让退役组件恢复活力：从科幻到光伏行业循环经济的现实

作者｜Ioannis Tsanakas等

出品｜PV-Tech（ID:PVTechCN）

本文系原创文章，转载请联系授权

组件废弃物|光伏废弃物的不断增长带来了新的环境挑战，但同时也带来了实质性的价值创造机会，因为将退役光伏组件重新投入使用的想法正在变得更加可行。来自imec、VITO和SoliTek的研究人员绘制了second-life光伏业务从理论到实践转变的发展路线图。

装机容量的增长带来废弃物挑战

太阳能光伏（PV）能源产业正经历着一轮迅猛的增长周期，特别是在过去十年里，从一个小众市场发展成为一种大规模、迎合主流、具有成本竞争力的可再生能源技术。

全世界近80%的光伏装置（主要是光伏组件）是在过去的五年才投入使用的。随着如今的光伏装机容量超过600千兆瓦，并且鉴于目前新光伏装机的年增长率为25-30%，我们正迎来进入全球光伏装机太瓦（TW）时代的曙光，这一里程碑预计将在2022年前到来[1]。

但成功的同时也带来了问题，在生命周期运行的时间延迟之后，达到其第一个使用寿命终点的光伏组件的数量也将大大增加，并同时成为光伏废弃物。

根据预测，到2030年底这些目前正迅速增加的全球光伏安装组件将有800万公吨成为光伏废弃物；到2050年，累计达到6000-7800万公吨[2]。光伏废弃物与累计光伏装机容量的比率，目前低于0.6%，预计到2050年将超过80%。

不仅如此，上述预测既不考虑生产阶段的光伏废弃物，也不考虑因经济原因（即保险索赔和再供电）而退役的光伏废弃物。换言之，光伏发电的废弃物量甚至可能更高。

在这种情况下，光伏废弃物呈指数增长，这是一个新出现的技术和环境挑战。与其认为这样的挑战是一座无法攀登的高山，不如设想在整个光伏价值链上出现前所未有的、多种多样的价值创造机会，例如新的融资机制和多种收入来源。此外，光伏回收、原材料回收、退役、失效或退化光伏组件的维修或翻新及其重新投入使用（第二寿命光伏组件）对于更可持续、更环保、更经济可行的太阳能未来是必不可少的。

光伏行业从线性业务到循环业务

到目前为止，光伏寿命终止（EoL）管理方法大多是从传统的基于产品的单路径业务模型（图一）的角度进行研究的：

1. 供应商向终端用户销售新的光伏组件和电池；

2. 然后，用户管理光伏发电；

3. 光伏组件的实际现场（运行）寿命已接近尾声；

4. 光伏组件进入废弃物流，可回收或处理。

  图一：光伏组件在整个市场和运行寿命期内基于传统产品的单路径业务模型的简化说明

事实上，在大多数情况下，一旦光伏组件退役或出现故障，它们就会进入废弃物流，要么作为废弃物（在大多数情况下）处理，要么—在最好的情况下—回收利用，与被作为废弃物处理相比，后一种选择在今天显然占了不到10%的少数。

光伏回收技术和工艺的最新进展，以及由光伏回收先驱牵头的试点项目，如光伏循环、First Solar、SolarWorld、Losser Chemie和NPC Group，使光伏组件中的大多数材料得以回收和再利用（图二）。

  图二：不同光伏组件和材料的回收和二次利用过程

K.Wambach等人报告了第一个完整的系统级光伏退役和高价值回收方案，这是由商业服务提供商进行的，带来了第二寿命光伏组件的再制造和再调试[3]。该案例研究由SolarMaterial AG牵头，该公司在一年内完成了德国最古老的光伏系统的回收，该系统于1983年安装在Pellworm岛上。

此次共拆除回收光伏组件17568块，回收的太阳能级硅片由Sunway AG公司进行再加工，新生产的电池由太阳瓦特公司用于制造新的光伏组件。安装在这种“第二寿命”光伏系统中的所有光伏组件均经SolarWorld AG认证为原始设备制造商（OEM）产品，并有完整的保修期（25年）。

除了回收原材料外，考虑到有关废弃物等级的立法（图3），修理/翻新光伏组件以供再次使用（即第二次使用）甚至防止光伏故障更为可取的寿命终止做法。事实上，延长寿命（或第二寿命）的光伏组件，通过重复使用或维修，将提高其整体（寿命）能源产量，与制造所用的材料和嵌入式能源相同，最终降低其生命周期环境影响。

  图三：废弃物等级，根据欧盟废弃物立法，也适用于PVEoL管理

从数量上讲，Circouol[4]和Field光伏可靠性专家[5]认为，目前45-65%的失效和/或退役光伏组件可在维修/翻新时从处置/回收路径转移到第二生命光伏（再利用）。实际上，这一比率可能更高，因为退役，尽管功能光伏组件目前也进入上述废弃物流。

很明显，上述“采取-制作-处置”线性模型（图一）既不可持续，也不足以产生光伏回收、修理/翻新和再利用的环境、技术和经济效益。另一方面，循环商业模式和从摇篮到摇篮的设计可能是简化寿命周期决策的关键，而寿命周期决策反过来又有助于减缓、关闭和缩小光伏行业的资源循环。

在此基础上，Circouol提出了一个产品服务系统（PSS），以实现光伏行业的循环商业模式（图4）。这种基于PSS的循环商业模式：

• 导入产品服务提供商，巩固和执行每个光伏组件最佳寿命路径的决策，并为光伏最终用户共同创造价值；
  

• 鼓励光伏循环设计的创新（见“循环设计”一节），促进第二生命路径，即回收、再制造或翻新和再利用。

  图四：在CIRCUSOL（circular business models for the solarpower industry）项目中设想的基于PSS的循环商业模式；耦合了循环产品管理与增值产品服务。

现场经验和第二生命光伏业务：现状

在光伏组件的运行寿命期间，物理退化、缺陷或故障可能仅发生在单个部件中（例如电池裂纹或旁路二极管故障）；而其余组件结构本身可能保持完整。光伏组件级的不同可靠性问题可分为初期失效（<4年的户外运行时间）、中期失效（超过4年但少于15年的户外运行时间）和寿命终止或损耗机理（超过15年的户外运行，直至并超过组件的性能保证）[6]。

现场经验表明，典型的光伏组件故障率约为每年0.15-0.25%，这意味着光伏发电厂整个发电机组中约有2%预计在11-12年后发生故障[6]。

光伏组件在该领域最常见的可靠性问题和故障是：封装材料分层和褐变；玻璃、框架或背板断裂；旁路二极管和接线盒故障；电池裂纹（通常伴随蜗牛轨迹）；电池互连断裂；腐蚀和电势诱导衰减（PID）[5,6]。

存在此类问题的光伏组件退役的必要性和时间（紧迫性），以及维修的决定（如果技术上可行）在很大程度上是基于现场目测和现场特征，并结合经验证据得出的。表一提出了在已部署的光伏组件中观察到的此类故障的分类，以确定其可修复性。

现场经验和当前技术表明，原则上，光伏组件的维修/翻新和/或其电气性能的恢复通常适用于：i）有缺陷的框架和安装夹；ii）有缺陷的旁路二极管和接线盒中有缺陷的导线连接器；iii）某些光伏背板缺陷；iv）早期PID。

最后，如表一所示，一些光伏组件故障的案例，如玻璃损坏（断裂）、电池破裂和蜗牛痕迹，最终证明是无法修复的。翻新一个光伏组件是否值得经常取决于故障类型和组件安装与运行的光伏系统的布局。例如，光伏建筑一体化（BIPV）系统即使只有少数单个（可修复）组件发生故障也可能需要完全拆卸，以确保其多功能性（如防水性）的完整性[7]。

  表一：对光伏组件观察到的缺陷和故障进行分类，以确定其可修复性

因此，在进行任何维修之前，应通过太阳模拟器对每个光伏组件进行清洁和电气（I-V）表征，同时通过附加的热/光学表征方法和目视检查，对任何类型的缺陷或故障进行完整记录。然后，在大多数情况下，修复组件的某些缺陷是一项简单的任务。

例如，有缺陷的接线盒或旁路二极管将被完全拆除并更换为新的。完成所有维修任务后，翻新（二次寿命）光伏组件将进行新的I-V特性鉴定，以确定其新的功率、电流和电压输出。

在可靠性/合格性测试方面，基于IEC 61730的高压测试是维修服务提供商为确保安全而普遍采用的做法。最后，在确认其合格后，对每个翻新的组件进行调试，并相应地进行装运包装。

最近，Glatthaar等人[8] 介绍了“光伏回收”，一种基于可靠的故障分析和选择程序为单个光伏组件量身定制的实用修复/回收流程（图5）。在这种方法中，对EOL或失效光伏组件的目视检查辅以电致发光（EL）和/或红外（IR）成像测量[9]和I-V表征，类似于上述任务流程。

通过这种方式，相应地量化和分类组件的缺陷/故障，以便为每个组件分配最合适的回收或修理程序。在同一项研究中，理想的翻修方法是消除单个维修中的组件缺陷，从而完全恢复光伏组件的运行状态。

  图五：基于J.Glatthaar等人的“PV-Rec”概念，对第二寿命PV进行了修改

除了个别故障组件的情况外，还可以对有缺陷装置的整个组件进行修理/翻新。专业公司可以生产小型的可翻新组件；但是，维修可能只能从一定数量的组件开始，因为这是由小型制造商完成的，需要人工和经验。一般来说，可以一次修复的故障光伏组件数量越多越好，因为负责的技术人员需要拆下每个组件并将其放在运输托盘上。

最近，随着一些国家光伏产业的成熟，出现了先驱公司和平台，并提供翻新的第二寿命光伏组件。值得注意的是，pvXchange、SecondSol和Solar Pur股份有限公司主要为企业对企业（B2B）和交换平台提供服务，交易退役和翻新的光伏组件[10-12]。

这些平台还可以提供质量控制、维修和安装服务。光伏组件的维修/翻新由在相关维修项目中具有丰富经验的光伏安装或保险公司委托进行，维修后的光伏组件通常有两年的保修期[7]。

作为second life光伏组件业务的核心，SecondSol和Rinovasol Group的业务范围从收集和维修退役或故障的光伏组件到质量控制/测试和第二生命（翻新）光伏组件的交易[12，13]。Rinovasol集团认为，高达90%的缺陷光伏组件具有潜在的可修复性，同时在相关技术和设计方面申请了三项国际专利，并获得了IECEE CB方案认证[13]。

光伏组件的指示性维修/翻新成本从每个组件大约20欧元（22.16美元）到高达90欧元不等，这在很大程度上取决于处理量、故障/缺陷的数量或严重程度和类型，以及维修前后所需的特性/测试[12]。

很明显，接近这种维修再利用成本的较高利润率的第二寿命光伏组件，甚至不能与具有相同（甚至更低）价格标签的全新（因此效率更高）光伏组件进行竞争。

人们会想，在光伏组件价格持续下降的市场中，第二生命光伏和再利用业务能否以及如何在如此激烈的竞争中生存下来。通常的解释是，在许多情况下，光伏系统所有者和运营商需要在类型/型号或（至少）额定功率方面，用相同或类似的光伏组件替换故障/退役的光伏组件，以保留现有补贴和上网电价。

因此，除了是一个“绿色”的选择，第二寿命光伏组件类型提供了一个简单的解决方案，并迅速更换“退役”光伏组件，不再生产或作为新产品进行交易。纵观当今修复后光伏可靠性测试和（再）认证的技术格局，第二生命光伏贸易商和相关服务提供商面临着巨大的挑战。

尽管多年来，光伏行业在光伏可靠性问题上积累了丰富的经验，但这一经验主要是基于新生产的光伏组件严格而广泛的“设计鉴定”和“型式认证”测试顺序，即按照IEC标准在受控的实验室条件下进行。

另一方面，熟悉光伏产业的人士认识到，第二代光伏组件的维修和/或翻新仍然相当非正式，当然既没有系统化，也没有标准化。事实上，这些活动是由上述公司独立开展的，只得到了原光伏组件和组件制造商的有限（甚至没有）支持。

在此基础上，目前，对第二寿命光伏组件的特性、可靠性测试、认证或标签的了解有限，几乎没有任何标准。然而，应该澄清的是，从功能角度和低电压指令（LVD）（2014/35/EU）来看，相关的合格评定和安全要求仍然适用，同样适用于第一和第二寿命光伏组件。

在这一相当模糊的背景下，上述参与者采用和应用的第二寿命光伏组件的可靠性/合格性测试细节并未公开披露。因此，翻新光伏组件的保修期可能是基于判断的，有点主观，而且常常是令人误解的。

此外，还应仔细制定所采用的光伏维修/翻新行动的范围和性质，以确保在欧盟内部交易的第二寿命光伏组件中的CE（即符合欧洲标准）标记的完整性和有效性。然而，最重要的是，正如TÜV Rheinland和国际电工委员会专家估计的那样，目前还没有对此类组件进行重新认证和质量标准化的努力，也实际上没有任何进展。

第二生命光伏如何在循环商业中成为现实？

循环设计：创新与机遇

在材料/组件和组件/设备级别上都可以找到（潜在地）促进循环性的可循环性实践的典型创新和材料/设计。阿波罗太阳能公司的NICE技术可以通过中性气体填充取代封装层，使光伏组件无需封装，简化了制造过程（无需焊接，无需层压），同时实现更环保和简单的光伏回收过程，声称100%的可回收性[16-18]。

此外，使用胶粘带或导电粘合剂，可以消除对含铅焊带的需求，从而允许回收/回收过程中没有有害的铅废料残留物[19-21]。此外，在PV回收过程中，加入替代材料，如硅酮板，可以克服与EVA或POE的挑战性消除相关的相当大的技术复杂性[22]。

从更为程序化和工作流的角度来看，将射频识别（RFID）技术集成到光伏组件中，可以在逆向物流的基础上，通过跟踪和识别退役光伏材料和废弃物，简化收集运输处理方案[23]。反过来，后者包括一个极好的促进工具，为光伏产业建立基于PSS的循环商业模式。

在所有情况下，这些创新的设计解决方案由于其相对较高的成本和/或其未经验证的现场可靠性和适用性，尚未占据任何重要的市场份额。

4.2第二生命光伏：研发差距和关键市场因素

截至目前，在光伏翻新/维修和第二寿命光伏可靠性测试方面，在知识/研发和技术方面存在着巨大差距。这反过来解释了与蓬勃发展的标准光伏业务和光伏装机的巨大增长相比，正在解决的市场规模小得多、相对分散的问题。研发缺口主要有两大“支柱”，即需要及时解决的市场因素制约因素，以确保第二生命光伏业务的银行贴现性和成功[24]：

• 可寻址的市场盈利量。如前所述，退役光伏组件的可修复性直接取决于其（首次）运行寿命期间发生的故障/缺陷类型。这一领域的服务提供商必须访问并正确评估光伏运营和维护的统计数据和诊断数据参与者（例如，故障的发生和严重程度、退化率、对系统性能的影响、与电厂特性和年限的相关性），能够确定：

• 目标容量，即技术上可行的故障光伏组件，以及可修复故障的发生。

• 这些“可修复”光伏组件的年龄和份额，超出了故障光伏组件的总容量。例如，PID问题主要在操作，在此期间，它们可能占报告故障的30-40%。旁路二极管和接线盒的故障在运行的前10年中普遍存在，占所有报告故障的比例通常在15%到25%之间。

• 所需维修措施的成本，即考虑到新光伏组件的当前价格，某些光伏组件的维修/翻新是否具有成本合理性。

除上述内容外，还应注意到，有相当数量的已部署光伏组件，尽管未出现故障（“正常”），但由于经济和/或技术原因（如保险索赔、重新供电或缺少备件）仍在退役。原则上，这种组件（尤其是“年轻的”组件）被认为是光伏再利用（第二生命）业务非常有前途的候选组件。

在这个方向上，系统化的适当标签以及时间和成本效益高的特性描述和可靠性/鉴定测试构成了需要解决的主要研发差距。

• 产品效率和可靠性朝向市场信心。实际上，所修复/翻新的光伏组件（剩余）效率将取决于其在户外运行的年限（即功率退化率）。换言之，效率方面，维修相对“年轻”的光伏组件，即有早期故障的光伏组件，具有更高的附加值潜力。

• 此外，由于处于故障状态的光伏组件退化速度要快得多[5]，因此及时有效地检测光伏系统中的故障（但可修复）组件是另一个关键点。除了产品效率，第二生命光伏业务的另一个主要挑战是缺乏市场信心或对翻新光伏组件的可靠性（和安全性）缺乏“信任”。

• 显然，后者源于缺乏相关的监管框架和标准化的可靠性测试，正如上文所述。事实上，考虑到一旦进行了翻新/维修，光伏组件的保修将会完全丧失，因此需要以某种方式“证明”经过维修的第二寿命组件是安全的，并且能够重新获得最终用户的信任。

• 最后，除此之外，还应考虑到第二生命光伏业务的就业创造潜力，对其社会影响及其市场发展进行研究和量化。在研究价值链、光伏再利用（以及再利用的准备，即户外检测、维修/翻新、特性描述和可靠性测试，以及光伏循环设计的研发途径时，第二生命光伏业务案例肯定与广泛教育/技术领域的工作创造相关，例如技术人员、现场工程师、光伏行业和研究/学术界的研究人员。

展望未来

众所周知，光伏废弃物正在成为一个紧迫的环境问题，同时也是光伏产业面临的一个新技术挑战；然而，这也推动了新的研发机会，为今天的光伏行业可持续的EoL实践和基于循环经济的服务做准备。

在本文中，我们讨论了第二生命光伏业务提供研究和技术基础，概述了当前的最佳做法、市场前景和制约因素。我们已经明确了某些知识和监管差距，这在很大程度上解释了第二生命光伏市场参与者的稀缺性和挣扎，另一方面也解释了公众对（潜在）最终用户的有限认识和信心。

在这方面，对第二寿命光伏组件的性能、可靠性和安全性的可信理解和实际验证，有助于建立信任，开拓第二寿命光伏市场。有鉴于此，我们未来的工作将集中于通过以下主要研发途径，将光伏价值链中的回收、修理和再利用环节正规化：

• 光伏循环设计概念的评估和验证；

• 为失效/修复和“健康/退役”的第二寿命光伏组件制定量身定制的、经济高效的可靠性测试和特性描述协议；

• 涉及光伏再利用（第二生命）业务案例的成本利润和生命周期分析。

作者团队

Ioannis Tsanakas博士、Arvid van der Heide、Tadas Radavičius、Julius Denafas、Tom Rommens博士、Jozef Poortmans博士、Eszter Voroshazi博士。

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责任编辑：肖蓓

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