综述：光伏回收基础设施的系统级设计：机械、热能、化学及激光技术的综述 作者：Mahmoud Dhimish 和 Peter Behrensdorff Poulsen

《Designs》：System-Level Design of Photovoltaic Recycling Infrastructure: A Review of Mechanical, Thermal, Chemical, and Laser-Based Technologies Mahmoud Dhimish and Peter Behrensdorff Poulsen

　　摘要 本文从系统级工程设计的角度探讨了光伏（PV）废弃物的回收问题，填补了现有文献中主要关注材料和工艺层面分析的空白。本文提出了一个统一的框架，通过系统架构、过程控制和基础设施集成来评估机械、热处理、化学以及新兴的激光基技术。研究引入了以设计为导向的概念，包括最佳处理窗口、模块化系统配置和多层控制框架，以支持可扩展光伏回收系统的决策制定。特别强调了基于激光的回收技术（例如飞秒激光技术），该技术能够实现非热处理、高精度和选择性材料分离，代表了向智能和适应性回收基础设施的转变。文章还强调了从传统批量光伏处理向精密控制、人工智能（AI）驱动系统的过渡，并概述了在循环经济中实现可持续、高效光伏回收所需的未来研究和工业路径。

1. 引言
1.1 研究背景与动机
光伏（PV）系统的全球快速部署在推动低碳能源系统的转型中发挥了重要作用。然而，这一扩张也带来了一个新挑战：如何管理光伏组件的生命周期终结（EoL）后的处理问题。由于光伏组件的典型寿命为20-30年，预计在未来几十年内会产生大量光伏废弃物[1]，因此需要开发高效、可扩展且可持续的回收系统。应对这一挑战不仅需要材料回收工艺的进步，更重要的是需要考虑性能、成本、环境影响和循环性的集成回收系统的工程设计。

典型的晶体硅光伏组件由多层紧密粘合的材料组成，包括前玻璃盖、封装材料（如乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）[2]）、太阳能电池、背板以及铝框架和接线盒等支撑结构，如图1所示。这种强化的层压结构和材料异质性在确保组件使用寿命的同时，也给EoL时的拆卸和材料回收带来了重大挑战[3]。因此，任何回收策略的有效性从根本上取决于与层分离（解耦）、过程排序和系统集成相关的设计决策。

目前的光伏回收方法大致可以分为四种主要的技术路径（如图2所示）：机械方法、热处理方法、化学方法和新兴的激光解耦技术。机械方法通常涉及拆卸和尺寸减小过程，可以部分回收材料，但纯度往往有限。热处理方法利用高温处理来分解封装材料并分离各层，但这些方法能耗较高且可能导致材料降解。化学方法旨在选择性地溶解封装层或回收高纯度材料，但存在试剂使用、废物处理和过程可扩展性方面的挑战。最近，激光技术作为一种有前景的下一代解决方案出现，提供了精确、非接触式且潜在损伤较小的层分离方法，尤其是在与智能控制系统结合使用时。

尽管光伏回收技术取得了显著进展，现有文献主要集中在材料和工艺层面的研究上。一些综合性的综述探讨了机械、热处理和化学回收路径，重点关注材料回收效率、反应机制和过程优化[4,5,6]。虽然这些研究为特定技术提供了宝贵的见解，但它们通常将回收过程孤立起来考虑，较少考虑不同过程在集成系统中的相互作用。因此，诸如过程排序、基础设施设计、可扩展性、运营权衡以及整个回收价值链的整合等关键系统级问题仍未得到充分解决。特别是缺乏支持从组件接收和预处理到材料回收和再整合多个处理阶段决策的设计导向框架。随着光伏废弃物量的增加以及回收系统必须从实验室规模示范向工业规模基础设施的转变，这一差距变得越来越关键。应对这一挑战需要从以过程为中心的分析转向系统级工程视角，不仅基于单个技术的性能，还考虑其在集成、可扩展和适应性回收系统中的作用。

本文的其余部分结构如下：第1.2节概述了本综述的主要贡献和范围；第2节全面分析了光伏回收技术，包括机械、热处理、化学和基于激光的方法，重点关注其发展、设计空间和系统集成；第3节讨论了更广泛的工程影响，强调了新兴趋势、系统级权衡和未来发展路径；最后，第4节总结了关键发现并指出了未来研究的方向。

1.2 本综述的范围与贡献
基于已识别的研究空白，本综述旨在提供对光伏回收技术的结构化和设计导向的分析。与主要关注个别材料回收过程或孤立技术路径的现有综述不同[4,5,6]，本文采用了一种整体的工程方法，将回收技术置于集成系统架构和基础设施设计的背景下进行评估。本文的主要贡献可以总结如下：
- 系统级设计视角：本文将光伏回收视为一个系统工程问题，强调整个回收价值链中的过程集成、基础设施配置和运营权衡。
- 统一的设计空间分析：在共同的框架内分析机械、热处理、化学和基于激光的技术，从而可以直接比较它们的过程控制、选择性、可扩展性和系统集成潜力。
- 引入设计导向的框架：研究提出了几种支持工程决策的概念工具，包括（i）热处理系统的处理窗口表示方法，（ii）集成混合过程架构，以及（iii）基于激光的回收的多层系统设计框架。
- 关注下一代技术：特别关注基于激光的回收和AI驱动的控制系统，将其置于光伏回收基础设施的更广泛发展背景下，并识别其在精确性、适应性和高价值材料回收方面的潜力。
- 识别研究和基础设施的空白：本文指出了当前回收方法的关键局限性，包括与可扩展性、系统集成、经济可行性和对新光伏技术的适应性相关的挑战，从而为未来的研究和工业发展指明了优先方向。

1.3 综述的方法论
本文采用结构化的叙述方法，从系统级工程角度分析光伏回收系统的设计和集成。所考虑的文献来自主要的科学数据库，包括Scopus、Web of Science和Google Scholar，重点关注2015年至2026年间发表的同行评审期刊文章。文献的选择基于其对光伏回收技术的工程设计、过程集成和系统级性能的相关性。那些仅关注材料表征而不明确涉及过程设计或系统集成的研究被认为不太符合本综述的目标。优先考虑提供过程机制、系统配置、技术经济性能和可扩展性见解的研究。选定的研究被分析并归类为四个主要技术领域：机械、热处理、化学和基于激光的回收。分析不仅将这些类别视为孤立的过程，还强调它们在集成系统架构中的作用，包括混合配置和多阶段回收工作流程。此外，综述还纳入了数字化、自适应控制和循环经济策略等新兴概念，包括再利用和翻新。

因此，文献的综合不仅限于对技术的描述性比较，而是围绕关键工程设计维度进行构建，包括过程控制、选择性、可扩展性、能源效率和系统集成。本文提出的概念框架，如处理窗口和多层系统架构，是通过多研究的见解解释和整合而发展的，而不是来自单一来源。这种方法有助于识别设计权衡、研究空白和未来发展路径。

2. 光伏回收技术的演变与设计空间
本节从工程设计、系统集成和基础设施的角度回顾了当前的光伏回收技术状况，重点关注不同方法对整体回收性能和可扩展性的影响。讨论不是基于纯粹的过程比较，而是围绕与四种主要回收路径（机械、热处理、化学和基于激光的解耦）相关的设计决策、系统架构和运营考虑进行。重点探讨了这些技术的发展、它们在系统层面引入的权衡以及对高效、适应性和可持续光伏回收基础设施发展的影响。

虽然本文将光伏回收技术分为四个主要类别：机械、热处理、化学和基于激光的回收，但需要注意的是，现实世界的回收系统往往更为复杂，涉及多种处理路线的组合。特别是，工业回收路径通常包括拆卸、层分离和尺寸减小等预处理操作，随后是用于材料回收的湿法冶金或火法冶金过程。这些方法在这里不是作为完全独立的类别，而是被视为更广泛的化学和热处理框架内的具体实现或子领域。此外，结合机械、热处理和化学阶段的混合回收系统越来越被认为是处理光伏废弃物的最实用和可扩展的解决方案。此外，直接再利用、翻新和再制造等循环经济策略也越来越重要，特别是对于仍具有功能价值的组件，应将其视为与材料回收并列的补充路径。

2.1 基于机械的EoL光伏回收
基于机械的回收仍然是处理EoL光伏组件的最成熟和工业上最易实现的途径之一，主要是因为它基于熟悉的单元操作、模块化工厂架构和相对成熟的材料处理基础设施。从工程设计的角度来看，机械回收系统的核心目标不仅仅是分解组件，而且是以一种能够将下游材料流结构化为具有可接受纯度、吞吐量和安全性的可回收部分的方式来进行分解。

在这种情况下，系统性能受一系列设计决策的影响，这些决策涉及进料处理、预处理、破碎强度、颗粒大小控制、分离逻辑、容器和过程自动化[7]。图3展示了一个代表性的机械光伏回收线系统级配置。需要注意的是，这种配置并不对应于某个特定的工业设施，而是代表了在机械回收系统中常见的单元操作和过程布局的概念性综合[7,8,9,10,11,12,13]。该过程从机械线开始，EoL光伏组件通过进料、框架和接线盒去除、粉碎[8]、造粒、筛分、磁分离、涡流分离、空气分类和最终材料收集等步骤。这种布局反映了经典的工艺工程理念，其中拆卸和粉碎与物理分离阶段相结合，逐步释放和分类材料流。

机械回收的一个关键优势在于其与连续或半连续处理的兼容性。图3所示的设计突出了输送机连接的材料传输、分布式驱动和集中可编程控制的重要性，这些都支持操作的稳定性和可扩展性。对于光伏组件而言，预处理尤为重要，因为铝框架和接线盒是相对容易获取且具有明显经济价值的组件，应在剧烈破碎之前去除[9]。这不仅减少了粉碎单元的机械负荷，还提高了下游颗粒生成的一致性[10]。一旦层压结构进入初级和次级尺寸减小阶段，工程挑战就变成了如何在不过度破碎的情况下充分释放玻璃、金属、聚合物和含硅部分。因此，尺寸减小配置成为核心的系统设计变量：破碎不足会限制分离效率，而过于激烈的过程会增加粉尘产生、细颗粒混合和材料价值损失[11]。

机械线的下游配置同样重要。振动筛分、磁分离、涡流分离和基于密度的空气分类不是独立的设备，而是相互依赖的阶段，其有效性取决于进料均匀性、颗粒形态、水分状态和之前的释放程度[12]。因此，机械光伏回收系统的设计必须被视为一个协调的分离网络，而不仅仅是一系列简单的设备。在实际应用中，这意味着颗粒大小范围、皮带速度、转子设置、气流速率以及收集箱的逻辑应当作为一个综合优化问题的一部分来选择[13]。图3通过展示材料流动方向、灰尘抽取和控制系统架构在整个生产线中的相互作用，支持了这一观点。这种集成对于保持安全操作至关重要，特别是考虑到存在玻璃细屑、聚合物粉尘和金属碎片的情况下，这些因素都可能影响设备磨损、过滤需求和职业暴露风险。因此，正如[14]所讨论的，灰尘抽取和过滤不仅仅是附加的设施，而是机械驱动的光伏回收厂基础设施中的基本设计元素。

除了其操作实用性之外，机械回收还具有重要意义，因为它为区域性和工业规模的基础设施部署奠定了基础。其设备通常基于已经在废物处理、电气设备回收和矿物处理中使用的成熟机械类别，这降低了部署的门槛。然而，从方法论设计的角度来看，成熟度并不自动意味着对光伏废物的最佳处理方式。光伏模块是高度层压的、脆性-延展性的复合材料，其结构挑战了传统的粉碎逻辑。因此，最重要的设计问题之一是如何根据光伏模块的物理结构来定制粉碎机制，而不仅仅是依靠强力破碎[15]。这激发了对更具选择性的机械粉碎方法的兴趣，这些方法旨在减少对有价值成分的损害并提高分离效率。其中一种新兴的方法是高压粉碎（HVF）[16]，如图4所示。与传统的破碎和造粒不同，HVF将脉冲电放电引入受控介质（通常是水）中，以在层状光伏结构内诱导界面驱动的粉碎。从科学和工程设计的角度来看，这一点非常重要，因为粉碎机制不再主要受体积机械剪切或冲击的影响[16,17,18]，而是受到具有不同介电和机械性能的材料界面处局部应力的影响。在层压的光伏模块中，这些界面包括玻璃-封装层、封装层-电池片和电池片-背板边界。图4所示的系统包括进料/装载部分、脉冲发生器、绝缘容器、上下电极、充满水的粉碎腔室、输出收集以及下游的粒度分级。这种配置反映了更具选择性的粉碎理念，即该系统旨在利用模块的内部结构，而不是不加区分地将所有组件粉碎成混合碎片。

从系统设计的角度来看，HVF引入了一套与传统机械生产线不同的工程优先级。腔室设计、介电介质、电极几何形状、脉冲频率、电压范围、停留时间和放电通道控制成为影响粉碎选择性和能量传递的关键变量[19,20]。图4中显示的传感器监测和脉冲控制表明，HVF系统本质上更依赖于闭环控制和过程诊断[17,20]。这为更精确的操作创造了机会，但也要求在设备设计、仪器仪表和安全联锁方面有更强的方法论框架。特别是，容器完整性、电气绝缘、水管理和放电重复性成为核心设计要求。因此，工程挑战不仅在于展示粉碎效果，还在于开发一个能够在不同光伏模块条件下实现稳定吞吐量、可控碎片大小分布和可重复释放有价值材料的稳健工艺平台。

总体而言，基于机械的光伏回收应被视为一个广泛的设计领域，涵盖了传统的基于粉碎的工厂和更具选择性的粉碎平台。该领域的主要方法论贡献在于其对物理拆解、材料释放和基础设施兼容处理的重视。对于未来光伏回收系统的设计而言，关键问题不仅在于机械处理是否可行，还在于如何构建机械系统以平衡吞吐量、选择性、安全性、可维护性和下游材料质量。图3和图4共同表明，机械回收的发展越来越多地受到系统设计思维的影响：从基于线性破碎的布局转向更加可控、选择性和传感器信息驱动的粉碎基础设施，这些基础设施是根据光伏模块的层状结构量身定制的。

2.2 基于热能的光伏回收
基于热能的回收代表了光伏回收系统的根本不同的设计理念，其中使用受控的热传递作为材料分离的主要机制，特别是针对EVA等封装层的分解[21]。热回收系统不仅仅由炉子操作定义，而是由热能、流体和过程控制子系统的集成所决定，这些子系统共同决定了材料回收效率、能源消耗、排放管理和操作安全性[22]。图5展示了一个代表性的试点规模热回收系统，突出了包括进料处理、预处理、热处理腔室、气体管理、热回收、冷却和系统控制基础设施在内的关键设计元素。图5中的系统强调了热回收基础设施的多领域工程设计原则，其中热传递、气体管理、过程控制和安全系统协同工作，以实现高效地去除封装层并回收光伏模块中的材料。系统的核心是热处理腔室，在这里光伏模块在受控的大气条件下暴露在450–650°C的高温下[23]。这一阶段的主要设计目标是选择性分解聚合物封装层，同时避免对高价值材料（如玻璃和硅片）造成过度降解。这在系统设计中引入了一个关键的权衡：更高的温度和更长的停留时间可以提高封装层的去除效率，但会增加玻璃软化、硅损坏和能源效率降低的风险[24]。如图5所示，温度控制单元、实时监测传感器端口和定义的停留时间的加入反映了精确热调节作为核心设计要求的需求，而不仅仅是次要的操作参数。

从系统架构的角度来看，热回收系统本质上是多领域的，将热传递、气体流动管理和材料处理结合在一个集成基础设施中。处理腔室内控制气氛的存在（无论是惰性的、氧化性的还是低氧的）直接影响分解路径[25]、排放特性和材料完整性。因此，设计必须包括气体处理和过滤子系统，例如高效颗粒空气（HEPA）过滤器和洗涤器，以捕获挥发性有机化合物（VOCs）、颗粒排放物以及封装层降解过程中可能产生的有害副产品。图5中显示的废气出口和过滤单元因此不是辅助组件，而是确保环境合规性和安全操作的关键部分。

能源效率是热光伏回收系统设计的另一个决定性因素。鉴于高温处理的本质上是能源密集型的，如图5所示，包含一个热回收单元对于提高整个系统的可持续性至关重要。回收的热能可以重新整合到加热循环中或在设施的其他地方使用[23]，从而降低运营成本和环境影响。这突出了一个重要的系统级设计原则：热回收工厂不应被视为孤立的反应器，而应被视为能源集成的过程系统，在这种系统中，热流和物质流是优化的。系统的下游配置进一步反映了受控过程转换的重要性。热处理后，材料进入冷却区，在这里需要控制冷却以稳定材料性能[27]，防止热冲击，并为后续处理或分离做好准备。这一阶段的设计必须考虑冷却速率、气流和挥发性物质的潜在再凝结[26]。输出材料流（例如玻璃、金属和残留物）的分离取决于之前的热分离效果，这加强了上游热条件和下游材料回收性能之间的相互依赖性。

从控制和安全的角度来看，热回收系统需要比纯机械方法更高程度的过程监控和联锁机制。可编程逻辑控制器（PLCs）、紧急停机系统、压力释放阀和连续传感器反馈的集成使得在高温和潜在危险条件下能够稳定运行。这些元素是此类系统工程设计的核心，因为它们确保了可靠性、可重复性和符合工业安全标准。图5中显示的橇装结构配置也反映了模块化的趋势，便于部署、扩展和集成到现有的废物管理基础设施中。

在设计方法论方面，基于热能的光伏回收系统体现了过程驱动和参数敏感的设计空间，其中系统性能受温度、停留时间和材料响应之间相互作用的影响。如图6所示，热处理的有效性不能仅由单一的操作条件定义，而应在保持高价值材料（如玻璃和硅）的结构和功能完整性的同时，实现封装层的分解的最佳处理窗口[28]。这引入了一个多目标设计问题，需要同时考虑回收效率、能源消耗、排放和材料降解。图6展示了基于热能的光伏回收过程的概念性设计空间，说明了温度和停留时间与封装层分解、材料回收效率、能源消耗和降解风险之间的关系。所示的边界不是来自单一实验数据集，而是文献中报告的操作范围和趋势的综合[23,24,25,26,27,28,29]，旨在提供过程优化的定性工程框架，而不是精确的操作限制。图6突出了三个对工程决策至关重要的操作区域：在较低的温度和较短的停留时间内，系统处于欠处理区域，导致材料释放不完全和下游分离效率低下；而在较高的温度和较长的停留时间内，系统进入过处理区域，表现为能源消耗增加、排放增加和材料不可逆降解，包括玻璃软化和硅损坏。在这两个极端之间是一个最佳处理窗口，在此窗口内，封装层的分解足以实现有效分离[28]，同时将热损伤和能源效率降低降至最低。从系统设计的角度来看，识别并保持在这个窗口内的操作是实现技术和经济可行性的核心要求。

这种表述将热回收重新定义为一种设计优化问题，而不是一个固定的过程，其中操作条件必须根据模块组成、吞吐量要求和系统约束动态选择[23,29]。它还强调了传感和控制策略的重要性，因为实时监测温度、气体组成和停留时间是避免进入低效或有害状态所必需的。图6中包含的能源效率边界和降解阈值进一步强调了热系统设计必须明确考虑过程强度和材料保护之间的权衡。

2.3 基于化学的光伏回收
基于化学的回收代表了光伏回收系统的选择性驱动设计范式，其中通过受控的溶解、浸出和纯化过程实现材料回收[30]。这种方法将重点从物理拆解或热转换转向反应工程、流体处理和分离系统的集成，目标是在保持过程安全和环境合规性的同时最大化材料纯度和回收率。光伏模块组成的复杂性，特别是金属、硅、聚合物和玻璃的存在，要求精心设计的化学路径，这些路径与上游预处理和下游纯化阶段紧密耦合[31]。图7展示了一个代表性的试点规模化学回收系统架构，突出了涉及试剂储存和投加、反应控制、流体传输、分离、溶剂回收和废物处理的关键子系统。系统的核心是化学反应器容器，在这里预处理过的光伏材料在受控的化学环境中进行处理[32]，这些条件由温度（通常为40–80°C[30]）、pH值（酸性[33]或碱性[34]条件）、试剂浓度和停留时间等参数定义。包括温度、pH值和压力监测的传感器网络，以及搅拌系统和投加端口，反映了精确反应控制对于确定溶解动力学、选择性和材料回收的重要性。图7中的操作条件（例如温度和pH值）是示例性的，可能会根据目标材料和化学回收路径而有所不同。从系统设计的角度来看，化学回收的有效性取决于多个相互依赖的子系统的集成，而不仅仅是反应器本身[31]。试剂储存和计量单元必须设计得能够确保酸、碱或催化剂的准确输送，同时保持与腐蚀性环境的兼容性，并实现安全 containment（即物质的妥善存放）。流体传输系统，包括泵、阀门和管道，在维持连续或半批次操作中起着关键作用[35]，确保反应物和产物在整个系统中的均匀混合和传输。这些元素共同决定了化学回收基础设施的流程连续性和可扩展性。

基于化学的系统的一个显著特点是反应阶段之后的多阶段分离和纯化框架。如图7所示，固液分离单元（例如过滤）用于分离未溶解的残留物，而液相分离过程如沉淀、萃取或离子交换则能够回收高纯度材料，包括硅和有价值的金属[36]。这些阶段的设计必须考虑溶解度限制、反应副产物、相平衡和杂质分布等因素[37]。重要的是，这些下游过程并非独立于上游反应条件；相反，它们受到反应器内化学环境的强烈影响，这进一步强调了整体系统设计和参数协调的必要性。

环境和安全考虑是化学光伏回收系统工程设计的核心。使用反应性化学品需要强大的 containment（即物质的妥善存放）策略、紧急停机系统以及二级 containment（例如溢出围堰），如图7所示。此外，废物处理和中和单元对于管理废水和确保符合环境法规至关重要[38]。包含溶剂回收和再生单元突显了另一个关键的设计原则：试剂的循环使用，以降低运营成本和环境负担。从系统层面来看，这将流程从线性消耗模式转变为闭环化学处理系统，更符合循环经济的目标。

图8进一步扩展了这一观点，展示了将化学处理与上游的物理和热预处理阶段相结合的混合工艺架构。这种组合方法反映了光伏回收系统设计中的一个关键见解：没有单一过程足以应对模块结构的全部复杂性。相反，当化学过程应用于预处理过的材料流时最为有效[39]，因为预先的尺寸减小和封装层去除提高了试剂的可及性和反应效率。从设计方法的角度来看，这引入了流程排序和模块化系统集成的概念，每个阶段的选择和配置都是基于其对整体系统性能的贡献。

图8展示了结合了物理预处理、热处理和化学处理阶段的集成混合光伏回收工艺流程。图8中的混合工作流程表明，机械预处理可以减小模块的尺寸和复杂性，热处理有助于封装层的分解，而化学处理则能够实现高纯度材料的回收[25]。这种分层设计策略使工程师能够在不同的工艺领域分配功能，从而提高效率并减少对任何单个子系统的负担。重要的是，这种方法还支持适应性，因为系统内的各个模块可以根据光伏技术、材料组成或法规要求的变化进行独立修改或优化。

从设计决策的角度来看，基于化学的光伏回收系统涉及一系列权衡，包括试剂消耗、工艺选择性、回收纯度、废物产生和运营复杂性。工程师面临的挑战是在确保可扩展性和经济可行性的同时平衡这些因素[40]。这不仅需要详细的化学过程知识，还需要一种系统工程方法，将反应设计、分离技术、流体动力学和环境管理整合到一个连贯的框架中。总体而言，由于化学回收能够实现高纯度材料的回收，特别是在硅和有价值金属方面，它在光伏回收技术的更广泛设计空间中占据了关键地位。然而，其成功实施依赖于仔细的系统集成、工艺优化和基础设施设计，如图7和图8所示。通过将化学回收纳入系统级设计方法，这种方法符合开发高效、可扩展和可持续的光伏回收解决方案的目标。

2.4. 基于激光的EoL光伏回收：未来技术
基于激光的回收代表了下一代EoL光伏系统的设计范式，其特点是精确性、选择性和非接触式材料处理。与传统依赖于大规模机械力或高温转化的方法不同，基于激光的系统通过控制光子-材料相互作用来操作，从而实现有针对性的层分离，并将附带损伤降至最低[41]。这种方法转向了高分辨率、数字控制和自适应处理基础设施，在这种基础设施中，系统性能由光学、热（微观尺度）和控制子系统的协调来决定。

图9展示了一个代表性的试点规模激光驱动的光伏回收系统，该系统以使用超短脉冲激光（特别是飞秒激光）为中心，这种激光在这一领域越来越被认为是变革性技术。虽然皮秒激光在工业处理中也具有优势，但飞秒激光系统能够实现非热或“冷”消融模式[42,43,44,45]，其中材料去除速度快于热扩散，从而显著减少了对相邻层的热损伤。这对于光伏模块尤为重要，因为保持硅片、金属互连和玻璃基板的完整性对于高价值材料的回收至关重要。

从系统设计的角度来看，激光回收平台整合了几个紧密耦合的子系统。光束生成和传输系统，包括飞秒激光源、光束整形光学元件和聚焦元件，定义了激光-材料相互作用的空间和时间特性。这些参数，如脉冲能量、脉冲持续时间、重复率和光斑大小，直接影响消融效率、穿透深度和选择性。如图9所示，加入的振镜扫描头和精密XY定位平台使得可以在光伏模块表面上实现可控和可重复的扫描模式，从而实现特定于层的处理策略，如封装层去除或界面分层。

基于激光的系统的一个显著特点是实时监控和自适应控制的集成。视觉系统和光学传感器[46,47]提供关于工艺质量、材料响应和消融特性的持续反馈，这些反馈被输入到中央控制系统（例如PLC或嵌入式接口[48]）。这使得可以实现闭环控制架构，根据材料组成、表面条件或缺陷状态的变化动态调整激光参数。如图9所示，加入AI驱动的控制进一步增强了这一能力，允许数据驱动的工艺条件优化，以最大化精度、吞吐量和材料回收质量。

与传统的回收基础设施相比，基于激光的系统本质上是模块化的、数字化的并且高度可配置的，非常适合集成到智能制造和回收环境中。封闭的处理腔室、用于收集消融颗粒的提取系统[49,50,51]以及过滤单元是确保运营安全和环境合规性的关键设计组件。此外，激光处理的非接触性质减少了机械磨损和污染，提高了系统的可靠性和维护效率。

为了正式化这类系统的设计方法，图10提出了一个多层次工程框架，从系统层面捕捉了基于激光的光伏回收的关键要素。该框架强调，成功的实施不仅仅是选择一个激光源；它涉及从输入特征到性能评估的多层设计决策的协调。在输入层面（第1层），系统设计受到光伏模块属性、目标回收目标和运营约束（如吞吐量和可持续性要求）的影响。这些输入直接影响激光系统参数的选择（第2层），其中关于脉冲模式（飞秒与皮秒[43]）、扫描策略和交互模式的决策必须与期望的材料结果相匹配。

图10展示了基于激光的光伏回收系统的多层次工程设计框架，从系统输入到性能评估。工艺执行层（第3层）代表了激光-材料相互作用的物理实现，其中发生非热消融和选择性分层。然而，与静态系统不同，基于激光的回收在很大程度上依赖于第4层（监控和反馈），实时诊断确保了工艺稳定性和质量保证。第5层（自适应AI控制）的集成将系统提升为一个智能的、自我优化的平台，能够从工艺数据中学习并动态调整控制变量，正如之前的多项研究所证明的[52,53,54,55]。最后，第6层（输出和性能指标）为评估系统性能提供了结构化的基础，包括材料分离质量、能耗、吞吐量和整体系统效率。

尽管[52,53,54,55]中的研究展示了深度学习和数据驱动优化在基于激光的材料处理中的有效性，但需要注意的是，这些方法主要是在非光伏领域（如金属、半导体和微制造系统）开发和验证的。尽管如此，自适应控制、实时参数调整和工艺-响应建模的基本原理可以直接应用于光伏回收，特别是在层选择性消融和异质材料界面的背景下。然而，在针对光伏回收系统定制AI驱动控制的应用方面仍存在明显的研究空白。特别是，开发能够处理光伏模块组成变化、退化状态和封装结构变化的领域特定模型尚未得到广泛探索。解决这一空白是推进基于激光的光伏回收向智能、自我优化和工业可扩展系统发展的关键机会。

从设计和决策的角度来看，基于激光的光伏回收引入了一组与传统技术不同的权衡。虽然它提供了无与伦比的精确性和高纯度材料回收的潜力，但也需要仔细考虑资本成本[56]、系统复杂性、微观尺度上的能量输入以及与上下游过程的集成。然而，它能够选择性地针对界面并最小化损伤，使其成为未来循环光伏系统的关键使能技术。

3. 讨论
3.1. 系统级设计洞察和技术演变
前面的章节通过个别处理方法的角度审视了光伏回收技术。然而，从本研究的视角来看，核心贡献不在于技术本身的比较，而在于理解这些方法如何共同定义了一个工程设计景观，在这个景观中，系统架构、工艺控制和决策框架决定了整体性能。图11通过将光伏回收技术的演变映射到两个关键设计维度——工艺控制水平和材料分离的选择性/精度——来综合这一景观。图11展示了从传统（机械）到先进（热、化学、HVF）再到下一代（基于激光）系统的演变过程，作为工艺控制和材料分离精度的函数。从这种表示中可以明显看出一个趋势：光伏回收技术正从低控制、批量处理的系统向高度控制的、精确度驱动的平台发展[4,5]。机械回收在控制和选择性方面处于较低水平，反映了基于稳健性和可扩展性的设计理念，但在保持材料完整性方面有限。热系统处于中间位置，通过温度和停留时间引入了工艺控制，但受到能量强度和材料降解风险的限制。化学回收通过反应工程和纯化过程进一步提高了选择性和回收效率，但引入了系统复杂性、化学依赖性和环境管理挑战[36]。

新兴的方法，如HVF[16,17,18]，尤其是基于激光的技术，代表了向界面驱动和精确度驱动的系统设计的转变。这些技术不仅仅是渐进式的改进，而是标志着设计范式的转变，在这种设计中，光伏模块的内部结构在回收过程的设计中得到了明确考虑。特别是基于激光的系统，尤其是那些使用飞秒脉冲模式的系统，提供了非热、高度选择性的层分离潜力，实现了传统方法无法实现的材料质量保持。

工艺控制水平的提高与先进传感、数字控制和自适应优化策略的集成密切相关。如图11所示，下一代回收系统预计将集成AI驱动的控制架构，实现实时参数调整、工艺学习和性能优化。这种演变与智能制造和工业4.0的更广泛趋势相一致[57,58,59]，在这些趋势中，回收系统不再是静态的基础设施，而是能够适应输入材料和操作条件变化的智能、响应迅速的平台。尽管基于激光的光伏回收技术具有明显优势，但重要的是要认识到这项技术仍处于发展阶段，需要进一步的研究、验证和工业规模的扩展。主要挑战包括优化不同光伏组件类型的激光-材料相互作用机制、开发成本效益高且节能的激光系统，以及将激光处理技术整合到现有的回收基础设施中。此外，从实验室或试点规模的应用向工业规模部署的过渡需要提高系统的吞吐量、可靠性和经济可行性。

从方法论的角度来看，光伏回收的未来在于开发混合和集成系统架构，即将多种技术以互补的方式结合在一起。不应将机械、热处理、化学和基于激光的处理方法视为相互竞争的解决方案，而应将其视为统一设计框架中的模块化组件，每个组件都承担特定的功能，如预处理、分层、净化或精确分离。这种系统层面的视角使得回收基础设施更加灵活和稳健，能够处理各种不同的光伏技术和不断变化的废物流。

重要的是，向下一代回收系统的过渡需要研究、产业和政策领域的协调努力。增加对研发的投资对于将基于激光和人工智能的回收技术从概念框架发展成可部署的解决方案至关重要。同时，产业的参与对于在实际条件下验证系统设计以及建立经济上可行的商业模式也至关重要。政策框架也必须不断发展，以支持创新、标准化，并在循环经济策略中采用先进的回收技术。

3.2 光伏回收系统的技术经济考量

光伏回收系统的经济可行性仍然是其大规模应用的最大障碍之一。虽然在开发高效的材料回收技术方面已经取得了显著进展，但技术经济分析一致表明，盈利能力高度依赖于系统配置、处理规模、材料回收率和外部政策条件。表1总结了评估不同技术路径和操作规模下光伏回收系统经济性能的研究[60,61,62,63,64]。这些研究的一个关键发现是，许多现有的回收方法在当前市场条件下难以实现经济盈利。例如，传统的机械回收和混合全回收过程往往以低利润率或负利润率运行，特别是当材料回收价值不足以抵消处理、运输和资本成本时[60]。同样，工厂级别的分析表明，如果缺乏额外的收入来源（如避免填埋的成本或政策激励），中等规模（例如每年约3000吨）的回收设施在经济上可能是不可行的。这些发现突显了光伏回收的一个根本挑战：传统晶体硅（c-Si）组件的内在材料价值相对于复杂的分离过程的成本来说相对较低。

尽管存在这些限制，一些研究表明在特定条件下可以实现经济可行性。结合机械、热处理和化学过程的混合回收方法由于提高了材料回收率和价值提取能力而表现出更好的性能。例如，在优化条件下，集成回收系统报告了略高于1的净现值和收益成本比，尤其是在高效回收高价值材料（如银和硅）时[61]。此外，通过工艺优化和规模扩展可以显著降低单位成本，例如从实验室规模的成本（约29美元/组件）降低到高通量场景下的成本（约3.30美元/组件）[62]。这些结果表明，规模经济、工艺整合和回收效率的提高是实现经济可持续光伏回收基础设施的关键因素。

另一个重要的考虑因素是回收完整性与经济性能之间的权衡。虽然全材料回收路径（例如闭环回收场景）可以实现更高的环境效益和长期资源可持续性，但通常需要更高的资本投资和更复杂的工艺。如表1所示，在有利条件下，全回收系统可以实现强劲的投资回报，但简化的回收策略（例如专注于铝和玻璃）可能提供更低的前期成本和减少的技术复杂性[64]。这突显了一个基本的设计权衡：最大化材料回收并不总是意味着最佳的经济性能，系统设计必须在回收效率与成本效益之间取得平衡。

除了这些技术经济考量之外，光伏技术的快速演变也给回收系统设计带来了新的挑战。虽然大多数现有研究集中在传统的晶体硅（c-Si）组件上[4,7,8,35]，但新兴技术（如薄膜（例如碲化镉（CdTe）[65,66]、铜铟镓硒（CIGS）[67]、异质结（HJT）[68]和钙钛矿基组件[69,70]）具有显著不同的材料组成、层结构和降解行为。这些变化直接影响回收策略，因为它们需要不同的处理条件、分离技术和材料回收路径。例如，薄膜组件[65,66,67]涉及铟、镓和镉等关键材料，这些材料需要专门的化学回收过程，而下一代组件可能采用新型封装材料或多层结构，这些结构与现有的回收基础设施不兼容。

从系统级设计的角度来看，光伏组件技术的日益多样性强化了需要适应性强、模块化且不受技术限制的回收系统的需求。未来的基础设施必须能够处理异构的废物流，动态调整处理参数，并在统一框架内整合多种回收路径。在这方面，基于激光的处理和人工智能驱动的控制系统等先进方法具有巨大潜力，因为它们能够针对不同类型的组件进行选择性、灵活且数据驱动的处理。然而，它们的经济可行性仍有待在工业规模上得到充分证明。

总体而言，技术经济证据表明，光伏回收不仅仅是一个技术挑战，而是一个涉及成本、回收效率、可扩展性和适应性之间权衡的复杂系统问题。实现经济可行的回收系统不仅需要工艺优化，还需要支持性的政策框架、组件设计的标准化，以及能够随着光伏技术发展而演进的集成基础设施。

4. 结论

本文从系统级工程设计的角度介绍了光伏组件寿命终结（EoL）回收的概念，超越了传统的基于过程的分析，转向了一个结合技术选择、系统架构和操作权衡的决策导向框架。通过在一个统一的设计空间内分析机械、热处理、化学和基于激光的回收路径，研究表明，光伏回收的有效性不仅仅取决于单个过程，还取决于这些过程是如何配置、控制和整合到可扩展的基础设施中的。一个关键发现是，光伏回收技术正在从批量、选择性低的处理向精确控制、高度可控的系统转变，在这种系统中，材料回收质量、能源效率和环境性能与系统设计决策密切相关。

从这个角度来看，有几个关键的设计启示。基于机械的系统为光伏回收基础设施提供了坚实且可扩展的基础，特别适合高通量预处理，尽管其有限的选择性需要与下游过程集成。基于热处理的系统通过可控的热传递有效去除封装材料，但需要仔细优化操作条件以平衡能源消耗和材料保护。基于化学的系统可以提供高纯度的材料回收，但在工艺整合、试剂管理和环境控制方面引入了复杂性。基于激光的系统代表了下一代范式，实现了精确、非热处理和界面选择性的材料分离，并具有与数字和人工智能驱动的控制框架强整合的潜力。

尽管取得了这些进展，但没有一种单一技术能够提供完整的解决方案，这强调了需要结合多种方法优势的混合和模块化系统架构。重要的是，这项研究的结果表明，光伏回收不仅仅是一个技术挑战，而是一个涉及经济可行性、基础设施可扩展性和法规协调的多维系统问题。正如技术经济证据所示，光伏回收的盈利能力高度依赖于处理规模、材料回收率和政策支持，这表明仅靠技术创新不足以确保其广泛应用。在这种情况下，标准化和政策框架将在塑造光伏回收系统的未来中发挥关键作用。开发标准化的组件设计、回收协议和性能指标可以显著提高工艺效率和系统互操作性。同时，扩展生产者责任（EPR）政策和监管机制对于激励回收、内化寿命终结成本和支持回收基础设施的经济可行性至关重要。基础设施的准备同样重要，需要开发能够处理不断增加的光伏废料量并适应多种组件技术的区域分布式、可扩展的回收设施。

光伏技术的快速演变进一步增加了回收系统设计的复杂性。新兴的组件类型，包括薄膜、异质结和下一代多层架构，引入了新的材料组成和处理挑战，这些挑战尚未被现有的回收方法完全解决。这进一步加强了需要灵活、适应性强且不受技术限制的回收系统的需求，这些系统能够适应异构的废物流和不断变化的材料特性。

从未来研究的角度来看，可以确定几个优先事项。首先，需要开发集成技术、经济和环境性能指标的标准系统级设计方法。其次，需要进一步努力将先进的回收技术，特别是基于激光和人工智能的系统，从实验室和试点规模的应用扩展到工业部署，解决与成本、吞吐量和可靠性相关的挑战。第三，数字化、传感和数据驱动控制策略的整合是实现智能、适应性回收基础设施的关键机会。最后，需要更加重视技术经济建模、生命周期评估和基于政策的系统设计，以确保未来的光伏回收解决方案不仅在技术上有效，而且在经济上也可行，并符合循环经济的目标。