Fotovoltaik (PV) Panel Atık Hacimleri-3

15 Ocak 2021

PV atığı için yönetim planları, her ülkenin veya bölgenin kendine özgü koşullarına uyarlanmalıdır. Almanya ve İngiltere ile ilgili vaka çalışmalarının raporlarında belirtildiği gibi, AB WEEE Direktifi’nin ulusal uygulamasından farklı atık yönetimi çerçeveleri ortaya çıkmıştır. Bu deneyimler, diğer PV pazarlarının yararlanabileceği çeşitli dersler ve en iyi uygulamaları da sağlayabilir. Japonya, Hindistan ve Çin gibi hızla genişleyen PV pazarları, PV panel atığını kapsayan belirli düzenlemelerden hâlâ yoksundur. Ancak, Ar-Ge ve uzun vadeli politika hedefleri belirleyerek gelecekteki atık akışlarına hazırlanmaya başladılar. Yeterli atık hacimlerinin veya ülkeye özgü teknik bilginin yokluğunda, atık yönetimi ve geri dönüşüm tesisleri için bölgesel pazarlar da PV atığından değer yaratmayı en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olur.

Fotovoltaik Panel Atık Modeli

Bu bölüm, gelecekteki fotovoltaik panel atık akışlarını anlatmaktadır. Çoğu atık tipik olarak herhangi bir PV panelin dört yaşam döngüsü aşamasında üretilir. Bunlar
1) Panel üretimi, 2) Panel taşımacılığı,
3) Panel kurulumu ve kullanımı ve
4) Panelin kullanım ömrünün sona ermesi.

Aşağıdaki atık tahmin modeli, üretim dışındaki tüm yaşam döngüsü aşamalarını kapsar. Bunun nedeni, üretim atıklarının atık arıtma müteahhitleri veya üreticileri tarafından kolayca yönetildiği, toplandığı ve işlendiği ve bu nedenle kamu atık yönetimi sorunu olmadığı varsayılmaktadır.

Gelecekteki fotovoltaik panel atık akışları, Şekil 3’te açıklanan modele göre ölçülebilir. İki ana giriş faktörü, fotovoltaik panellerin yaşam döngüsü sırasında dönüşüm ve kayıp olasılığını gösterir (adım 1a ve 1b). Weibull işlevini, düzenli kayıp ve erken kayıp senaryosunu (adım 2) kullanarak iki atık akışı senaryosunu modellemek için kullanılır.

Bir sonraki bölüm, metodolojinin ayrıntılarını ve temel varsayımlarını gösteren adım adım bir kılavuz sağlar. Fotovoltaik panellerin atık hacimlerini tahmin etmek için, Tablo 2’de gösterildiği gibi 5 adet kurulu ve öngörülen gelecekteki fotovoltaik kapasite (megawatt veya gigawatt-MW veya GW) kütleye (metrik ton-t) dönüştürülmüştür. Birim kapasite başına ortalama PV kütle oranı (t/MW), panel ağırlığı ve nominal güç ile ilgili mevcut verilerin ortalaması alınarak hesaplanmıştır. Geçmiş fotovoltaik panellerin üretimi için, temsili standart fotovoltaik panellerin nominal gücü ve ağırlığı, önde gelen üreticilerden beş yıllık aralıklarla ortalanır. Çeşitli güncel veri sayfaları dikkate alındır.

Gelecekteki PV panel üretimi için veriler son yayınlara dayandırılır. Bu bölümde anlatılan model, panellerin zaman içinde daha güçlü ve daha hafif hale gelmesini sağlamak için bir düzeltme faktörünü içerir. Bu, hücre ve panel tasarımlarının optimizasyonunun yanı sıra daha ince çerçevelerden, cam katmanlardan ve tüm malzemeden ağırlık azalmasından kaynaklanır.

Düzeltme faktörü, tarihi ve öngörülen gelecekteki paneller için ağırlık-güç oranının üstel en küçük kare uyumuna dayanır. Şekil 4, malzeme tasarrufu ve geliştirilmiş güneş pili verimliliği gibi fotovoltaik teknolojilerdeki daha fazla gelişme nedeniyle ağırlık-güç oranının zaman içinde sürekli olarak nasıl azaldığını göstermektedir. Çatı ve zemin montajlı fotovoltaik panellerin arızalarının potansiyel kaynağı, fotovoltaik panellerin tahmini yaşam sonu hedeflerine ulaşmadan önce atık olma olasılığını tahmin etmek için fotovoltaik teknolojiden ve uygulama alanından bağımsız olarak analiz edilmiştir. Tespit edilen üç ana panel arıza aşaması Tablo 3’te gösterilmiştir:

Şekil 1. PV panel modelinin iki aşaması

 

Tablo 1. 1a aşaması için PV panel kayıpları

Şekil 1. PV panel ağırlık-güç oranı (t/MW) projeksiyonunun üstel eğri uyumu)

 

Yukarıda tanımlanan fazların her birinde başarısızlıkların nedenleri ve sıklığı ile ilgili ampirik veriler farklı literatürden elde edilebilir. Bu aşamalardan bağımsız olarak, Şekil 2, fotovoltaik panellerin arızalanmasının ana nedenlerine genel bir bakış sunmaktadır. Kurulumdaki yetmezliğin ana nedenleri arasında ışık kaynaklı bozulma (vakaların %0,5-%5’inde görülür), kötü planlama, yetersiz montaj çalışmaları ve kötü destek yapıları bulunur. Bağlantı kutuları, dize kutuları, şarj kontrolörleri, kablolama ve topraklama gibi elektrik sistemlerinde birçok kurulum arızası bildirilmiştir.

Orta yaş arızalarının nedenleri çoğunlukla camın yansıma önleyici kaplamasının bozulması, etilen vinil asetatın renk değişikliği, delaminasyon ve çatlak hücre izolasyonu ile ilgilidir. Sık sık tüm aşamaların içinde ilk 12 yıl içinde mekanik yük döngülerine maruz kaldıktan sonra hataların örneğin (rüzgâr ve kar yükleri ve sıcaklık değişimleri gibi) potansiyel olarak indüklenen bozulma, bağlantı kutusundaki temas arızaları, cam kırılması, gevşek çerçeveler, hücre ara bağlantı arızaları ve diyot kusurlarını içerir. Aşınma fazında, orta yaş fazında bildirilenler gibi arızalar, hücrelerin ve ara bağlantıların ciddi korozyonuna ek olarak katlanarak artar.

Fotovoltaik panellerin arızalanmasıyla ilgili istatistiksel veriler içeren önceki çalışmalar, incelenen fotovoltaik panellerin %40’ının mikro çatlaklara sahip en az bir hücreden muzdarip olduğunu göstermektedir. Bu kusur, üretimde kullanılan daha ince hücreler nedeniyle 2008’den sonra üretilen yeni panellerde daha sık raporlanmaktadır. Bu arızalar ve kayıp olasılığı, adım 1a (dönüşüm faktörleri) verileri ile birlikte, fotovoltaik panellerin atık akışlarını tahmin etmek için kullanılır (adım 2). 1a ve 1b adımlarına dayanarak, iki fotovoltaik atık senaryosu tanımlanmıştır (bkz.Tablo 4) – düzenli kayıp senaryosu ve erken kayıp senaryosu. Her iki senaryo da aşağıdaki formülde belirtildiği gibi Weibull işlevi kullanılarak modellenmiştir.

Bu nedenle, fotovoltaik panellerin yaşam döngüsü sırasında kayıp olasılığı, düzenli kayıp ve erken kayıp senaryosu için farklı olan şekil faktörü α ile belirlenir. Her iki senaryoda da 30 yıllık ortalama panel ömrü ve 40 yıl sonra %99,99 kayıp olasılığı varsayılmaktadır. 30 yıllık bir panel ömrü, PV ömür boyu Çevresel Etki analizinde (örneğin yaşam döngüsü değerlendirmelerinde) yaygın bir varsayımdır ve IEA-PVPS tarafından önerilir. Model, en son 40 yılda fotovoltaik panellerin yenileme ve modernizasyon için söküldüğünü varsaymaktadır.

Bu nedenle, fotovoltaik panellerin dayanıklılığının, cephe elemanları veya çatı kiremitleri gibi inşaat ve inşaat ürünlerinin ortalama deneyimine uygun olduğu varsayılmaktadır. Bunlar ayrıca geleneksel olarak 30-40 yıllık bir ömre sahiptir. Ne ilk kayıplar ne de erken kayıplar normal kayıp senaryosuna dahil edilmedi. Kuitsche’den (2010) elde edilen sonuçlar, bu 5.3759 senaryosunda bir alfa şekli faktörü varsayılarak doğrudan kullanılır (bkz.Tablo 5). Erken kayıp senaryosunda, literatürün analizine ve uzman kararına dayanarak aşağıdaki kayıp varsayımları yapılır.

Şekil 2. Müşteri şikayetlerine göre başarısızlık oranları

 

• PV paneller %0.5 hasar taşıma ve yükleme aşamalarında ömrünün-sonuna ulaşmak için kabul edilir,
• Fotovoltaik panellerin %0,5’i kötü kurulum nedeniyle iki yıl içinde atık haline gelecektir,
• %2’si on yıl sonra atık haline gelecektir, • %4’ü teknik arızalar nedeniyle 15 yıl sonra atık haline gelecektir.

Erken kayıp senaryosu, kırık cam, kırık hücreler veya şeritler gibi panellerin değiştirilmesini gerektiren arızaları ve yalıtım kusurları olan çatlamış bir arka tabakayı içerir.

Bununla birlikte, yalnızca tüm değiştirme gerektiren ciddi fonksiyonel veya güvenlik kusurlarına sahip paneller dahil edilirken, örneğin güç çıkışını azaltan veya panel renk değişikliği yaratan diğer kusurlar göz ardı edilir. Erken kayıp senaryosunda, şekil faktörü literatürdeki veri noktaları arasındaki regresyon analizi ile hesaplanır ve ayrıca erken başarısızlıklar olarak kabul edilir (bkz.Tablo 3). Erken kayıp senaryosu için 2.4928’in ortaya çıkan alfa şekli faktörü daha düşük Weibull fonksiyonudur ve farklı atanan alfa parametreleri nedeniyle, düzenli kayıp ve erken kayıp senaryoları 30 yıl sonra ters etkiye sahiptir. Bu nedenle, regular-loss senaryosu 30 yıldan daha yüksek bir kayıp olasılığını gösterir.

F(t) = 1-e -(t/T) α Burada
t = zaman (yıl),
T = ortalama yaşa m ömrü, α= Weibull eğrisinin tipik S şeklini kontrol eden şekil faktörü.

Bir sonraki yazımızda “regular-loss” ve weibull parametrelerinin hesaplanmasına devam edilecektir.

 

Cemil Koyunoğlu

Yalova Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü