光伏组件回收再利用简析.pdf

研究与综述光伏组件回收再利用简析刘志海中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：10 0 3-19 8 7（2 0 2 4）0 1-0 0 0 9-0 6Analysis of Photovoltaic Module Recovery and ReuseLIU Zhihai国家则纷纷出台光伏行业鼓励政策，方使全球光1全球及中国光伏行业发展概况光伏（PV），也称为太阳能电池，是将太阳光能直接转化为电能的电子设备。光伏发电技术可以追溯到18 39 年法国科学家EBecquerel发现液体的光生伏特效应。19 54年5月美国贝尔实验室的恰宾、富勒和皮尔松制成效率为6%的单晶硅太阳电池，同年，维克尔在玻璃上成功沉积出硫化镉薄膜，制成第一块薄膜太阳电池，之后光伏电池逐渐步人实用化。光伏发电大规模商业化应用是从德国率先开始的。2 0 0 4年，德国推出了修改的可再生能源法（EEG-2004），强制光伏发电并网，并规定了为期2 0 年的补贴方案。之后西班牙、意大利、日本等发达国家纷纷对太阳能发电进行大力扶持和推广，光伏发电行业展现强劲发展的态势，使众多光伏厂商进行产能扩张，全球光伏发电装机容量一时呈现出快速增长趋势。2 0 11年后，欧洲各国调整政府补贴政策，降低政府补贴，光伏市场出现菱缩，因之前大幅扩张而增加的产能出现严重过剩，导致全球光伏行业供需失衡。在此期间，美国、印度和亚太等发展相对迟缓的地区及1995年2005年全球0.58中国一中国占比/%伏行业逐渐走出调整期，供需重新得到平衡。我国太阳电池的研究开发始于19 58 年，19 7 1年就成功地将自主研发的太阳电池首次应用于我国发射的东方红二号卫星上，后于19 7 3年开始将太阳电池用于地面。自19 8 1年开始，太阳电池及其应用开始列入国家的科技攻关计划，通过“六五”到“十一五”六个五年计划，我国在太阳电池器件和应用技术方面取得了可喜的成绩。2 0 0 0 年以后，国家科技部又启动了国家“8 6 3”计划和“9 7 3”计划，分别对光伏发电的产业化技术和基础性研究给予支持。自2 0 13年起，我国陆续发布了国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见国家发改委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知等产业政策，完善了光伏行业价格及竞争体系，确保市场的完善运行。综合IEA、IR E NA 及我国相关部门数据，2021年全球光伏累计装机容量9 45.6 9 GW，同比增长33.3%，是2 0 10 年的2 3.6 倍，2 0 15年的4.3倍；我国累计装机容量30 8.52 GW，同比增长2 1.3%，是2 0 10 年的30 2.4倍，2 0 15年的7.1倍，约占世界累计装机容量的32.6%。具体数据见表1、表2。表119 9 52 0 2 1年全球及中国光伏累计装机容量2000年2015年1.435.250.030.142.12.7GW2010年2020年40.13217.461.0243.542.520.02021年709.67945.69254.36308.5235.832.69全国性建材科技期刊一一玻璃表2 2 0 2 1年全球光伏当年装机容量及累计装机容量排名前10 的国家或地区当年新增装机容量/GW累计装机容量/GW排名国家或地区全球1中国2美国(3）欧盟3印度4日本5德国6巴西7澳大利亚8西班牙9韩国10法国2全全球及中国废弃光伏组件状况2.1光伏组件寿命及主要影响因素2.1.1影响光伏组件寿命的主要因素影响光伏组件寿命的主要因素有功率衰减、热斑、内部隐裂、焊接脱焊以及恶劣气候破坏等。光伏组件功率衰减是指随着光照时间的增长，组件输出功率逐渐下降的现象。光伏组件的功率衰减现象主要包括组件初始光致衰减、组件老化衰减以及由于破坏性因素导致的组件功率衰减。光伏组件热斑是指组件在阳光照射下，某个单体电池片被小的物体遮盖，导致此单体电池片所能产生的电流变小，使该单体电池片带负压，成为负载，并以发热形式消耗其他单体电池片发出的能量，甚至因温度过高而被烧损。光伏组件隐裂是指电池片中出现细小裂纹，电池片的隐裂会加速电池片功率衰减，影响组件的正常使用寿命，同时电池片的隐裂会在机械载荷下扩大，有可能导致开路性破坏，隐裂还可导致热斑效应。光伏组件焊接脱焊是指由于太阳电池片之间102024年第1期总第38 8 期装机容量排名173.4754.1626.8726.8013.666.545.765.504.944.904.233.35国家或地区全球1中国(2)欧盟2美国3日本4印度5德国6澳大利亚7意大利8韩国9西班牙10越南的间距设计不合理或焊接质量不良，加之长期处于温差环境经历热胀冷缩，导致焊带和电池片焊接脱焊使组件失效甚至报废。光伏组件恶劣气候破坏是指因光照（如紫外光强度）、气候现象（如长时间降水、大风、沙尘、冰電、积雪等），导致组件损坏及报废。2.1.2光伏组件的寿命业内普遍认为晶硅光伏电池的平均使用寿命是2 530 年，非晶硅光伏电池的寿命也在15年以上，其他材料的光伏电池寿命为2 0 30 年。2021年2 月2 3日工业和信息化部公告2 0 2 1年第5号发布的光伏制造行业规范条件（2 0 2 1年本）规定，“组件功率质保期不低于2 5年，工艺及材料质保期不少于10 年”2022年4月1日起实施的国家标准GB55015一2021建筑节能与可再生能源利用通用规范中规定：“太阳能光伏发电系统中的光伏组件设计寿命应高于2 5年，系统中的多晶硅、单晶硅、薄膜电池组件自系统运行之日起，一年内的衰减率应分别低于2.5%、3%、5%，之后每年衰减应低于0.7%”装机容量945.69308.52178.70123.0078.4160.4059.6626.0422.5921.5518.5017.40研究与综述2023年1月1日起生效的尚德太阳能光伏组具有2 5年的性能保证，双玻组件30 年的性能保件有限质量保证中承诺：尚德太阳能光伏组件证。具体数据见表3。表3尚德太阳能光伏组件有限质量保证第2 年第2 5年每年第1年衰减最大平均衰减高效单晶组件2高效单晶双面双玻组件2TOPCon单晶组件1TOPCon单晶双面双玻组件12.2全球及中国废弃光伏组件状况2.2.1全球及中国废弃光伏组件产出情况据初步推算，2 0 2 1年全球废弃光伏组件产出表42 0 10 2 0 2 1年全球及中国废弃光伏组件产出情况2010年全球废弃光伏组件/万t0.29中国废弃光伏组件/万t0.01中国占世界比例/%3.42.2.2光伏组件主要材料构成情况光伏组件通常由玻璃基板、封装材料、硅晶片（电池片）、背板和金属组成。封装材料一般选用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA），其对玻璃、电池片以及背板均具有良好的粘合性能。300W400平均质量20.13电池片0.84EVA胶片1.67铝边框2.76玻璃13.56其中背板焊带汇流条硅胶+AB胶%第2 年第30 年每年质量保证期结束时功率最大平均衰减输出不低于铭牌额0.5584.80.4584.950.489.40.487.4量约为12.42 万t，中国废弃光伏组件产出量约为2.65万t，约占全球废弃量的2 1.3%。2 0 10 2 0 2 1年全球及中国废弃光伏组件产出量如表4所示。2015年2019年3.888.500.421.8210.821.4对近年来的主流光伏组件参数进行简单整理，得出单玻晶硅光伏组件主要材料构成及比例如表5、表6 所示。其中玻璃质量占比最大，约为67.3%，其次是铝边框，占比约为13.7%，再次为EVA胶片占比约为8.3%。表5不同功率光伏组件的主要材料构成400W50023.280.981.943.1515.690.951.100.100.120.020.020.230.282020年10.002.2322.3500W60028.671.202.383.9419.271.350.150.030.352021年12.422.6521.3600W33.461.402.774.6322.471.570.180.030.41kg11全国性建材科技期刊一一玻璃表6 不同功率光伏组件的主要材料构成比例300W400400W500电池片4.17EVA胶片8.30铝边框13.71玻璃67.36背板4.72焊带0.50汇流条0.10硅胶+AB胶1.14合计100.002.3光伏组件的主要回收方法光伏组件中的玻璃基板、硅晶片和背板中的玻璃、硅、铝、银等各组分材料，大部分能够通过回收实现循环再利用。目前，光伏组件的回收方法主要有物理法和化学法两大类，其中物理法又分为机械法和热解法两种；热解法又可分为低温热解法和高温热解处理方法采用物理或机械方式对废弃光伏组物理法件及零部件、材料进行预处理、拆解、破碎、分离利用EVA或POE在化学溶剂中会氧化学法化和分解的特点，通过在化学溶剂中浸泡层压件来实现层压件的分离3我国光伏组件回收政策及标准情况我国光伏产业真正发力于2 0 13年，之前由于种种原因，发展较为迟缓。2 0 13年，我国以新增122024年第1期总第38 8 期500W6004.204.198.338.3013.5313.74.67.4067.224.734.710.520.520.090.101.201.22100.00100.00法。高温热解法是利用EVA或POE在高温下会逐渐分解的特点从而去除EVA或POE胶片，去除率可达到9 9%以上。化学法又分为无机酸溶解法和有机酸溶解法两种，使用化学溶解法时，硅的回收和再利用率一般可以达到9 0%以上，且该方法能够得到完整的硅片。光伏组件的主要回收方法见表7。表7 光伏组件的主要回收方法简要说明采用分选、清洗、干燥等方式进行预处理采用人工或机械拆解方式分离边框、引出端等采用加热、高压剥离、切割等物理方式，将玻璃与其他材料（背板、胶膜、焊带、电池片）分离采用剪切、低温磨削、振动筛分、漂浮分选、离心分选等物理方法，进行背板、胶膜、焊带、电池片等材料的分离无机酸溶解法：一般采用硝酸和过氧化氮的混合物。有机酸溶解法：一般采用甲苯、三氯乙烯、苯、邻二氯苯或丙酮等溶剂，利用有机溶剂使EVA膨胀，从而使层压件分离。装机容量11.3GW跃居当年新增装机容量世界首位；2 0 15年我国以累计装机容量43.5GW超越德国39.7GW，位居世界首位。之后，无论是当年新增装机容量还是累计装机容量都稳居世界第一。%600W4.188.2813.8467.154.690.540.091.23100.00研究与综述鉴于我国光伏产业步人高速发展的轨道，国资源加工利用项目集聚发展。家产业政策由“积极发展”、“重点发展”到（6）国家发展改革委、国家能源局等部门“大力提升”的转变，其政策及标准基本涵盖了发布了关于印发“十四五”可再生能源发展规整个产业的产品、技术、装备以及应用等环节。划的通知（发改能源【2 0 2 1】1445号），主要同时，废弃光伏组件回收的政策及标准也得到多内容：可再生能源尤其是风电、光伏发电设备批维度的迅猛开展。量退役与回收处理问题将制定具体的管理办法。3.1我国光伏组件回收政策（7）国务院发布了关于印发2 0 30 年前碳我国光伏组件回收政策早见于2 0 17 年12 月工达峰行动方案的通知（国发【2 0 2 1】2 3号），信部、科技部2 0 17 年第6 1号令国家鼓励发展的主要内容：推进退役动力电池、光伏组件、风电重大环保技术装备目录，“废晶体硅太阳能电机组叶片等新兴产业废物循环利用。池板资源回收成套装备”列入其中。近两年，我（8）国家能源局、科学技术部发布了关于印发国光伏组件回收的支持政策及管控政策数量增“十四五”能源领域科技创新规划的通知（国多、力度加大。我国光伏组件回收的主要政策：能发科技【2 0 2 1】58 号），主要内容：研发基于物（1）工业和信息化部、科技技术部制定了理法和化学法的晶硅光伏组件低成本绿色拆解、高国家鼓励发展的重大环保技术装备目录（2 0 17 年价值组分高效环保分离技术装备，开发新材料及新版）（2 0 17 年第6 1号），主要内容：废晶体硅太结构组件的环保处理技术和实验平台，高效回收和阳能电池板资源回收成套装备。再利用退役光伏组件中银、铜等高价值组分。（2）科技部发布了“可再生能源与氢能技（9）财政部、国家税务总局等部门发布了术”重点专项2 0 18 年度项目申报指南，主要内关于公布资源综合利用企业所得税优惠目录容：晶硅光伏组件回收处理成套技术和装备。（2 0 2 1年版）的公告（公告2 0 2 1年第36 号），（3）国家能源局编制了国家能源局2 0 2 0 年主要内容：三、再生资源：废弃电器电子产品、度能源软科学研究选题指南，主要内容：光伏废旧电池、废感光材料、废灯泡（管）、废旧太电站设备回收利用技术。阳能光伏板、风电机组。（4）国家发改委、工业和信息化部等部门联（10）工业和信息化部、住房和城乡建设部合印发了关于“十四五”大宗固体废弃物综合等部门发布了关于印发智能光伏产业创新发展利用的指导意见（发改环资【2 0 2 1】38 1号），行动计划（2 0 2 1一2 0 2 5年）的通知（工信部联主要内容：针对退役光伏组件、风电机组叶片等电子【2 0 2 1】2 2 6 号），主要内容：研究开发退新兴产业固废，探索规范回收以及可循环、高值役光伏组件资源化利用的技术路线和实施路径，化的再生利用途径。推动废旧光伏组件回收利用技术研发及产业化应（5）国家发展改革委发布了关于印发用，加快资源综合利用。“十四五”循环经济发展规划的通知（发改环（11）国务院办公厅转发国家发展改革委等资【2 0 2 19 6 9 号），主要内容：统筹规划建设部门关于加快推进城镇环境基础设施建设指导意再生资源加工利用基地，推进废钢铁、废有色金见的通知（国办函【2 0 2 2】7 号），主要内容：属、报废机动车、退役光伏组件和风电机组叶健全区域性再生资源回收利用体系，推进废钢片、废旧家电、废旧电池、废旧轮胎、废旧木制铁、废有色金属、报废机动车、退役光伏组件和品、废旧纺织品、废塑料废纸、废玻璃、厨余垃风电机组叶片、废旧家电、废旧电池、废旧轮圾等城市废弃物分类利用和集中处置，引导再生胎、废旧木制品、废旧纺织品、废塑料、废纸、13全国性建材科技期刊一一玻璃废玻璃等废弃物分类利用和集中处置。（12）工业和信息化部、国家发展改革委等部门发布了关于印发加快推动工业资源综合利用实施方案的通知（工信部联节【2 0 2 2】9 号），主要内容：企业与机构信息共享，促进船舶废旧材料再生利用。推动废旧光伏组件、风电叶片等新兴固废综合利用技术研发及产业化应用，加大综合利用成套技术设备研发推广力度，探索新兴固废综合利用技术路线。（13）国务院办公厅转发国家发展改革委国家能源局关于促进新时代新能源高质量发展实施方案的通知（国办函【2 0 2 2】39 号），主要内容：推进高效太阳能电池、先进风电设备等关键技术突破，加快推动关键基础材料、设备、零部件等技术升级。推动退役风电机组、光伏组件回收处理技术和相关新产业链发展，实现全生命周期闭环式绿色发展。（14）工业和信息化部公开征求对关于推标准号标准名称建筑用薄膜太阳能电池组件GB/T387852020回收再利用通用技术要求光伏组件回收再利用通用技GB/T397532021术要求晶体硅光伏组件回收再利用T/CPIA 00022022通用技术要求T/CPIA 00432022晶体硅光伏组件报废指南T/CSTM 004662022光伏系统可回收性设计指南4结语光伏是清洁可再生能源，有文献表明，一块正常运行中的光伏组件只需1.5 2.5年就可以收回制造它所需的能源。但从可持续性角度来看，废弃的光伏组件如得不到很好的回收利用，则会隐藏着潜在的污染风险，因为光伏组件不仅含有142024年第1期总第38 8 期动能源电子产业发展的指导意见（征求意见稿）的意见，主要内容：探索建立光伏“碳足迹”评价标准并开展认证。加快构建光伏供应链溯源体系，推动光伏组件回收利用技术研发及产业化应用。（15）国家能源局发布了关于印发能源碳达峰碳中和标准化提升行动计划，主要内容：制定风电机组、光伏组件退役回收与再利用相关标准。3.2我国光伏组件回收标准情况我国的首个光伏组件回收标准是中国光伏行业协会于2 0 17 年9 月18 日制订发布的团体标准T/CPIA0002一2 0 2 2 晶体硅光伏组件回收再利用通用技术要求。首个国家标准是国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会于2 0 2 0 年6 月2日发布的GB/T387852020建筑用薄膜太阳能电池组件回收再利用通用技术要求。截止2022年底，我国光伏组件回收现行标准5个，其中国家标准2 个，团体标准3个，见表8。表8 我国光伏组件回收现行标准发布单位国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会中国光伏行业协会中国光伏行业协会中关村材料试验技术联盟铅、硒和镉等有毒有害物质，且含有如玻璃等难以降解的材料。回收废弃光伏组件，不仅可以回收玻璃、硅、铝、银等各组分材料，更重要的是可减少二氧化碳排放，德国弗劳恩霍夫研究所的一份报告得出结论，回收1光伏电池板可减少1.2t的二氧化碳排放。因此，光伏组件回收再利用已成为全球的热点课题之一。发布时间实施时间2020-06-022021-04-012021-03-092022-02-012022-03-302022-04-152022-12-30 2023-01-152022-11-112023-02-11替代情况代替T/CPIA00022017