生能源机构(IRENA)已经证明低估了技术的扩张。
“光伏吸收继续快速增长,”加文希斯说,美国国家可再生能源实验室的研究员在科罗拉多州,国际能源署专家小组负责人培养光伏可持续发展称为光伏发电系统技术协作项目任务12。从2000年的1.4千瓦累积总容量安装的光伏在2010年达到约50千瓦,2020年初超过600千瓦。吸收的速度仍在加速。
但是随着光伏领导人非常清楚,通往可持续能源发电还没有完成。一个典型的光伏模块预计将有25 - 30年工作生活。今天的光伏安装的快速增长将镜像,几十年下来,同样大幅上升的光伏电池板准备退休了。希斯和他的任务12同事估计,世界将面临一个累计800万吨临终的质量,到2030年,光伏模块和8000万吨,到2050年,届时可能代表超过10%的全球电子垃圾。
很多人有这样的误解,即把太阳能板屋顶解决问题的可持续能源发电,”孟道说,太阳能在美国亚利桑那州立大学的研究员。但有两个元素。一部分是拥有一个可持续的能源,但另一部分是拥有一个可持续发展的技术,利用资源。的今天,大多数使用PV最终在垃圾填埋场,几乎没有一个可持续的解决方案。不过卷曲光伏经济工作的顺利开展。
关注硅
临终PV的问题被广泛承认。在欧盟,PV已经在浪费电和电子设备(WEEE)规定,要求使用模块被回收。光伏专用回收设施正在操作。但这些过程是基于破碎板,而不是试图清洁提取它们包含高质量的硅和其他有价值的材料。普遍的共识是,硅光伏循环经济在很大程度上仍然是一项正在进行中的工作。“我们还没走到了尽头,尽管研究,“希斯说。
30 - 40000不同的硅模块已在过去三十年生产
结束正在进行的努力改善生活模块管理的直接目的是晶体硅。首先,因为晶体硅一直占主导地位的光伏技术,占有95%的市场份额,目前命令。第二,因为晶体硅的最近的PV对手,碲化镉薄膜,已经有效地回收利用。
最大的碲化镉太阳能制造商,第一太阳能公司,一直致力于完善其临终模块回收过程超过十年,且是必不可少的,鉴于碲的有毒性质和特别,镉。”,因为这个词在镉的名字,第一太阳能公司有显微镜在他们管理的镉通过其生命周期从一开始,“希斯说。“他们现在第三版本的循环系统,,到目前为止,世界上最大的光伏模块的商业回收商。
硅光伏回收带来了不同的挑战。而碲化镉PV是由一个制造商,许多公司让硅光伏模块,每一个他们自己的设计。”字面上30 - 40000不同型号的晶体硅模块已经在过去的三十年中,生产‘希斯说。“这是一个很多变化。没有一个化学公式中你会发现一个硅光伏模块”。
一件事可以依赖的模块没有轻易瓦解。“光伏模块是为了抵御恶劣的户外环境中元素的30年,”希斯说。”有一个原因是一个具有挑战性的问题从他们中提取材料。
将其分解
虽然有显著不同的细节,硅光伏模块共享一个一致的总体设计。每个模块包含多个单独的硅太阳能电池,覆盖基金属网格的。通过铜指定每个单元电连接,通常由锡铅焊料在地方举行。这种结构涂层、前后聚合物密封剂,通常polyethylene-co-vinyl醋酸(EVA)。
伊娃的上表面是连着一张高清晰度低铁玻璃。模块下面是最常见的相对密封的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氟乙烯(聚乙烯醇缩甲醛),虽然这里的趋势是将玻璃。铝制框架模块边缘周围,接线盒在面板的背面是电气连接的点。
水分是光伏模块的最终的敌人,最有可能的失败原因。多年来的天气,水可以慢慢渗透到伊娃密封剂,侵蚀互联。冰雹损坏或相对分层可以大大加速这一过程。
这通常是已经死亡的模块,而不是单独的硅电池,”理查德·Corkish说PV研究员澳大利亚新南威尔士大学的。但硅电池模块的组件本身做缓慢降低。光伏模块的运营商可能会决定,由于经济原因,更换一个工作模块性能低于一个阈值。
PV循环经济的一种形式是重用旧的但是功能模块,或至少从moisture-damaged模块提取功能的单个细胞(参见重用或回收吗?下文)。但即使一生可以扩展,最终所有的模块将达到在阳光下的时间。
第一个问题,潜在的重大金融和环境影响,运输使用PV集中回收设施。但一旦存在,光伏模块的前两个步骤循环很简单。去除铝框架很简单,有一个现成的市场废铝、“Corkish说。接线盒可以杠杆,可以在正常的电子垃圾回收流,恢复它所包含的铜。
然后剩下层压板:玻璃,密封剂,细胞,密封剂,跨栏,相对,“Corkish说。从这里开始,事情就变得更加困难。“你必须做点什么都是很好与密封剂粘在一起。”
这一过程就打碎它,然后试图单独对我不好
在第一个提供商业级硅光伏模块回收工厂,位于欧洲,方法迄今为止粉碎层压板。这是一个低成本的方法,但主要生产低品位、价值低、不洁净的玻璃碎玻璃。像玻璃占70 - 80%的模块质量,进一步和铝10%,该方法回收大部分的模块。但是收集到的铜、铝和玻璃碎玻璃只生成每个模块3美元,远低于成本的收集和处理模块。垃圾填埋仍然是一个相当便宜的选择。
一些设施还提取低品位,低价值的硅层压碎。但从材料的角度来看,作为一个经济,肮脏的硅和玻璃碎玻璃似乎返回从流的高质量玻璃和极纯硅电池。这一过程只是打碎一切,然后试图单独对我不好,“Corkish说。
光伏生产一系列的技术报告后回收IEA,希斯和他的任务12的同事结合所有生产他们的教训一个研发路线图,研究重点,旨在从临终晶体硅光伏模块中提取更多的价值。的材料,我们认为最可能值增加,当前的方法而言,硅,”希斯说。有相当多的价值可以增加从冶金级硅,纯粹的98%左右,接近太阳级硅,9 n [99.9999999%] 13 n纯。”
如果你能提取优质硅,以及银和额外的铜混合,回收收入将大幅跳,孟计算。“你可以生成9至10美元的材料,是今天收集到的三倍,”孟说。“我们如何增加收入来自光伏回收是我们研究的重点。
再利用或回收吗?
从环境的角度来看,我们应该谈论PV重用之前我们谈论回收,”新南威尔士大学的Richard Corkish(新南威尔士大学)在悉尼,澳大利亚。'如果你有一个流的旧太阳能模块——也许有人取代屋顶——有些可能很好,有很多的生活离开了。我们有兴趣看我们如何快速诊断工具和流程,廉价和高效分离PV模块用于重用,翻新,和回收。
在新南威尔士大学的一些技术开创了新的光伏模块的质量控制可以用于评估光伏电池板,Corkish说。我们有一个大计划的成像电池和模块,特别是使用光致发光或致发光光谱。的令人兴奋的光或电的太阳能电池,和测量发出的红外线,可以评估小组的表现。的光致发光允许你远程,就闪亮的光,“Corkish说。人们正在这样做,手持或无人机,原位监测使用。我们感兴趣的是将这些技术应用到生命的结束。”
大的梦想是提取细胞通过加氢将他们带回生活
理想情况下,Corkish想开发技术在一定程度上,它可以使用认证方案的基础模块,促进一个二手光伏市场。“我们想要的方法说“这个模块还好了10年,这是一个保证”。与临终PV治疗的所有方面,面临的挑战是评估板的最小成本。我们必须用新模块的背景越来越便宜。“不仅便宜,而且也更有效率。
然后在光伏模块,模块本身已经失败,但其中的硅电池的部分或全部保持功能——或者甚至可以恢复。积聚在硅缺陷可能被修复用同样的加氢技术用于提高新的硅片性能通过填写efficiency-sapping缺陷结构。“大梦想是提取细胞通过加氢让他们起死回生,”Corkish说。
但在加氢是之前,有解放的重大问题的硅电池密封剂,陷阱在层压太阳能模块。大多数方法最终破解脆弱的硅,尽管最近已经取得一些进展从密封剂中提取完整的硅电池使用热解。
希斯和他的同伴PV回收路线图的作者,但是,没有看到伟大的提取和重用完整的硅电池的可能性。我们说弱化这一想法,我们就看不到潜在的资产增加的收入大于附加成本,我们没有看到一个市场。的时候他们已经剥夺了从屋顶和运输回收设施,大多数模块已经被破解。即使完整,细胞在今天的模块使用纯净硅比使用20或30年前,和是一个不同的大小。“为什么你试图恢复没人想要的东西?希斯总结说。
但随着硅光伏技术成熟,有一天,我们将达到20年前的一个硅光电池将是非常类似于一个新崛起的细胞,Corkish计数器。很多人已经放弃了提取完整的细胞,”他承认。“我还没有完全放弃了,但我不确定我是对的。”
纯度问题
访问这些材料的第一步是干净地分离EVA层硅的玻璃前和随之而来的金属电极和互联。尝试各种方法,包括化学溶解EVA的方法,能够选择性燃烧和热解炉。每个方法都有利弊的过程和排放的成本或化学废物产生。
另一个选择,由日本公司开发的人大钢铁,是使用一个热刀切细胞和玻璃之间的聚合物。结果表的暴露硅电池,孟已经开发了一个过程分别分离出硅和各种金属。
最初,该团队使用硝酸。这溶解几乎所有的银、铅、铜和锡,只留下硅,“孟说。锡沉淀后,一个电化学过程称为电解沉积然后把剩下的金属的硝酸,一个接一个。我们施加一个电压的银。一旦删除,我们接下来的电压适用于铜。最后电压获得领先。
这个团队没能完全恢复金属,然而。我们可以得到只有70%的白银和80%的铜渗滤液,“孟说。主要的问题似乎是,随着银阴极,积累一些银会折断,再溶解。团队,与光伏回收合作启动TG技术,替代硝酸。关键是,当银阴极的分离,它不应该再溶解在渗滤液,“孟说。团队展示了银回收率超过99%,孟说。“现在我们正在调查其他金属和回收率的我们可以用同样的想法证明。”
同时,剥夺了金属、孟剩下硅,任何通常的测量,将被认为是非常纯洁。太阳级多晶硅的挑战是可能是人类有史以来最纯粹材料创建,13 n纯或更多。即使有完善的萃取体系,临终的硅光伏模块比当模块不纯是新的。的化学运输过程这些模块的接口操作时导致晶片表面的杂质,”希斯说。添加进一步的并发症,杂质的存在可能会有所不同从模块到模块,这姿势问题相当多远回去净化通路导致太阳级多晶硅恢复材料必须有槽。如何处理回收硅仍然是研究的主要领域之一,希斯和他的同事们强调他们吗最近的路线图。
“起初,我们以为你应该恢复加工作为太阳能级硅,再次使细胞,”孟说。但成本将纯度的硅回到这一水平被讨厌。现在,我们相信我们可以恢复硅片也许4或5 n纯洁。这是纯粹的比太阳级硅,但比冶金级净化。然而,目前还没有市场之间的硅冶金和太阳能年级,”他补充道。“我们正在调查其他市场硅,也许为锂离子电池。”(见下面的盒子硅存储)
硅在存储
硅从临终PV模块是否可以加工成本效益转回太阳能级硅仍然活跃的研究课题。但即使回收硅证明不适合可再生能源发电,它能找到一个使用可再生能源存储。
商用硅粒子花费几百美元每克
的能源存储技术在清洁能源经济将发挥关键作用,”伊恩说,电池迪肯大学研究员维多利亚,澳大利亚。但目前锂离子电池还不满意的的能量密度,和缓慢的充电和放电。“还有电池可持续性的问题,他补充道。
陈和他的团队一直在调查潜在的硅锂离子电池的阳极。硅提供了一个理论能量密度远高于目前使用的石墨的点球,但极端的电极在充放电过程中体积变化,导致电池快速失败。一个解决方案是纳米硅。“我们一直在努力,多年使用高档硅纳米颗粒,”陈说道。但商业硅粒子花费几百美元每克,我们想到的方法来生产这些以非常低的成本,然后我们考虑回收硅太阳能电池板,”陈说道。
团队已经开发出一种将恢复硅电池用纳米粒子——一个主意其他研究人员也追求。陈和他的团队目前正在致力于将硅纳米材料集成到石墨形成一个健壮的复合材料。我们运转设备,一些相当不错的性能结果,”陈说道。
电池并不是唯一的能源存储技术,可以使用回收硅,Corkish指出。几家公司正在开发新的技术,使用再生能源发电来加热硅、热储存能量。热硅可用于驱动热机释放电能,或加热空气驱动涡轮机结合热力和动力装置。这两种技术的试验正在进行中。
再循环能力下降
什么会带来最大的改变光伏模块可持续性,孟认为,会思考问题更全面的了解。“上个世纪我们高度关注技术进步,但不考虑整个生命周期,”他说。“太阳能模块的设计成本、效率、可靠性——但不是再循环能力。
如果有的话,太阳能电池有望成为困难,不容易,回收。一个行业的趋势是使用双层玻璃有两面的模块,不透明聚合物相对的第二片玻璃所取代,它允许光线进入从两边的面板,增加效率。但再循环能力,没有办法你可以单独的这些东西,除了粉碎的玻璃。然后你不能提取任何超出玻璃、铝和铜。
太阳能模块的设计成本、效率、可靠性——但不是再循环能力
另一个问题是用银。银硅后,可能是最昂贵的组件模块,因此光伏制造商已降低了银含量。但在回收时,银复苏的内在成本步骤是相同的,是否有一些银或很多。你到达点,银可以恢复甚至不提取的费用。所以我们希望模块有很多白银,或根本没有银。”
努力完全替代银铜替代正在进行中。我希望太阳能电池公司是成功的,但我希望他们还将可回收性纳入模块设计,“孟说。
詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚
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