إعادة تدوير الألواح الشمسية بطريقة نظيفة وخضراء

مؤسسو
9-تك يقولون أن لديهم طريقة أفضل. إن عمليتهم صاخبة وتتضمن فرن الاحتراق، وحمام الموجات فوق الصوتية، والفرز الميكانيكي، حيث تهز اهتزازاتهم أرضية حاوية الشحن المتواضعة حيث يختبرون تشغيلهم منذ ما يقرب من عامين. يقول فرانسيسكو ميسيروتشي، كبير مسؤولي التكنولوجيا في 9-Tech، إن الشركة لا تستخدم أي مواد كيميائية سامة، ولا تطلق أي ملوثات في البيئة، وتستعيد ما يصل إلى 90 بالمائة من المواد الموجودة في الألواح الشمسية.

يتم فصل أجزاء من السيليكون والزجاج عن بقية اللوحة.

لويجي أفانتاجياتو

كيفية إعادة تدوير الألواح الشمسية

بعد إزالة الإطار والزجاج وصندوق التوصيل من اللوحة الكهروضوئية، تبقى الطبقات الداخلية القابلة للانحناء من السيليكون والبوليمرات والموصلات المعدنية. يقوم العمال بتقطيع الطبقات الداخلية إلى أقسام كبيرة تحضيراً للفرن.لويجي أفانتاجياتو

تقوم الشركة بتخصيص عمليتها لألواح الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلورية، والتي تشكل 97% من سوق الطاقة الكهروضوئية العالمية. الألواح عادة تتكون من مجموعة من رقائق السيليكون المطعمة بالبورون والفوسفور، ومغطاة بطبقة مضادة للانعكاس من نيتريد السيليكون. تتم طباعة الموصلات الفضية على سطح الرقاقة، ويتم لحام الموصلات النحاسية على المصفوفة بنمط شبكي. ولحماية المواد من الرطوبة والتلف، يقوم المصنعون بتصفيح المجموعة بأكملها في بوليمرات لاصقة – عادة أسيتات فينيل الإيثيلين. ثم يقومون بتغليف المصفوفة الرقائقية بصفائح من الزجاج المقسى، وتأطير كل شيء بالألمنيوم، وإغلاق الحواف، وإرفاق صندوق توصيل في الخلف.

عندما يحين وقت إعادة تدوير اللوحة، فإن إحدى الخطوات الأكثر تحديًا هي إزالة البوليمرات التي تلتصق بكل شيء. “لا يتعلق الأمر فقط بالحواف أو بضع نقاط من الغراء. يقول هيث: “إنه سطح كامل – عدة أقدام مربعة – من البوليمر”. يمكن حرق البوليمر، لكن هذا يؤدي إلى إطلاق أول أكسيد الكربون وحمض الهيدروفلوريك وملوثات ضارة أخرى. كما أن فصل الموصلات الفضية يمثل تحديًا كبيرًا، لأنه يتم تطبيقها في طبقة رقيقة جدًا -حوالي 10 إلى 20 ميكرومترًا- والتي ترتبط بقوة بالسيليكون. عادةً ما تتضمن إزالتها كواشف سامة مثل حمض الهيدروفلوريك أو حمض النيتريك أو هيدروكسيد الصوديوم.

يعالج فريق 9-Tech هذه التحديات بطريقتين. إنهم يستعيدون الفضة باستخدام الموجات فوق الصوتية بدلاً من المواد الكيميائية السامة، وعلى الرغم من أنهم يحرقون البوليمرات، إلا أنهم يلتقطون الملوثات المنبعثة.

يتم إدخال طبقات من السيليكون والبوليمر في فرن الاحتراق المستمر، الذي يسخن المواد إلى أكثر من 400 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تبخير البوليمرات.9-تك

تبدأ العملية في المصنع التجريبي للشركة حيث يقوم العمال يدويًا بإزالة إطار الألومنيوم وصندوق التوصيل والزجاج المقسى. وهذا يترك شطيرة من البوليمرات، ورقائق السيليكون، والموصلات المعدنية. بدون الإطار أو الزجاج، تنحني طبقات الساندويتش، مما يؤدي إلى تحطيم السيليكون الهش إلى قطع صغيرة. يقوم العمال بتكسير الزجاج المقسى ومن ثم إرسال جميع المواد، والتي لا تزال في الغالب في مكانها بسبب البوليمرات، إلى فرن الاحتراق المستمر. عند تسخينها إلى أكثر من 400 درجة مئوية، تتبخر البوليمرات، ويلتقط المرشح الملوثات. يلتقط النظام أيضًا الحرارة من الفرن ويعيد استخدامها لتحقيق كفاءة الطاقة.

تقوم أسطوانة ميكانيكية بفصل الشبكة النحاسية بعد خروج المواد الكهروضوئية من الفرن.لويجي أفانتاجياتو

بعد خروج المواد من الفرن، تقوم المناخل الميكانيكية بفصل النحاس والزجاج والسيليكون.الأعلى: لويجي أفانتاجياتو؛ الأسفل: 9-تك

عندما تخرج المادة المتبقية من الفرن، تقوم الأسطوانة بإزالة النحاس ميكانيكيًا. تقوم سلسلة من المناخل بفرز القطع المكسورة من الزجاج والسيليكون على أساس السُمك. يتم غمر قطع السيليكون، التي لا تزال مغطاة بالفضة، في حمام من الأحماض العضوية ومعالجتها بالموجات فوق الصوتية لتفكيك الروابط بين العناصر. تعمل الموجات فوق الصوتية عن طريق نشر الموجات الصوتية في الحمام الحمضي، مما يؤدي إلى تناوب دورات الضغط العالي والمنخفض. إذا كانت الموجات شديدة بما فيه الكفاية، فإنها تخلق فقاعات تجويف تتفاعل ميكانيكيًا مع المادة، مما يتسبب في إزاحة الفضة من السيليكون، كما يوضح بيتروجيوفاني سيرشير، الرئيس التنفيذي لشركة 9-Tech.

وأخيرًا، يقوم العمال بإزالة شظايا السيليكون من حمام الموجات فوق الصوتية باستخدام شبكة شبكية. وهذا يترك غبارًا فضيًا ناعمًا في المحلول، والذي يمكن استعادته عن طريق الترشيح أو الطرد المركزي. أخيرًا، يقول سيرشير، إن المصنع التجريبي لشركة 9-Tech يمكنه استرداد 90 بالمائة من الفضة، و95 بالمائة من السيليكون، و99 بالمائة أو أكثر من النحاس والألمنيوم والزجاج من الوحدة الكهروضوئية. علاوة على ذلك، تعتبر المادة نقية للغاية، مما يزيد من أنواع التطبيقات التي يمكن إعادة استخدامها فيها.

يقوم العمال في 9-Tech بغمر قطع السيليكون المغطاة بالفضة في حمام من الأحماض العضوية ومعالجتها بالموجات فوق الصوتية لتفكيك الروابط بين العناصر.9-تك

تعد عملية إعادة التدوير في الشركة الناشئة أكثر تكلفة من الطرق الحالية التي تستعيد الألمنيوم والزجاج فقط. لكن استخراج السيليكون والفضة والنحاس عالي النقاء من شأنه أن يعوض التكلفة الإضافية، كما يقول ميسيروتشي. بالإضافة إلى ذلك، فهو أكثر كفاءة من تعدين العناصر البكر. ويقول إنه يمكنك استخراج حوالي 500 جرام من الفضة من طن من الألواح الشمسية، ولكن يمكنك استخراج 165 جرامًا فقط من الفضة من طن من الخام. يقول ميسيروتشي: “لا يزال لدى اللوحة الكهروضوئية، في نهاية عمرها الافتراضي، الكثير لتقدمه”. “يمكن اعتباره منجمًا صغيرًا للعناصر الثمينة.”

تخرج الفضة من حمام السيليكون على شكل غبار ناعم. 9-تك

العشرات من الطرق الجديدة لإعادة تدوير الألواح الكهروضوئية

يتم استرداد النحاس والزجاج والسيليكون عالي النقاء من خلال عملية إعادة تدوير الألواح الكهروضوئية الخاصة بشركة 9-Tech.لويجي أفانتاجياتو

سيعرف فريق 9-Tech المزيد عن ربحية طريقتهم بعد أن يقوموا ببناء منشأة عرض أكبر على مدار الـ 18 شهرًا القادمة. وسيكون هذا المصنع، الذي يقع في نفس المنطقة الصناعية في البندقية التي تقع فيها حاوية الشحن، قادرًا على التعامل مع ما يصل إلى 800 وحدة شمسية يوميًا. يعالج مصنعهم التجريبي حوالي سبع وحدات فقط في اليوم.

يعد نهج الشركة أحد طرق إعادة التدوير العديدة للألواح الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلورية قيد التطوير. أ
مراجعة شاملة نشرت في أبريل في مجلة الإنتاج الأنظف وحددت العشرات من الجهود الأخرى على مستوى العالم، بما في ذلك الأساليب الحرارية والكيميائية والميكانيكية والبصرية. تتضمن الطريقة الأكثر شيوعًا طحن طبقات السيليكون والمعدن والبوليمر إلى قطع صغيرة، وفصلها حسب الكثافة، واستعادة السيليكون والمعدن بعملية حرارية أو كيميائية. وتشمل العمليات الأخرى تشعيع الليزر، والنبضات ذات الجهد العالي، والفرز البصري، والانحلال الحراري، والمذيبات الكيميائية، والحفر، والتصفيح بسكين ساخن.

إن الدافع وراء هذا الابتكار، جزئياً، هو اللوائح التي اعتمدها الاتحاد الأوروبي في عام 2012. وتتطلب القواعد من جميع الشركات المصنعة للألواح الكهروضوئية في الاتحاد الأوروبي تشغيل برامج الاسترداد أو إعادة التدوير، أو الشراكة مع خطط إعادة التدوير الأخرى. ونتيجة لذلك، فإن ألمانيا، التي تمتلك أكبر قدرة على توليد الطاقة الشمسية في أوروبا، لديها واحدة من هذه القدرات
أكبر أنظمة إعادة التدوير الكهروضوئية فى العالم.

يقول ميسيروتشي: “لا يزال لدى اللوحة الكهروضوئية في نهاية عمرها الافتراضي الكثير لتقدمه”. “يمكن اعتباره منجمًا صغيرًا للعناصر الثمينة.”

لكن إعادة التدوير هي عمل تجاري كبير الحجم، وبصرف النظر عن الأحداث الجوية الكارثية التي تمحو محطات الطاقة الشمسية، فإن وحدات الطاقة الشمسية المستهلكة تصل إلى القائمين على إعادة التدوير بمعدلات ضئيلة نسبيا. ثم هناك التحدي المتمثل في إيجاد حياة ثانية للمواد بعد استعادتها، وهي سلسلة توريد ليست متطورة بشكل جيد.

قامت شركة First Solar، وهي شركة تصنيع الطاقة الكهروضوئية العالمية ومقرها في تيمبي بولاية أريزونا، بمعالجة هاتين القضيتين على نطاق واسع من خلال بناء محطة طاقة شمسية.
برنامج إعادة التدوير في المنزل مع سبعة مرافق في خمس دول. تقوم الشركة بتصنيع الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من تيلوريد الكادميوم والتي يمكن للمشترين شراؤها بسعر إعادة التدوير المدمج فيها. وفي نهاية عمر الألواح، يرسلها المشترون مرة أخرى إلى شركة First Solar لإعادة تدويرها وتحويلها إلى منتجات جديدة. ويمكن إعادة تدوير المادة شبه الموصلة حتى 41 مرة، مما يمنحها عمرًا يزيد عن 1200 عام، وفقًا للشركة. لكن الزجاج ليس نقيًا بدرجة كافية لإعادة استخدامه في وحدات الطاقة الشمسية، لذا تخطط الشركة لتزويده لمصنعي الزجاج المسطح لاستخدامه في النوافذ والأبواب.

ألهمت تحديات إعادة التدوير الباحثين لإعادة التفكير في طريقة تصنيع الألواح الشمسية البلورية. على سبيل المثال، تحاول بعض الشركات المصنعة تقليل أو إزالة الفضة التي يصعب استردادها، واستبدالها بمعادن موصلة أخرى. وفريق في NREL
أظهر في فبراير طريقة للتخلص من البوليمرات في الألواح الكهروضوئية عن طريق لحام الألواح الزجاجية بالليزر بدلاً من ذلك، والذي قد يقوم بعمل أفضل في منع الرطوبة. هذه التقنية قد تصلح ل وحدات البيروفسكايت الشمسيةوهي تقنية واعدة معرضة بشكل خاص للرطوبة والتآكل.

يقول هيث: “لا ينبغي أن تكون إعادة التدوير هي الاستراتيجية الوحيدة”. ويقول إنه يجب على الناس التفكير في طرق بديلة لإصلاح الألواح الشمسية أو إعادة استخدامها لإطالة عمرهم قبل اللجوء إلى إعادة التدوير.

تقارير إضافية من قبل لويجي أفانتاجياتو