【光伏组件回收】EIAR:预测中国未来光伏废物的产生：应对挑战，探索未来的回收解决方案—Guangzheng Wang

文摘 2024-12-29 21:38 北京

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.eiar.2024.107516

【作者单位】

南开大学

【论文摘要】

光伏（PV）被公认为实现碳中和的有效途径之一，在中国得到了大力倡导和实施。然而，若处理不当，光伏废弃物可能会导致大量资源浪费和潜在的环境污染。本研究对四种光伏装机量预测方法进行了比较分析和验证，并据此预测了中国光伏废弃物的数量，预计到2050年将达到约624万吨。尽管如此，中国仍缺乏一个全面的光伏废弃物回收体系以及必要的管理专业知识。本文批判性地评估了多种光伏回收技术，并从生命周期的角度审视了它们的环境影响和经济效应。通过建立全面的技术框架并提供相关建议，本文旨在为应对中国即将面临的光伏废弃物挑战提供学术技术指导。最后，本文回顾了国内外光伏回收管理的先进实践，强调从多方面角度出发，必须重视法规完善、经济激励以及建立强大的回收网络。

【实验方法】

计算方法：

市场供应模型被用于预测光伏废弃物的数量。该模型通过利用销售量和使用寿命来推断报废数量，并将这些数量累加以得到第j年的光伏总报废容量Qj。根据国际能源署的建议，本研究采用时间演化来拟合指数衰减函数以获得校正后的质量功率比，并最终得到质量单位数据，即第j年的光伏废弃物总质量（千吨）。本研究采用威布尔分布模型（一种通用的数学模型）来估算光伏组件的使用寿命。此时，我们得到了光伏组件的威布尔累积分布函数F(t)。因此，我们得到了第j年安装的光伏组件的报废率（Pj,i）。在2013年之前，中国的光伏电力市场处于发展阶段，光伏电站的建设进度缓慢，光伏产品的质量较差，运维水平低，实际使用寿命低于预期使用寿命（25年），本研究中假设为20年。自2013年起，中国为光伏发电行业实施了一系列激励政策，包括分布式光伏发电电费补贴政策、“光伏扶贫”、“领跑者”计划等项目。因此，中国的光伏装机容量大幅增长，企业加大了技术投资。此外，管理体系逐步完善，使得中国的光伏产品质量水平有所提升，甚至超过了光伏的预期寿命。本研究假设2013年后的光伏组件平均寿命为30年。

国际可再生能源署区分了光伏组件的两种退役类型：正常退役和提前退役，其形状参数分别为2.4928和5.3759。IRENA仅考虑了技术故障因素，未考虑功率退役因素的影响。分析表明，经济发展是推动技术进步的主要因素。因此，光伏组件的退役可归因于经济和技术的影响。

此外，考虑功率衰减因素也至关重要。许多研究关注于光伏组件在功率降至初始状态的80%时的失效情况。Kuma利用威布尔分布函数预测了由于功率衰减导致的光伏组件的累积失效概率。本研究使用Kumar的数据，采用最小二乘法将一维线性函数拟合到威布尔累积分布函数中。拟合效果良好，R²=0.9160。形状参数为10.8039，尺度参数为27.994，通过这些参数可以计算出相应的概率

本研究考虑了经济、技术和功率退役因素，并概述了的三个不同场景中为每个因素分配了不同程度的重要性。如假设70%的光伏失效是由于经济和技术因素导致的，这些因素受到市场条件和政府政策的影响，其中住宅光伏占总量的较大比例。这适用于光伏市场处于发展初期、主要受政府补贴、减税、激励措施以及市场和消费者驱动的光伏产品销售策略影响的国家或地区。假设一个过渡场景，经济-技术因素和功率下降因素权重相等。假设考虑了中国光伏产业较为成熟阶段时，功率衰减因素占70%的权重。当光伏组件的功率降至80%时，通常会退役，这被认为是当时70%组件失效的原因。在这种场景下，光伏组件的报废主要是由于功率下降导致的，商业和公共光伏设施是主要贡献者，当光伏组件性能不佳时就会退役。

【图文摘取】

【主要结论】

在这项研究中，采用了多种模型来预测中国未来的光伏装机容量，并使用历史数据进行了验证。值得注意的是，神经网络模型成为最精确的预测工具。之后，利用市场供应模型和威布尔寿命分布模型预测了中国未来的光伏废弃物流量，预计到2050年将大幅增加，累积量将达到615万吨。如此庞大的光伏废弃物流量将带来巨大压力。然而，中国的光伏回收工作仍处于起步阶段，面临相关技术专长和管理智慧匮乏的困境。因此，本研究深入分析了与光伏回收相关的学术研究和实践活动，旨在为应对中国即将面临的光伏处置挑战提供指导。

在技术领域，尽管存在多种光伏回收方法，但经过工业验证的实例却寥寥无几。目前，光伏废弃物主要被当作普通固体废物填埋，这是一种不可持续的做法，需要征收高额的填埋费。低价值的回收工作包括基本的机械或人工拆卸以回收珍贵的铝框架，随后进行破碎以回收玻璃碎片、硅粉和金属成分。尽管这些方法能带来最佳的经济效益，但未能全面回收光伏废弃物中的有价值成分。全面的组件回收旨在最大化环境和资源效益，但所有现有回收技术都面临着经济效益低下的普遍挑战。基于这些见解，本研究提出以下建议：首先，利用自动化、高通量的光学识别设备来区分不同类型和状况的光伏组件，从而提高光伏回收过程的灵活性和处理能力。其次，采用激光烧蚀、热解、化学处理和热处理等方法来回收高价值的完整硅片，从而提高回收流程的经济效益。第三，通过破碎和分离来回收破碎硅片中的有价值材料，并将硅粉通过高温熔融等工艺重新引入太阳能级硅的生产中，形成闭环。最后，努力减少有毒物质和矿物酸等的使用，同时推动替代材料和工艺的发展，以减轻回收过程对环境的影响和降低成本。

在管理方面，尽管中国已经实施了一些政策和措施来支持光伏回收，但该行业仍处于萌芽阶段，缺乏专门的政策指导和必要的回收基础设施。从国内外相关管理范例中汲取经验，本研究提出以下建议：首先，探索将退役光伏组件纳入电子废物（WEEE）管理范围，同时完善或补充现有法规，以考虑光伏的特殊性，并为光伏回收提供全面有效的政策指导。其次，在产业发展的初期阶段，政府应为光伏回收提供一定的经济激励，包括补贴、环境税、押金等。最后，加快光伏废弃物回收基础设施的建设。在废旧物资集中、交通便利的省份（如河北、浙江和陕西）启动光伏回收设施建设，并随着时间的推移逐步扩大回收站网络，实现全面覆盖。

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