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太陽能是否環保,回收技術見真章?

發文時間: 2022/03/29   文 / 呂錫民 瀏覽數 / 5,400+

太陽能取之不盡,用之不竭,排碳量低,不會導致全球暖化,目前僅次於水力和風能,位居全球第三大再生能源。

太陽光電(PV)技術最初應用在太空中,但現在已廣泛應用在地球每一角落,是再生能源最有前途和最成熟技術之一。

PV技術是環保的,且為一種流行發電方式。儘管太陽能貢獻全球大部分綠電,但是,報廢太陽能光電板如果處理不善,可能會成為危險廢棄物的來源。

截至2016年底,全球對PV廢料的估計值約在4.3-25萬噸之間,與目前的生產量相比還很小。然而,根據不同預測的規律和早期損失情況,專家預測全球PV廢料與新裝置比例,將隨著時間的推移而顯著增加。

到2030年,該比例將達總發電量4-14%,到2050年則超過80%。屆時,報廢太陽能板的預計增長量,將使太陽能因後處理昂貴,而變得經濟上不可行。 

太陽能板效率會隨著時間的流逝而衰退,使用壽命在20–30年間。太陽能板材質包含鉛(Pb)、鎘(Cd)和其他許多有害的化學物質(主要為矽Si),如果整個面板破裂,這些化學物質將無法清除。

報廢太陽能板,採回收、再利用 

基於目前10年中已安裝太陽能板發電量的增加,報廢面板不得不採取回收和再利用的策略。據一份環境解決方案聲明,日本東芝對2020年前產生的大量太陽能廢棄物再處理大約需要花費19年的時間。到了2034年,每年報廢量將比2020年之前高出70-80倍。

中國擁有大量的太陽能發電廠,目前運營的太陽能板約是美國的兩倍,並且沒有棄置整個舊光電板的提議。儘管存在環保意識,但全球太陽能板的領導者加州,也沒有相關廢棄物的處理計畫。

太陽能板。蘇義傑攝影圖/太陽能板。蘇義傑攝影

只有歐洲在使用壽命結束時,要求太陽能板製造商收集和傾倒太陽能廢棄物。退化太陽能組件不建議留在原地,因為有害化學物質會滲入地下,導致飲用水汙染。 

在新的太陽能板中發現缺陷相對較少,如光腐蝕僅有0.5–5%,不良設計和製造缺陷是主要原因。造成面板失效的原因在於電氣設備,如接線盒、保險絲盒、充電控制器、電纜、接地等問題。

在生產早年,太陽能板受到塗覆在玻璃上的無色聚乙烯醋酸乙烯酯(EVA)抗反射塗層的降解,以及由於太陽能電池破裂而導致的不連貫性。

在使用的前12年中,故障有兩個原因,1)反復的負載迴圈,如風或雪及溫度變化導致的退化、接線盒接觸缺陷、玻璃破裂、框架破裂、電池互連破裂等,以及2)二極體因電池更高退化率和有關互連器所產生的問題。

先前的研究表明,40%的PV面板故障是由於微觀裂紋和故障引起的。這現象在2008年後所開始生產的薄膜面板最為常見。 

太陽能板回收技術成實驗室研究主題 

儘管太陽能板回收技術已成實驗室研究主題,但是目前僅只有兩種方法可商購。美國太陽能製造商First Solar將機械和化學處理方法應用在薄膜太陽能板。

另一方面,c-Si太陽能板模組已由德國一家公司進行回收。中國的回收設施有限,因為涉及部件維修和麵板分離,因此聘用外部技術進行單一材料的分離和回收。

同樣地,其他國家在應用回收技術方面也存在問題。物理或機械過程會產生大量含有玻璃的灰塵。因此,它是有毒的,並且過程也會產生噪音汙染。

無機溶劑分離EVA層會排放氮氧化物和其他有害氣體,吸入後將構成健康風險。另外,再利用c-Si面板涉及框架去除,並且難以處理剩餘液體。

此外,以有機溶劑溶解EVA所需時間很長,但可以使用超音波來加速。然而,該方法會產生大量有機熔融廢料,而難以處理。因此,熱化學方法是一種先進的組合技術,但缺點是會產生有毒氣體及消耗大量能量。 

PV面板廢棄物的五個生命週期 

大多數PV面板廢棄物主要在五個生命週期階段產生,即1)生產;2)運輸;3)安裝;4)使用;及5)報廢。

實務上建議,PV面板整個生命週期所產生的廢棄物,應由承包商或製造商管理、收集和處置,而不是一種政府應該負起全責的社會問題。如果人類未來要使用大量太陽能,則勢必面對堆積如山的報廢面板難題,如何精進太陽能相關廢棄物處理策略或技術,實為當前能源政策制定者所應未雨綢繆的重要課題之一。

(本文作者為美國佛羅里達大學機械工程碩士,曾任職於中科院、工研院、台大應力所)

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