PVReValue - Mechanische Verbundauftrennung für ganzheitliches Recycling von Photovoltaik-Modulen

Abstract

In dieser Diplomarbeit wird ein Konzept zur mechanischen Verbundauftrennung von Photovoltaik (PV)-Modulen erarbeitet. Dieses Konzept ermöglicht eine sortenreine Trennung der Hauptschichten von PV-Modulen, was für ein nachhaltiges Recycling und das Etablieren einer Kreislaufwirtschaft essentiell ist. Der Fokus während des gesamten Projekts liegt auf Nachhaltigkeit, da dies, auf Grund der Klimakrise, eines der wichtigsten Themen in der heutigen Zeit darstellt. Als Autor dieser Diplomarbeit liegen mir die Themen der Nachhaltigkeit und der Kreislaufwirtschaft sehr am Herzen. Diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, nachhaltige Energieerzeugung mittels Photovoltaik, auch nach dem Ausscheiden der Module, nachhaltig bleiben zu lassen. Da es mehrere Arten von Photovoltaik-Modulen gibt und die Ausscheidung auf Grund des Alters in den nächsten Jahren insbesondere bei Glas-Backsheet-Module signifikant steigen wird, wurde auf diese Art der Module der Fokus gelegt. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgten unter Verwendung einer vertikalen CNC-Fräsmaschine der Fa. Heller, des Typs „ProfiTrainer PT16“. Die Versuche umfassten die Variation von Bearbeitungsparametern, wie der Werkzeugdrehzahl, dem Werkzeugdurchmesser, die Vorschubgeschwindigkeit, die axiale Schnitttiefe, sowie der Schneiden-Anzahl des Bearbeitungswerkzeugs. Die Parameter-Variationen führten zu Unterschieden in der Qualität der Späne und der Sicherheit in der Materialentfernung, welche innerhalb dieser Diplomarbeit analysiert wurden. Als Trennverfahren wurde, wie bei den Vorversuchen, ein zweistufiges Verfahren gewählt, um im ersten Schritt das Backsheet zu entfernen und im zweiten Schritt den Zell-Verbund aller verbleibenden Schichten vom Glas zu lösen. Während dem Fräsprozess wurde das maschineneigene Koordinatensystem, zum definierten Abfräsen der gewünschten Schichten verwendet. Die Fixierung der PV-Module wurde über eine eigens konstruierte Vakuumspannplatte realisiert, bei welcher die Rechtwinkligkeit während der Bearbeitung von essenzieller Bedeutung war. Ebenso wurden geringfügige Anpassungen an der verwendeten Fräsmaschine durchgeführt, um die Vermessung in Zukunft zu erleichtern. Zur Implementierung einer Absaugung wurde eine Spänebox konstruiert, welche die Entnahme der generierten Späne für zukünftige Versuchszwecke erleichtern soll.

This diploma-thesis develops a concept for the mechanical delamination of Photovoltaic (PV)-modules, enabling the separation of their primary layers in a conducive manner. This allows a sustainable recycling and the establishment of a circular economy. Sustainability serves as the central focus throughout this project, acknowledging its paramount importance in today's context of the climate crisis. As the author of this thesis, I am deeply committed to the themes of sustainability and circular economy, aiming to contribute towards the enduring sustainability of photovoltaic energy generation, even beyond the life span of the modules.Because of the increasing retirement of glass-backsheet modules due to their age in the coming years, this research concentrates on this module type, as suitable samples were readily available. Experimental investigations were conducted using a vertical computerized numerical control (CNC) milling machine, specifically the "Heller ProfiTrainer PT16." These experiments involved the variation of machining parameters, such as tool rotation speed, tool diameter, feed rate, depth of penetration, and the number of tool teeth. These parameter variations resulted in differences in chip quality and material removal efficiency, which are comprehensively analysed within this diploma-thesis.The delamination process employed a two-step method, removing the backsheet in the first step, followed by separating the cell assembly from the glass substrate in the second step. The machine's native coordinate system was employed during milling to precisely remove the desired layers. The fixation of the PV-modules was achieved through a specially designed vacuum clamping plate, where maintaining perpendicularity during machining was essential. Additionally, minor adjustments were made to the milling machine used to facilitate future measurements.For the implementation of an extraction system, a chip box was constructed in order to simplify the removal of the generated chips for future experimental purposes.