TWI783429B

TWI783429B - 太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置

Info

Publication number: TWI783429B
Application number: TW110112384A
Authority: TW
Inventors: 楊昇府; 王多美; 陳俊良; 簡光勵
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2021-04-06
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2022-11-11
Also published as: TW202240927A

Abstract

一種太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置，主要包括一真空腔體、一自動控制模組、一抽氣與真空量測模組、以及一感應耦合電漿模組所構成。本發明利用真空熱電漿熱裂解技術把電漿火炬置於真空狀態下，將待處理物料加熱、熔融與氣化後，高能量電漿源持續對待處理物料施加能量，使有機物質於無氧氣存在下之高溫分解反應，除了可減少待處理物料曝露在大氣環境下高溫分解所產生氮氧化物、硫氧化物、懸浮微粒等空氣污染物處理問題外，亦無EVA化學處理法所產生之溶劑揮發及污水處理問題。藉由製程參數的控制，可以將有機物完全碳化，避免化學濕式處理EVA產生溶劑揮發及污水處理問題；因此，本發明所提感應耦合電漿無氧熱裂解技術無上述問題，且可收集還原碳物料再利用。

Description

太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置

本發明係有關於一種太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置，尤指涉及一種可將太陽光電模組全循環再利用，且無氮氧化物、硫氧化物、懸浮微粒等空氣污染物處理問題，亦無污水處理問題者。

可再生能源係確保讓自然界能永續發展之替代能源，而其中太陽能係重要目標之一，因此世界各國無不推廣裝置太陽光電模組，促使太陽光電設置量成長快速，然成長趨勢亦反應未來廢棄太陽光電模組數量之增加，未來勢必將面臨龐大太陽光電模組廢棄物處理問題，惟目前國內並無適當廢棄太陽光電模組的處理技術，僅能以掩埋方式去化，不僅處理成本高且會造成環境負擔，若能將廢棄太陽電池模組進行回收處理，當回收處理費越低、回收資源物售價越高，太陽光電模組回收產業才能與太陽光電產業一起永續經營、發展。

目前的太陽光電模組90結構如第6圖所示，係由玻璃91、封裝材料(醋酸乙烯酯聚合物(Ethylene vinyl acetate,EVA))92、太陽能電池93、封裝材料(EVA)92以及背板94壓合組成的三明治結構，再於外側裝上鋁框95與接線盒96。其中EVA係將玻璃、太陽能電池以及背板緊密黏合在一起的材料，由於EVA耐候性佳，因此可提供太陽光電模組長達20年的使用壽命，而也因此在回收分解太陽光電模組時，EVA成了難以處理的材料之一。

廢棄太陽光電模組的回收流程通常都會先經過機械拆解將鋁框與接線盒去除，由於太陽能電池與有價金屬仍被玻璃、EVA與背板緊密包覆，因此必須再經過細部分解才能取得玻璃、太陽能電池晶片及金屬等回收材料，依目前主要的回收方式，可分為粉碎法(乾式回收)、溶液法(濕式回收)與熱處理法。

該粉碎法係直接將模組(玻璃/EVA/太陽能電池/EVA/背板)以滾輪、錘式、離心式風力等方式進行粉碎，接著將粉碎的部分依不同顆粒大小進行篩分，最後依顏色或密度進行選別，顏色選別可以依透明度分出玻璃與金屬，而密度可以依大小分出無機物(玻璃、金屬、矽等)與有機物(EVA、背板等)。雖然粉碎法的設備投資較少，但處理後因為EVA仍會附著於玻璃、太陽能電池上，所以回收後之資源物售價較低。

該溶液法主要係將玻璃與背板研削後，剩餘的部分(EVA/太陽能電池/EVA)利用溶液法將EVA溶解或使其黏度降低(通常是使其溶解)，溶劑的選擇有酸、鹼與有機溶劑等，待EVA去除後，就可以收集電池片。然而，此溶液法之主要問題係使用化學溶液處理EVA，處理完模組後，需要多一程序處理廢棄溶液，雖然可以利用過濾、離心或蒸餾等回收再使用，但額外付出之時間或能源將造成處理成本的提高。

在進行熱處理法前通常需要先去除太陽光電模組之背板，因為目前大部分之背板由含氟高分子組成，而含氟之高分子在熱處理過程中可能產生危害生物與環境之物質；去除背板之剩餘部分(玻璃/EVA/太陽能電池/EVA)就可置入熱處理爐中將EVA熱分解，待EVA分解後再分別收集玻璃與電池片。該熱處理法係利用熱能裂解或燃燒太陽光電模組中之EVA，然而EVA被熱分解後可能會產生有機物廢氣、酸氣或戴奧辛等，且太陽光電模組中的金屬成份可能也會因高溫被排出，因此後續的尾氣需要謹慎處理。

有鑑於太陽光電模組的報廢數量日益增多，需要提前正視這個問題，屆時回收的技術與程序必須到達可執行廢棄物回收再利用的階段，予以妥善處理，若能提早規劃進行廢棄太陽光電模組回收，並提出有效的解決方案及技術對策，不僅能創造循環經濟效益，亦能減輕環境的負擔。因此發展一套可解決相關環境問題與前案技術缺點之發明實有必要。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種利用真空熱電漿熱裂解技術係把電漿火炬置於真空狀態下，將待處理物料加熱、熔融與氣化後，高能量電漿源持續對待處理物料施加能量，使有機物質於無氧氣存在下之高溫分解反應，除了可減少待處理物料曝露在大氣環境下高溫分解所產生氮氧化物、硫氧化物、懸浮微粒等空氣污染物處理問題外，亦無EVA化學處理法所產生之溶劑揮發及污水處理問題；並且，藉由製程參數的控制，可以將有機物完全碳化，避免化學濕式處理EVA產生溶劑揮發及污水處理問題，還可進一步收集還原碳物料再利用之太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置。

為達以上之目的，本發明係一種太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置，係包括：一真空腔體，其內用以進行感應耦合電漿無氧熱裂解反應，並設置於一第一箱體上，該真空腔體具有相對應的第一端及第二端，該第一端設有一腔門，該腔門底端連結一滑軌，該滑軌設置於一第二箱體上，可供該真空腔體側向往復滑動以開啟或關閉該腔門，該腔門上具有一乘載平台，該乘載平台上係供至少一待處理物料放置，可自動傳輸承載該待處理物料至該真空腔體內，其中，該待處理物料係經拆除鋁框與接線盒後之廢棄或除役太陽光電模組(photovoltaic module)；一自動控制模組，設置於該第二箱體內，其包含有一可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)及一操控介面單元，該可程式邏輯控制器用以供使用者將該自動控制模組切換為自動操作模式或手動操作模式，該操控介面單元設有一即時異常與緊急停止之防呆機制，在整個運作期間，防止操作失誤安全保護；一抽氣與真空量測模組，包含設置在該真空腔體上之一真空閥、一腔體真空計、一製程真空計、一壓力調節閥及一抽氣控制電磁閥，而該真空腔體與該腔體真空計之間設有一進氣控制電磁閥，該真空腔體與該製程真空計之間設有一低真空抽氣管路自動洩壓電磁閥，用以快速且正確地控制設定壓力功能，並有定壓力製程控壓功能選擇；以及一感應耦合電漿模組，係包含一感應線圈及一射頻電漿電源產生器，該感應線圈圍繞該真空腔體周圍，該射頻電漿電源產生器設置於該第一箱體內，並通過一自動匹配控制器耦接到該感應線圈，以驅動該感應線圈產生感應耦合電漿(inductively coupled plasma,ICP)，利用該感應耦合電漿無氧熱裂解反應，使高能量熱源集中該廢棄或除役太陽光電模組，裂解該廢棄或除役太陽光電模組之封裝材料及塑膠背板後，使矽、金屬、玻璃及碳達到初步分層，其中該封裝材料為醋酸乙烯酯聚合物(Ethylene vinyl acetate,EVA)。

於本發明上述實施例中，該真空腔體具有一直徑為420mm±20%及一長度為1000mm±20%之尺寸。

於本發明上述實施例中，該真空腔體之尺寸係設為可處理數個具有至少一尺寸以長度為600mm±20%及一寬度為300mm以下之廢棄或除役太陽光電模組。

於本發明上述實施例中，該乘載平台之材質係由氧化鋁、氧化鋯、再結晶碳化矽或其組合所製成之陶瓷材料者。

於本發明上述實施例中，該操控介面單元包括一異常顯示燈及一緊急停止按鈕。

於本發明上述實施例中，更包括一電磁波遮蔽箱體，係用以罩覆該真空腔體、該乘載平台及該感應線圈，以防止該感應耦合電漿無氧熱裂解反應時射頻外洩。

於本發明上述實施例中，該感應線圈為銅材質水冷式感應耦合式線圈電極，其涵蓋面積係配合該廢棄或除役太陽光電模組之尺寸而設定者。

於本發明上述實施例中，更包括一碳粒收集器，係設置於該真空腔體第二端上，用以收集熱裂解產生之碳物料。

於本發明上述實施例中，該腔體真空計與該製程真空計為數位式真空壓力計，其真空度範圍分別為5×10^-4~1000Torr與1~1000Torr。

於本發明上述實施例中，該抽氣與真空量測模組係具有一大於1200L/min之抽氣量。

100:太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置

1:真空腔體

10:第一箱體

101:視窗

11:腔門

12:滑軌

13:乘載平台

2:自動控制模組

20:第二箱體

21:可程式邏輯控制器

22:操控介面單元

221:異常顯示燈

222:緊急停止按鈕

3:抽氣與真空量測模組

30:電磁波遮蔽箱體

31:真空閥

32:腔體真空計

33:製程真空計

34:壓力調節閥

35:抽氣控制電磁閥

36:進氣控制電磁閥

37:低真空抽氣管路自動洩壓電磁閥

4:感應耦合電漿模組

41:感應線圈

42:射頻電漿電源產生器

43:自動匹配控制器

5:廢棄或除役太陽光電模組

6:碳粒收集器

(習用部分)

90:太陽光電模組

91:玻璃

92:封裝材料

93:太陽能電池

94:背板

95:鋁框

96:接線盒

第1圖，係本發明之立體架構示意圖。

第2圖，係本發明之真空腔體與自動控制模組示意圖。

第3圖，係本發明之抽氣與真空量測模組示意圖。

第4圖，係本發明之感應耦合電漿模組示意圖。

第5圖，係本發明之碳粒收集器示意圖。

第6圖，係目前太陽光電模組結構示意圖。

鑑於太陽能市場佔有率現況主要由單晶矽及多晶矽為主。其中最大宗的太陽能板為結晶矽太陽能板，標準化的結晶矽太陽能板主要成份比例依次為67.4~74.2%的玻璃、10.3~17.3%的鋁框、9.6~11.3%的EVA與塑膠背板、2.6~3.4%的矽、以及1%的其他金屬如銅、銀、鋅、鉛等。本發明主要針對經拆除鋁框與接線盒後之廢棄或除役太陽光電模組，因此，玻璃、EVA與塑膠背板、矽、及金屬(例如：銅、銀、鋅、鉛)將是主要的處理及材料循環應用之主要對象。

請參閱『第1圖~第5圖』所示，係分別為本發明之立體架構示意圖、本發明之真空腔體與自動控制模組示意圖、本發明之抽氣與真空量測模組示意圖、本發明之感應耦合電漿模組示意圖、及本發明之碳粒收集器示意圖。如圖所示：本發明係一種太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置，所提真空熱電漿熱裂解技術係把電漿火炬置於真空狀態下，將待處理物料加熱、熔融與氣化後，高能量電漿源持續對待處理物料施加能量，使有機物質於無氧氣存在下之高溫分解反應。在真空環境下操作除了可減少待處理物料曝露在大氣環境下高溫分解所產生氮氧化物、硫氧化物、懸浮微粒等空氣污染物處理問題外，亦無EVA 化學處理法所產生之溶劑揮發及污水處理問題。藉由製程參數的控制，可以將有機物完全碳化，避免化學濕式處理EVA產生溶劑揮發及污水處理問題；因此，本發明所提感應耦合電漿無氧熱裂解技術無上述問題，且可收集還原碳物料再利用。目前已完成公斤級太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置，其整體結構如第1圖所示，主要包括一真空腔體1、一自動控制模組2、一抽氣與真空量測模組3、以及一感應耦合電漿模組4所構成。

上述所提之真空腔體1之實施型態結構如第2圖所示，係設置於一第一箱體10上，其內用以進行感應耦合電漿無氧熱裂解反應。該真空腔體1型式主要以石英管搭配陶瓷管進行替換，腔體尺寸直徑為420mm、長度為1000mm，規劃主要處理數個具有至少一尺寸以長度為600mm、寬度為300mm(含)以下之廢棄或除役太陽光電模組(photovoltaic module)5。該真空腔體1具有相對應的第一端及第二端，該第一端設有一腔門11，該腔門11底端連結一滑軌12，該滑軌12設置於一第二箱體20上，可供該真空腔體1側向往復滑動以開啟或關閉該腔門11，該腔門11上具有一乘載平台13，該乘載平台13材質為陶瓷材料，例如氧化鋁、氧化鋯、再結晶碳化矽或其組合等，該乘載平台13上係供至少一待處理物料放置，該待處理物料面積尺寸為長600mm、寬300mm、厚5mm，可自動傳輸承載該待處理物料至該真空腔體1內；其中，，該第一箱體10上設有一可活動開關之視窗101，該待處理物料係經拆除鋁框與接線盒後之廢棄或除役太陽光電模組5。

該自動控制模組2之實施型態結構如第2圖所示。該自動控制模組2設置於該第二箱體20內，其包含有一可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)21及一操控介面單元22。該可程式邏輯控制器21用以供使用者將該自動控制模組2切換為自動操作模式或手動操作模式，該操控介面單元22設有一即時異常與緊急停止之防呆機制，在整個運作期間，防止操作失誤安全保護；其中，該操控介面單元22包括一異常顯示燈221及一緊急停止按鈕222。

該抽氣與真空量測模組3之實施型態結構如第3圖所示。本裝置所搭載之真空抽氣系統的抽氣動力主要以機械真空泵浦為主，搭配分子式幫浦，抽氣量大於1200L/min。該抽氣與真空量測模組3包含設置在該真空腔體1上之一真空閥31、一腔體真空計32、一製程真空計33、一壓力調節閥34及一抽氣控制電磁閥35，且該抽氣控制電磁閥35為粗抽真空氣動式角閥。該腔體真空計32與該製程真空計33為數位式真空壓力計，其真空度範圍分別為5×10^-4~1000Torr與1~1000Torr。在該真空腔體1與該腔體真空計32之間設有一進氣控制電磁閥36，該真空腔體1與該製程真空計33之間設有一低真空抽氣管路自動洩壓電磁閥37，用以快速且正確地控制設定壓力功能，並有定壓力製程控壓功能選擇。

該感應耦合電漿模組4之實施型態結構如第4圖所示。該感應耦合電漿模組4係包含一感應線圈41及一射頻電漿電源產生器42。該感應線圈41圍繞該真空腔體1周圍，為銅材質水冷式感應耦合式線圈電極，其涵蓋面積配合規劃太陽光電模組進料尺寸，設計該感應線圈41涵蓋面積為640mm×340mm(含)以下面積。該射頻電漿電源產生器42設置於該第一箱體10內，其最大輸出功率為5kW，輸出頻率為13.56MHz，輸出阻抗為50W，冷卻方式為水冷式，流量為6L/min，搭配一自動匹配控制器43，其輸入頻率為13.56MHz，額定功率為50W~5KW，冷卻方式為空冷加2L/min水冷。該射頻電漿電源產生器42通過該自動匹配控制器43耦接到該感應線圈41，以驅動該感應線圈41產生感應耦合電漿(inductively coupled plasma,ICP)。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置100。

上述太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置100，更包括一電磁波遮蔽箱體30，係用以罩覆該真空腔體1、該乘載平台13及該感應線圈41，以防止該感應耦合電漿無氧熱裂解反應時射頻外洩。

上述太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置100，更包括一碳粒收集器6，係設置於該真空腔體1第二端上，用以收集熱裂解產生之碳物料，如第5圖所示。

當運用時，本發明之太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置100，主要針對經拆除鋁框與接線盒後之廢棄或除役太陽光電模組5作為待處理物料，將其置入該太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置100，利用感應耦合電漿無氧熱裂解反應，使高能量熱源集中該廢棄或除役太陽光電模組5，直接加熱，熱效率高，可有效裂解該廢棄或除役太陽光電模組5之封裝材料-EVA及塑膠背板後，使各材料如矽、銅金屬條、玻璃及碳達到初步分層，再藉由後續機械式浮力分選，收集各物料，純化及精煉回收有價金屬，熔融玻璃利用噴吹抽絲製作玻璃纖維原物料，EVA被熱裂解收集碳物料。

由上述可知，為使太陽光電模組能循環再利用且降低掩埋及不當棄置對環境造成的衝擊，本發明開發太陽光電模組創新循環再利用模式，針對廢棄或除役太陽光電模組發展電弧精煉循環技術，從廢棄模組中提煉純化有價金屬、模板玻璃則再利用高溫熔融噴吹抽絲製作玻璃纖維原物料。所開發模組封裝材料EVA感應耦合電漿無氧熱裂解技術，收集碳物料，可有利後續穩定化處理再利用。因此，本發明可解決國內光電產業循環經濟之技術缺口，使無後顧之憂，建構光電半導體產業永續經營成長之規範。

綜上所述，本發明係一種太陽光電模組電漿熱裂解回收裝置，可有效改善習用之種種缺點，所提技術特點為，EVA及塑膠背板裂解產生碳物料、玻璃熔融噴吹製作纖維、貴金屬高溫精煉，可把太陽光電模組全循環再利用，且無氮氧化物、硫氧化物、懸浮微粒等空氣污染物處理問題，亦無污水處理問題，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。