Аппаратно-программный комплекс для контроля токсичности полимерных компонентов солнечных панелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Семенова Маргарита Игоревна

• Семенова Маргарита Игоревна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Семенова Маргарита Игоревна

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В ЦЕЛЯХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.3. Основные сведения и характеристики солнечных панелей

1.4. Компонентный состав солнечной панели

1.5. Исследование проблематики использования солнечной энергетики

1.6. Анализ ключевых проблем утилизации солнечных панелей

1.7. Особенности полимерных компонентов солнечных панелей

1.7.1. Поливинилфторид: получение, свойство, применение

1.7.2. Этиленвинилацетат: получение, свойства, применение

1.8. Актуальность использования методов биотестирования для оценки токсичности компонентов окружающей среды

1.9. Особенности проведения аппаратурного биотестирования

1.10. Возможности применения биотестирования для определения токсичности отходов сложного химического состава

1.11. Особенности биотестов с использованием Paramecium caudatum

1.12. Особенности биотестов с использованием Chlorella vulgaris Beijer

1.13. Особенности биотестов с использованием Tetrahymena pyriformis

1.14. Особенности биотестов с использованием бактерии Escherichia coli

1.15. Выводы по главе

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УСКОРЕННОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТОКСИЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Разработка макета системы контроля

2.2. Обоснование выбора тест-организма для оценки токсичности полимерных компонентов солнечных панелей

2.3. Исследование влияния физических факторов на выполнение процедуры

пробоподготовки полимерных компонентов солнечных панелей

2.3.1. Особенности пробоподготовки исследуемых полимеров

2.3.2. Результаты исследований влияния физических факторов на выполнение процедуры пробоподготовки полимерных компонентов солнечных панелей

2.3.3. Результаты математической обработки результатов исследований

2.4. Исследование изменения индекса токсичности при длительном экстрагировании анализируемой пробы

2.5. Проведение химического анализа водных вытяжек этиленвинилацетата и поливинилфторида

2.6. Обоснование выбора нового экстрагента

2.7. Определение индекса токсичности с использованием 1% раствора ацетона в качестве экстрагента

2.8. Разработка методики оценки токсичности полимерных компонентов солнечных панелей

2.9. Описание методики ускоренной биологической оценки токсичности полимерных материалов

2.10. Выводы по главе

3. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ ПРОБОПОДГОТОВКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ

3.3. Модернизация системы контроля токсичности полимерных компонентов солнечных панелей

3.3.1. Разработка термостатической камеры с применением элементов Пельтье

3.3.2. Подбор компонентов модуля пробоподготовки для оценки токсичности полимерных компонентов солнечных панелей

3.3.3. Разработка проектируемого устройства

3.4. Выводы по главе

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОЦЕНКИ РЕЗУЛЬТАТОВ БИОТЕСТОВОГО АНАЛИЗА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Обоснование необходимости разработки

4.2. Оценка прецизионности результатов биотестирования

4.2.1. Контроль сходимости результатов

4.2.2. Контроль воспроизводимости результатов

4.2.3. Процесс расчета показателей повторяемости и воспроизводимости

методики

4.3. Нахождение расширенной неопределенности

4.4. Разработка алгоритмов и написание программы

4.4.1. Язык программирования и среда разработки

4.4.2. Алгоритм расчета индекса токсичности

4.4.3. Алгоритм оценки индекса токсичности

4.4.4. Алгоритм оценки сходимости результатов токсичности

4.4.5. Алгоритм оценки воспроизводимости результатов токсичности

4.5. Алгоритм нахождения расширенной неопределенности

4.5.1. Предварительные расчеты

4.5.2. Алгоритм нахождения расширенной неопределенности

4.6. Создание пользовательского интерфейса

4.6.1. Генерация таблиц

4.7. Оценка результатов биотестирования

4.8. Выводы по главе

5. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ, АЛГОРИТМОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТОКСИЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ

5.1. Экспериментальная апробация разработанной методики и программного комплекса

5.2. Изучение вопросов растворения фотовольтаических ячеек капсулированных полиэтиленвинилацетатом (ЭВА) под воздействием кварц-галогенной лампы

5.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратно-программный комплекс для контроля токсичности полимерных компонентов солнечных панелей»

Актуальность работы.

В условиях растущего интереса к альтернативным источникам энергии солнечные панели становятся всё более популярным вариантом для жилых и коммерческих объектов. Эти устройства функционируют на основе фотогальванического эффекта, при котором солнечные элементы преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию. Солнечные панели имеют длительный срок службы (в среднем 30 лет) и в большинстве стран были установлены системы с мощностью более 1 МВт, особенно с середины 2000-х гг. [R. K. Nekouei, S. Maroufi, V. Sahajwalla]. Кроме основного фотоэлемента и стекла, кристаллическая солнечная панель включает полимерные материалы этиленвинилацетат (EVA) и поливинилфторид (Tediar®). На данный момент нет запатентованных технологий и исследований по вторичному использованию данных материалов, поэтому по истечении срока эксплуатации полимеры и их аналоги вывозятся на полигоны с целью размещения отходов. Обязательной процедурой перед утилизацией является расчет класса опасности отходов данных материалов на основе протокола количественного химического анализа. Подобный аналитический контроль охватывает лишь незначительную часть реально присутствующих в отходах токсичных соединений, а также не учитывает комбинированное воздействие нескольких химических веществ на живые организмы. Комплексную оценку отходов на окружающею среду данных компонентов возможно производить с помощью аппаратурного биотестирования, в основе которого лежит использование тест-организмов в совокупности с малыми объемами проб. На сегодняшний день отсутствуют аккредитованные методики, направленные на комбинированное использование различных подходов и позволяющие получить единое представление о возможном воздействии полимерных материалов на состояние экосистемы в целом, а также здоровье человека. Существующие методики биотестирования на этапе пробоподготовки используют дистиллированную воду, что ограничивает их применение для оценки токсичности в случае нерастворимых полимерных соединений. При проведении исследований, согласно нормативным рекомендациям, проба, получаемая в результате экстрагирования

отходов в воде, не содержит потенциально опасные загрязняющие вещества в связи с особенностями химического строения полимеров. Однако, технологические свойства рассматриваемых материалов, подразумевают использование примесей, которые при попадании в окружающую среду могут оказывать негативное воздействие. Следовательно, вопрос разработки методических приемов биологической оценки интегральной токсичности нерастворимых полимерных материалов, в том числе компонентов солнечных панелей, является актуальным.

Степень разработанности:

В настоящей работе исследования основывались на трудах российских и зарубежных ученых и основных методиках биотестирования, которые используются для определения токсичности полимерных материалов. Предлагается использовать метод биотестирования, который представляет собой сложную и многогранную задачу, требующую использование различных аналитических и биологических подходов. При теоретическом анализе ранее проведенных исследований, направленных на обеспечения экологического контроля опасности отходов, были выявлено, что отсутствие оценки влияния на окружающею среду отходов отработанных солнечных панелей, в частности нерастворимых полимерных материалов, входящих в их состав, требуется разработка биотестов на основе комплексного подхода, включающего биологические, токсикологические, математические, а также технические аспекты. Необходимость совершенствования существующих методик определения индекса токсичности полимерных материалов определили цель и задачи данного исследования.

Цель и задачи исследования:

Целью исследования является разработка методики и программного комплекса для биологической оценки интегральной токсичности полимерных материалов кристаллических солнечных панелей для обеспечения.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и успешно решены следующие задачи:

1. Разработка математических моделей изменения индекса токсичности в зависимости от физических факторов, влияющих на процедуру пробоподготовки полимерных компонентов солнечных панелей.

2. Разработка методики биологической оценки интегральной токсичности полимерных материалов кристаллических солнечных панелей.

3. Разработка модуля пробоподготовки полимерных компонентов, позволяющего получать воспроизводимые и достоверные результаты биотестового анализа полимерных компонентов солнечных панелей.

4. Разработка алгоритмов и программного комплекса для проведения биотестирования полимерных материалов, входящих в состав солнечных панелей.

5. Экспериментальная апробация разработанной методики, алгоритмов исследования и программного комплекса для оценки токсичности полимерных материалов, входящих в состав кристаллических солнечных панелей.

Объект исследования - аппаратно-программный комплекс для контроля токсичности полимерных компонентов солнечных панелей с использованием организмов, относящихся к типу Простейших (Protozoa, Ciliophora, Paramecium caudatum), предназначенных для применения в области экологической безопасности и охраны окружающей среды.

Предметом исследования являются компоненты информационного, инструментального, методического, программно-алгоритмического обеспечения аппаратно-программного комплекса для контроля токсичности полимерных материалов, входящих в состав солнечных панелей, по реакции инфузорий Paramecium Caudatum.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования:

Теоретико-методологической основой диссертации является исследования отечественных и зарубежных ученых, в которых отражены вопросы биологической оценки токсичности отходов, в частности полимерных материалов. Математические методы моделирования, регрессионный и дисперсионные анализы,

методы математической статистики, а также планирование эксперимента были использованы в данном исследовании

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректным применением известных методик, инструментов исследования, результатами обсуждения материалов работ на научно-технических и практических конференциях. Кроме того, достоверность полученных в работе выводов подтверждается их практической апробацией при проведении биотестового анализа полимерных материалов солнечных панелей различных производителей.

Научные положения, выносимые на защиту:

Положение 1. Математические модели изменения индекса токсичности, отражающие влияние температуры и времени экстрагирования на индекс токсичности полимерных компонентов солнечных панелей, позволяют адаптировать методики биологической оценки токсичности с учетом физико-химических свойств полимерных материалов для получения сопоставимых и воспроизводимых результатов.

Положение 2. Методики ускоренной биологической оценки интегральной токсичности полимерных материалов, входящие в состав кристаллических солнечных панелей, должны использовать экстрагенты, обеспечивающие повышение концентрации токсичных соединений в анализируемой пробе.

Положение 3. Модуль пробоподготовки полимерных компонентов, обеспечивает необходимые условия поддержания параметров физико-химических факторов для получения сопоставимых и воспроизводимых результатов оценки интегральной токсичности полимерных материалов кристаллических солнечных панелей.

Положение 4. Алгоритм процедуры биотестирования слаборастворимых и нерастворимых полимерных материалов, обеспечивает обоснованное заключение о токсичности полимерных компонентов солнечных панелей с учетом параметров сходимости и воспроизводимости результатов измерения.

Научная новизна результатов:

- математическая модель изменения индекса токсичности, построенная по результатам проведенных экспериментальных исследований, отражает динамику индекса токсичности в зависимости от температуры и времени экстрагирования;

- методика биологической оценки интегральной токсичности полимерных материалов кристаллических солнечных панелей, обеспечивающая повышение экспрессности исследования, точности и достоверности получаемой информации о возможном негативном воздействии этиленвинилацетата и поливинлфто-рида за счет создания новых условий на этапе пробоподготовки;

- закономерности изменения индекса токсичности полимерных материалов кристаллических солнечных панелей, выявленные с использованием предложенных методик исследования при воздействии различных факторов - от температуры, длительного времени выдержки, времени экстрагирования, учет которых при разработке методики для биологической оценки интегральной токсичности полимерных материалов кристаллических солнечных панелей обеспечит сопоставимость и воспроизводимость результатов исследований.

- алгоритм проведения биотестирования слаборастворимых и нерастворимых полимерных материалов, учитывающий особенности предложенной пробо-подготовки для проведения биотестирования, а также обработку и анализ результатов биотестирования, позволяющий оперативно производить расчет индекса токсичности при разном времени экстрагирования с учетом параметров температуры и типа исходного материала.

Научная значимость работы заключается в разработке математических моделей, методики и алгоритмов, обеспечивающих оценку и контроль влияния этиленвинилацетата и поливинилфторида на окружающую среду. Полученные новые результаты позволят совершенствовать существующие биотестовые методы контроля токсичности нерастворимых полимерных соединений в воде.

Практическая значимость работы:

1. Разработан программный комплекс на основе полученных математических моделей и алгоритмических решений, позволяющий оперативно оценить качество окружающей среды на основе биологических показателей. Применение комплекса позволит значительно ускорить процесс экологического мониторинга и помочь в принятии обоснованных решений по защите окружающей среды.

2. Результаты экспериментальных исследований по оценке токсичности полимерных компонентов использованы для разработки единого комплексного метода утилизации отходов кристаллических солнечных панелей.

Научные и практические результаты диссертации соответствуют пунктам 1, 4, 6 паспорту научной специальности 2.2.8 «Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды»

Реализация результатов работы:

Результаты исследования, разработанная методика и экспериментальный макет аппаратно-программного комплекса внедрены в учебный процесс на кафедре Инженерной защиты окружающей среды СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при проведении занятий по направлениям 20.03.01 «Техносферная безопасность» и 20.04.01 «Техносферная безопасность». Также полученные результаты были использованы в исследованиях при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по научному проекту по приоритетным направлениям научно-технологического развития (грант № 075-15-2024-553).

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня

Международных: Научно-практическая конференция «ЕпКЕМ 2023: Международная научно-практическая конференция по окружающей среде, природным ресурсам и устойчивому природопользованию», 14 февраля 2023 г., г. Барнаул; «XXV Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям», 25 - 27 мая 2022 г., г. Санкт-Петербург; Научно-техническая конференция «II Международная

научно-техническая Конференция «SMART ENERGY SYSTEMS 2021», 21-24 сентября 2021 г., г. Казань; Практическая конференция «Комплексные проблемы тех-носферной безопасности», 26 марта 2021 г, г. Воронеж

Всероссийских: II Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития электроэнергетики и электротехники», г. Казань (18-19 марта 2020 г)

1) Международная научно-практическая конференция по окружающей среде, природным ресурсам и устойчивому природопользованию (EnREM 2023), 14 февраля 2023 года, г. Барнаул; 2)XXV Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, 25 мая 2022 года, г. Санкт-Петербург; 3) II Международная научно-техническая Конференция «SMART ENERGY SYSTEMS 2021» 21-24 сентября 2021 г., г. Казань; 4) Международная научная конференция «Эффективная обработка отходов - 2020», г. Прага (Чехия), (27-28 февраля 2020 года).

По теме исследования опубликовано 13 работ, среди которых 3 публикации в журналах, рекомендованных ВАК, 4 - в изданиях, цитируемых в Web of Science и Scopus. Личный вклад автора в каждой работе составляет не менее 60%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 87 наименований отечественных и зарубежных источников информации и 2 приложений. Общий объем работы составляет 124 страницы. Содержит 17 таблиц и 32 рисунка

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ

БИОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В ЦЕЛЯХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.3. Основные сведения и характеристики солнечных панелей

Технологии использования возобновляемых источников энергии, такие как солнечная, ветровая, гидроэнергетическая, приливная, геотермальная и биомасса, должны создаваться и внедряться устойчивым образом, чтобы избежать любого потенциального влияния на окружающую среду и способствовать достижению целей устойчивого развития страны. По мере того, как мир отказывается от ископаемого топлива, возобновляемые источники энергии обеспечивают путь к углеродной нейтральности в глобальном энергетическом секторе и адаптации к зеленой экономике. Наиболее популярным источником «зеленой энергетики» являются фотоэлектрические системы, известные как солнечные батареи, которые преобразуют солнечную энергию непосредственно в электрическую. Солнечное излучение представляет собой форму лучистой энергии, испускаемой солнцем в виде электромагнитных волн [1-2]. Фотоэлектрический модуль (PV) является одним из самых экологичных, высокоэффективных, устойчивых, возобновляемых и не загрязняющих окружающую среду источников энергии. Солнечная энергетическая система не выделяет углекислый газ, не производит никакого шума, использует только энергию солнечного света и не производит никаких отходов при производстве электроэнергии.

Фотоэлектрические солнечные элементы подразделяются на три поколения:

1) Солнечные элементы первого поколения (с^) в основном изготавливаются из кремниевых пластин и далее подразделяются на моно- и поликристаллические кремниевые солнечные элементы.

2) Фотоэлектрические солнечные элементы второго поколения представляют собой тонкопленочные солнечные элементы на основе CIGS, CdTe, аморфного кремния и т.д.

3) Фотоэлектрические солнечные элементы третьего поколения состоят из сенсибилизированных к красителю и перовскитных солнечных элементов.

В работе исследовались солнечные панели первого поколения, как наиболее популярный тип фотоэлектрических панелей (PV). В 2020 году они составили 95% от общего объема производства и сохраняли почти 90% доли рынка в течение

последних двух десятилетий. Ожидается, что по истечении срока службы фотоэлектрические панели c-Si станут основным источником фотоэлектрических отходов [3].

Солнечные элементы первого поколения производятся с использованием кристаллических пластин кремния (c-Si). Это старейшая и наиболее коммерчески доминирующая фотоэлектрическая технология. Данные элементы изготавливаются как из монокристаллического, так и из многокристаллического кремния, имеющего один p-n переход. В 1954 году лаборатория Bell разработала первые солнечные элементы из кремния с эффективностью преобразования энергии 6%. Эти элементы созданы в результате быстрого прогресса в области микроэлектронных технологий. Максимальный КПД солнечных элементов, достигаемый при использовании монокристаллического кремния, составляет 26,7%, а для поликристаллического - 22,3%.

Монокристаллический солнечный элемент, как следует из названия, изготавливается из монокристалла кремния, выращенного методом, известным как процесс Чохральского, который позволяет получать длинные слитки кремния длиной от одного до нескольких метров. Затем из этих крупногабаритных слитков нарезаются кремниевые пластины. Производство монокристаллов большого размера требует точной обработки. КПД стандартных солнечных элементов из монокристаллического кремния составляет 17-19%. Благодаря недавним достижениям в процессе изготовления общая эффективность преобразования энергии этих элементов превышает 25%.

Поликристаллические (или многокристаллические) фотоэлектрические модули, как правило, состоят из нескольких различных монокристаллов кремния, соединенных друг с другом в одной ячейке. Обработка и выращивание поликристаллического кремния более экономичны и производятся путем охлаждения расплавленного кремния, содержащегося в графитовой форме. Общий КПД этих элементов составляет 22-23%. Данный тип панелей наиболее популярный на данный момент [4-5].

1.4. Компонентный состав солнечной панели

Фотоэлектрический элемент обычно заключен между двумя слоями эти-ленвинилацетата (EVA), покрыт стеклом спереди и листом поливинилфторида (в работе исследовались солнечные панели, которые используют данный элемент торговой марки Tediar®) сзади. Герметизирующая часть, изготовленная из EVA,

прикрепляет ячейки к стеклу и задней панели, обеспечивая защиту от потенциального физического, термического, ультрафиолетового излучения и влаги. На долю стекла приходится большая часть веса фотоэлектрической панели (6575%), в то время как на полимеры и элемент питания приходится 7-15% и 1-2% веса фотоэлектрической панели соответственно. Модуль механически поддерживается алюминиевой рамой, на долю которой приходится около 10% веса панели. Серебро (Ag) присутствует в чрезвычайно различных концентрациях, которые, согласно литературе, варьируются от 10 до 600 мг/кг, тогда как медь и олово составляют около 0,6% и 0,1% от общего веса соответственно [6].

Ячейки электрически соединены между собой (с помощью вкладок), образуя последовательный ряд ячеек, и собраны в модули для выработки электроэнергии. На рисунке 1.1 показан состав солнечного элемента из поликристаллического кремния [5].

Алюминиевая рама

Закаленное стекло EVA

Солнечный фотомодуль EVA Tediar®

Распределительная коробка

Рисунок 1.1 - Компоненты солнечной панели

1.5. Исследование проблематики использования солнечной энергетики

Солнечная энергия является многообещающим вариантом возобновляемой зеленой энергетики, однако она имеет определенные недостатки. Во-первых, солнечные модули, инверторы, аккумуляторы, электропроводка и монтаж требуют значительных первоначальных инвестиций, что делает солнечные панели дорогостоящим. Эффективность, зависящая от погоды, является еще одним недостатком, поскольку солнечные панели зависят от солнечного света и вырабатывают меньше электроэнергии ночью, а также в пасмурные или дождливые дни.

Кроме того, солнечные панели подвержены повреждениям в суровых погодных условиях. Хотя солнечная энергия является экологически чистой, при производстве, транспортировке и установке солнечных энергетических систем могут выделяться парниковые газы и опасные материалы, способствующие загрязнению окружающей среды.

Другой проблемой является землепользование, поскольку крупномасштабные солнечные установки потенциально могут привести к потере среды обитания и деградации земель. Этого можно избежать путем стратегической установки панелей на крышах домов, рабочих зон и зданий. Также набирает популярность технология Building integrated PV (BiPV), в которой установка панелей интегрирована в дизайн здания.

Так же в противовес преимуществам применения солнечных панелей выступает вопрос об утилизации отработанных солнечных панелей.

За последние годы мировые мощности по производству фотоэлектрической энергии беспрецедентно возросли, поскольку солнечная энергия рассматривается как чистый, эффективный и безвредный для окружающей среды источник энергии. Мировой объем фотоэлектрических установок уже превысил 1 млрд кВт. В международной технологической дорожной карте для фотогальваники (ITRPV), опубликованной VDMA, Германия, подсчитано, что общая глобальная установленная фотоэлектрическая мощность должна достичь 4,5 ТВт, чтобы удовлетворить 16% мирового спроса на электроэнергию к 2050 году [5].

По прогнозам, к концу 2050 года совокупный объем отходов солнечной фотоэлектрической энергии в мире составит 60-78 млн тонн. В связи с огромным ростом количества солнечных фотоэлектрических установок во всем мире управление отходами солнечных панелей становится все более важной проблемой [6-9].

1.6. Анализ ключевых проблем утилизации солнечных панелей

Ожидаемый срок службы типичной поликристаллической солнечной панели составляет примерно 25 лет, и по истечении срока службы отработанную панель необходимо безопасно утилизировать или её компоненты использовать вторично. Переработка огромного количества отходов фотоэлектрических панелей имеет решающее значение для повышения устойчивости всего сектора солнечной энергетики, как с экономической, так и с экологической точек зрения.

В настоящее время большинство стран классифицируют отходы солнечных панелей, как общие или промышленные отходы, в то время как в Европейском союзе включили панели в список отходов электрического и электронного оборудования (WEEE) (Европейский парламент и Совет Европейского союза, 2012).

Утилизация фотоэлектрических панелей сталкивается с множеством экономических и технологических проблем. Основным методом утилизации солнечных панелей на сегодняшний день является захоронение на полигонах во многих странах по всему миру, включая Россию. Поскольку объем отходов солнечных панелей резко увеличивается, следовательно, полигоны могут стать неустойчивыми системами, что приведет к возможному попаданию загрязняющих веществ в окружающую среду [8].

Неправильная утилизация отходов солнечных панелей может привести к потере ценных материалов и рассеиванию потенциально опасных веществ в почве и грунтовых водах.

Переработка кремниевых солнечных панелей направлена на извлечение кремниевых элементов и других металлов после отделения их от слоев панели. Однако, полимерные компоненты, такие как этиленвинилацетат (EVA) и поли-винилфторид (Tediar ®), не представляют интереса для вторичного использования, а также создают дополнительные проблемы при разработке методов утилизации солнечных панелей. Поэтому во многих странах, включая Россию, существует высокая вероятность того, что полимеры будут вывезены на полигоны. Следовательно, необходимо разработать методики для оценки воздействия на окружающую среду полимерных материалов, в связи с возможным поступлением загрязняющих веществ в грунтовую воду и почву [6, 8, 10-12].

1.7. Особенности полимерных компонентов солнечных панелей

В исследованиях солнечной энергетики традиционно акцент делается на повышении эффективности солнечных панелей, в то время как аспекты как экологической надежности конечного продукта и проблемы токсичности его компонентов остаются практически незамеченными.

Основной акцент в большинстве научных и практических работ направлен на разработку методов утилизации большого количества выведенных из эксплуатации фотоэлектрических модулей. Но остается нерешенный вопрос об оценке

возможного негативного воздействия отдельных компонентов солнечных панелей (в особенности тех, которые не представляют интереса для вторичного использования) на окружающую среду. Стоит отметить, что попадание загрязняющих веществ в грунтовые воды и почву возможно не только при захоронении на полигонах, но и во время эксплуатации данных систем. Под воздействием экстремальных погодных условий (град, сильный ветер, резкие перепады температуры и т. д.), которые оказывают механическое воздействие на поверхность стекла солнечной панели, образуются трещины в ячейках внутри модулей (трещины также могут образовываться во время изготовления, монтажа и технического обслуживания). Через образовавшиеся трещины в систему возможно попадание воды, что способствует вымыванию и масса-переносу химических соединений в окружающую среду [13]. Такие же процессы могут происходить с отходами солнечных панелей и на полигонах, проходя через них или вокруг них, водная среда вымывает в почву и грунтовые воды, загрязняющие веществ, что приводит к их накоплению в природе.

В данной работе рассматриваются два полимерных компонента кристаллических солнечных панелей, как наименее изученные на данный момент, но в то же время материалы, используемые для их производства, получили широкое распространение во всем мире. На сегодняшний день полимеры прочно заняли лидирующую позицию в общей иерархии современных материалов, без которых человечество не может обойтись. Многие изделия, которые раньше производили из традиционных материалов - стекла, металла, дерева, кожи, растительных волокон -теперь все больше изготавливают из синтетических полимеров, преимущества которых обусловлены их низкой стоимостью и широким спектром полезных свойств, в том числе химической инертностью. Большой объём производимой полимерной продукции, их высокая стабильность и отсутствие развитой инфраструктуры переработки вышедших из употребления полимерных изделий приводят к необходимости решения и различных экологических проблем, связанных с загрязнением окружающей среды пластиковыми отходами. Необходимость

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семенова Маргарита Игоревна, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Солнечная энергетика: учебное пособие для вузов / под ред. Виссарио-нова В. И. - М.: изд. дом МЭИ, 2008. - 321 с.

2) Jayaswal, K.; Sharma, G.S.; Bhaskar, M.S.; et al. Global Solar Insolation Estimation and Investigation: A Case Study of Various Nations and Cities // IEEE Access.- 2021. - Vol. 9. - P. 88069-88084.

3) Nekouei, R. K.; Maroufi, S.; Sahajwalla, V. Innovative hydrothermal technique in efficient disengagement of waste solar panels//Waste Management,-2024.-Vol.177.P.196-202.

4) Granata,G; Altimari, P.; Pagnanelli, F.; Greef, J. Recycling of solar photovoltaic panels: Techno-economic assessment in waste management perspective// Journal of Cleaner Production,-2022.-Vol.363: 132384.

5) Vinayagamoorthi, Bhargav, R.P.; Ahmed,N.; et al Recycling of end of life photovoltaic solar panels and recovery of valuable components: A comprehensive review and experimental validation// Journal of Environmental Chemical Engineer-ing,-2024.-Vol.12 (I.1):111715.

6) Petroli, P.A.; Camargo, P.; Souza, R.; Veit, H. Assessment of toxicity tests for photovoltaic panels: A review// Current Opinion in Green and Sustainable Chem-istry,-2024.-Vol.47: 100885.

7) Nekouei, R.K.; Maroufi, S.; Sahajwalla, V. Innovative hydrothermal technique in efficient disengagement of waste solar panels//Waste Management,-2024.-Vol.177.P.196-202.

8) Zele, S.; Joshi, A.; Gogate, N.; et al. Experimental investigation on utilization of crushed solar panel waste as sand replacement in concrete// Solar Energy,-2024.-Vol 269:112338.

9) Li, M.; Widijatmoko, S.D.; Wang, Z.; et al. A methodology to liberate critical metals in waste solar panel// Applied Energy,-2023.-Vol 337:120900.

10) Deng, L.; Chang, N.L.; Ouyang, Z.; et al. A techno-economic review of silicon photovoltaic module recycling// Renewable and Sustainable Energy Reviews,-2019.-Vol 109.P.532-550.

11) Pereira, M.B.; Souza, G. M.; Espinosa, D.; et al. Simultaneous recycling of waste solar panels and treatment of persistent organic compounds via supercritical water technology// Environmental Pollution,-2023.-Vol 335:122331

12) An, M.; Sun, X. Carbon footprints of solar panels in China provinces based on different production and waste treatment scenarios // Journal of Cleaner Produc-tion,-2024.-Vol.435:140453.

13) Yurrita, N.; Aizpurua, J.; Cambarau,W.; et al// Solar Energy Materials and Solar Cells,-2021.-Vol.230:111250

14) Sinha, A.; Sastry, O.S.; Gupta, G. Nondestructive characterization of encapsulant discoloration effects in crystalline-silicon PV modules// Solar Energy Materials and Solar Cells.-2016. - Vol. 155. P. 234-242

15) Santhakumari, M.; Sagar, N. A review of the environmental factors degrading the performance of silicon wafer-based photovoltaic modules: Failure detection methods and essential mitigation techniques// Renewable and Sustainable Energy Re-views.-2019. - Vol. 110. P. 83-100

16) Mariotti, G.; Fabrication, L. V. Characterization, and Properties of Poly (Ethylene-Co-Vinyl Acetate) Composite Thin Films Doped with Piezoelectric Nano-fillers// Nanomaterials (Basel),-2019.:1182.

17) Oliveira, M.; Cardoso, A.; Viana, M.M.; et al. The causes and effects of degradation of encapsulant ethylene vinyl acetate copolymer (EVA) in crystalline silicon photovoltaic modules: A review// Renewable and Sustainable Energy Reviews-2018.-Vol.81 (Part2). P.2299-2317

18) Li,X.; Liu, H.; You, J.; et al. Back EVA recycling from c-Si photovoltaic module without damaging solar cell via laser irradiation followed by mechanical peel-ing// Waste Management-2022.-Vol. 137. P.312-318

19) Mathew C. Celina Review of polymer oxidation and its relationship with materials performance and lifetime prediction// Polymer Degradation and Stability.-2013.-Vol. 198. P.2419-2429

20) Kim, N.; Kang, H.; Hwang, K.; et al. Study on the degradation of different types of backsheets used in PV module under accelerated conditions// Solar Energy Materials and Solar Cells.-2014.-Vol. 120. P.543-548

21) Kim,N.; Han, C. Experimental characterization and simulation of water vapor diffusion through various encapsulants used in PV modules// Solar Energy Materials and Solar Cells.-2013.-Vol. 116. P.68-75

22) Corazza, M.; Krebs, F.C.; Gevorgyan, S.A. Lifetime of organic photovol-taics: Linking outdoor and indoor tests// Solar Energy Materials and Solar Cells.-2015.-Vol. 143. P.467-472

23) M. Gagliardi, M. Paggi Long-term EVA degradation simulation: Climatic zones comparison and possible revision of accelerated tests//Solar Energy. -2018.-Vol. 159. P. 882-897

24) Kim, N.; Kang, H.; Hwang, K.; et al. Reflection and durability study of different types of backsheets and their impact on c-Si PV module performance// Solar Energy Materials and Solar Cells. -2016.-Vol. 146. P.91-98

25) Park, N.C.; Jeong, J.S.; Kang, B.J.; et al. The effect of encapsulant discoloration and delamination on the electrical characteristics of photovoltaic module// Microelectronics Reliability. -2016.-Vol. 53. P. 1818-1822

26) Lyu, J.; Kim, J.H.; Gu, X. Developing methodology for service life prediction of PV materials: Quantitative effects of light intensity and wavelength on discoloration of a glass/EVA/PPE laminate// Solar Energy-2018.-Vol. 174. P.515-526

27) Лихачев С.В., Пименова Е.В., Жакова С.Н.. Биотестирование в экологическом мониторинге: Учебное пособие. Пермь.: Изд-во ИПЦ «Прокрость», 2020. - 91 с.

28) Голицын А. Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды // Учебник. М.: ОНИКС, - 2007. - 335 с.

29) Чеснокова С.М., Чугай Н.В.. Биологические методы оценки качества объектов окружающей среды: Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 2: Методы биотестирования. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2008. - 92 с.

30) Тихановская, Г. А., Машихина Ю.В. Биологический контроль окружающей среды: метод. указ. к вып. лаб. раб. Вологда: Изд-во ВоГУ, 2016. - 39 с.

31) Терехова В. А. Технологии биотестирования в оценке экотоксично-сти отходов // Экология производства. - 2009. - № 1. - С. 4851.

32) Олькова А.С. Разработка стратегии биотестирования водных сред с учетом многофакторности ответных реакций тест-организмов: диссерта-ция...кандидата Биологических наук:03.02.08/ ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет», 2020. - 359 с.

33) Виноходов Д. О. Научные основы биотестирования с использованием инфузорий : диссертация. ... доктора биологических наук : 03.00.23 / Санкт-Петербургский государственный технологический институт, 2007.-353 с.

34) Щеткина Т.Н. Использование автоматизированной биотехнической системы и простейших одноклеточных организмов для биотестирования объектов окружающей среды: автореф. Дис. кан. био. наук. Калуга: 2007. 27 с.

35) Шадрин И.А. Токсикологический анализ некоторых кормов по реакции выживаемости инфузории Paramecium caudatum // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2008. № 2. С. 128-134.

36) Брагинский Л. П. Экологические подходы к исследованию механизмов действия токсикантов в водной среде// Формирование и контроль качества поверхностных вод. Вып. 1. - Киев : Наукова думка, 1975. - С. 5-15.

37) Особенности кинетики роста культуры Paramecium caudatum в модели окислительного стресса // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18, № 10. - С. 9-11.

38) ФР.1.39.2015.19242. Методика определения токсичности проб природных, питьевых, хозяйственно-питьевых, хозяйственно-бытовых сточных,

очищенных сточных, сточных, талых, технологических вод экспресс-методом с применением прибора серии "Биотестер". СПб.: ООО Спектр-М, 2015.

39) ФР.1.39.2015.19243. Методика определения токсичности проб почв, донных отложений и осадков сточных вод экспресс-методом с применением прибора серии "Биотестер". СПб.: ООО Спектр-М, 2015.

40) ФР.1.39.2015.19244. Методика определения токсичности отходов производства и потребления экспресс-методом с применением прибора серии "Биотестер". СПб.: ООО Спектр-М, 2015.

41) Методика определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов производства и потребления по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла (СЫоге11а vulgaris Beyer).

42) Методические рекомендации «Автоматизированный метод оценки токсичности продуктов животного происхождения, кормов и объектов окружающей среды на инфузориях Paramecium caudatum и Tetrahymena pyriformis» (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 23.09.2009.);

43) ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04 Токсикологические методы контроля. Методика определения интегральной токсичности поверхностных, в том числе морских, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных экстрактов почв, отходов, осадков сточных вод по изменению интенсивности бактериальной биолюминесценции тест-системой ЭКОЛЮМ

44) Долгов В.А., Лапаев В.Э. Методические рекомендации «Использование инфузорий (Тетрахимена пириформис) в качестве тест-культуры в приборе «Биотестер-2» (экспресс-метод). — М.: Государственное лечебно-оздоровительное объединение, 1991.

45) Долгов В.А., Лавина С.А. Методические указания по использованию инфузорий Tetrahymena pyriformis в качестве тест-культуры в приборе «Биоте-стер-2». — М.: Департамент ветеринарии МСХ РФ, 2000. — № 13-7-2/2156.

46) Семенова М.И. и др. Особенности пробоподготовки водных вытяжек компонентов солнечных панелей в целях биотестиирования // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2022. № 3. С. 211-220.

47) Кассациер К. Е., Степанова М. С.. Дисперсионный и регрессионный анализ: учебное пособие - СПб: СПб ГЭТУ (ЛЭТИ)), 2020. - 70 с.

48) Semenova M.I. et al. Determination of the Components Toxicity of the Polycrystalline Solar Panel // Proc. of the 25th International Conference on Soft Computing and Measurements, 25-27th of May 2022, Saint Petersburg, Russia. P. 212-217.

49) Семенова М.И. Разработка методических приемов по оценке токсичности полимерных компонентов солнечных панелей. Научно -технический журнал ««Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева». 2023. № 3, с.29-34.

50) Vezhenkova, I., Semenova M., Kovalevskaya, A., Gryaznov A., Rodríguez-Barroso M.R., Jimenez Castañeda R. Chemical composition determination of impurities and effect on the toxicity degree of solar panel components, E3S Web of Conferences, 220, 01057 (2020)

51) Semenova M., Vezhenkova I., Stepanova M., Kustov T. Determination of the degree of toxicity of EVA and Tedlar polymers during the disposal of components of crystalline solar panels, E3S Web of Conferences, 161, 01085 (2020)

52) Teuten, E. L., Saquing, J. M., Knappe, D. R.; et al. Transport and release of chemicals from plastics to the environment and to wildlife// Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, - 2009. - Vol. 364(1526). P. 2027-2045.

53) Meeker, J. D., Sathyanarayana, S., Swan, S. H. Phthalates and other additives in plastics: Human exposure and associated health outcomes// Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, - 2009. - Vol. 364(1526). P. 2097-2113.

54) Huang, P. C., Kuo, P. L., Chou, Y. Y., et al. Association between prenatal exposure to phthalates and the health of newborns// Environment International, -2009. - Vol. 35(1).P. 14-20.

55) Guo, Y., Kannan, K. Comparative assessment of human exposure to phthalates from house dust in China and the United States// Environmental Science & Technology - 2011. - Vol. 45(8), P. 3788-3794.

56) Net, S., Sempéré, R., Delmont, A., Paluselli, A., et al. Occurrence, fate, behavior and ecotoxicological state of phthalates in different environmental matrices// Environmental Science & Technology, - 2015. - Vol. 49(7). P.4019-4035.

57) Group E. F. Environmental fate and aquatic toxicology studies on phthalate esters // Environmental Health Perspectives. - 1986. - Vol. 65. - P. 337 - 340.

58) . Fierens, T., Servaes, K., Van Holderbeke, M., et al. Analysis of phthalates in food products and packaging materials sold on the Belgian market // Food and Chemical Toxicology, - 2012. - Vol.50(7). P. 2575 - 2583

59) Llompart, M., Sanchez-Prado, L., Lamas, J. P., et al. Hazardous organic chemicals in rubber recycled tire playgrounds and pavers// Chemosphere, - 2013. -Vol. 90(2). P. 423-431.

60) Zeng, F., Cui, K., Xie, Z., et al. Distribution of phthalate esters in urban soils of subtropical Guangzhou, China and their potential health risk // Chemosphere, - 2008. - Vol. 71(6). P. 1106-1113.

61) Lambropoulou, D. A., Nollet, L. M. (Eds.). (2014). Transformation Products of Emerging Contaminants in the Environment: Analysis, Processes, Occurrence, Effects and Risks. Wiley. ISBN: 9781118339596.

62) Sánchez, A. C., García, S. L., Llorca-Pórcel, J., Hernández, D. P., Fernández, M. S. (2017). Extraction and determination of phthalates in plastic food contact materials by ultrasound-assisted extraction and gas chromatography-mass spectrom-etry. Journal of Chromatography A, 1480, P.20-28.

63) Guo, Y., Kannan, K. Comparative assessment of human exposure to phthalate esters from house dust in China and the United States // Environmental Science & Technology. - 2011. - Vol. 45(8). - P. 3788-3794.

64) Guan, Y., Wang, X., Guang, G., Yang, B., Yu, W. Determination of phthalate esters in plastic products by solid-phase microextraction and gas chro-matography-mass spectrometry // Journal of Chromatography A. - 2007. - Vol. 1147(1). - P. 24 - 29.

65) Xu, L., Lee, H. K. Extraction of phthalate esters from polypropylene and polystyrene samples using microwave-assisted extraction and gas chromatography-mass spectrometry // Journal of Chromatography A. - 2009. - Vol. 1216(1). - P. 40-46.

66) Tsumura, Y., Ishimitsu, S., Kaihara, A., Yoshii, K., Nakamura, Y., To-nogai, Y. Phthalates, adipates, citrate and some of the other plasticizers detected in Japanese retail foods: a survey // Journal of Health Science. - 2001. - Vol. 47(4). -P. 429-438.

67) Gao, D. W., Wen, Z. D. Phthalate esters in the environment: A critical review of their occurrence, biodegradation, and removal during wastewater treatment processes // Science of the Total Environment. - 2016. - Vol. 541. - P. 986-1001.

68) Niu, L., Xu, Y., Xu, Y., Liu, L., Wu, Y., Cai, Y., ... & Zhang, Y. The use of acetone for the extraction of phthalates from polymer materials in combination with bi-otesting // Journal of Environmental Sciences. - 2014. - Vol. 26(4). - P. 835 - 842.

69) Gao, Y., Li, H., Wang, Y., Wei, D. Extraction of phthalate esters from plastic samples using acetone: Implications for environmental and biological monitoring // Analytical Methods. - 2016. - Vol. 8(3). - P. 544 - 550.

70) Wang, C., Huang, P., Zhang, Y., Zhao, X., Li, Z., & Liu, Y. Rapid and effective extraction of phthalate esters from plastic matrices by acetone for subsequent toxicity assessment // Journal of Hazardous Materials. - 2013. - Vol. 261. - P. 146 - 153.

71) Ventrice, P., Ventrice, D., Russo, E., & De Sarro, G. Phthalates: European regulation, chemistry, pharmacokinetic and related toxicity // Environmental Toxicology and Pharmacology. - 2013. - Vol. 36(1). - P. 88-96.

72) ГОСТ 31674-2012 КОРМА, КОМБИКОРМА, КОМБИКОРМОВОЕ СЫРЬЕ. Методы определения общей токсичности.

73) Gong, S., Yuan, Q., & Guo, X. Design and Development of a Thermostatic Chamber for Precise Temperature Control in Biological Experiments // Journal of Thermal Biology. - 2016. - Vol. 57. - P. 55-62.

74) Lin, J., Zhang, J., & Zhou, Y. A New Approach to the Design and Optimization of Thermostatic Chambers for Industrial Applications // Applied Thermal Engineering. - 2018. - Vol. 132. - P. 357-365.

75) Wang, X., & Li, M. Development of a Peltier-Based Thermoelectric Cooling System for Precise Temperature Control in Laboratory Environments // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2017. - Vol. 109. - P. 1106-1112.

76) Shen, L., Chen, J., & Zhao, Z. Thermoelectric Module-Based Thermal Management for High-Precision Laboratory Equipment // Applied Thermal Engineering. - 2019. - Vol. 156. - P. 51-59.

77) Zhou, X., Yang, J., & Zhang, Y. A Study on the Thermoelectric Cooling System with Peltier Elements for Laboratory Use // Energy Conversion and Management. - 2016. - Vol. 112. - P. 420-426.

78) ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2009.

79) ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 6. Использование значений точности на практике. М.: ФГУП «Стандартинформ»., 2009

80) ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения

повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2009

81) ГОСТ 34100.1-2017. Неопределенность измерения. Часть 1. Введение в руководства по выражению неопределенности измерения. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2018

82) Руководство ЕВРАХИМ/СИТАК. Количественное описание неопределенности в аналитических измерениях / пер. с англ. СПб : ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, 2002. 149 с.

83) ГОСТ 34100.3-2017 «Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения». М.: ФГУП «Стандартинформ», 2018

84) Основы метрологии / В. В. Окрепилов, Ю. А. Антохина, А. А. Ово-денко, Е.Г. Семенова, В.Ш. Сулаберидзе и др. СПб.: ГУАП, 2020. 479 с

85) Van Rossum, G. Python programming language // Communications of the ACM. - 1995. - Vol. 38(6). - P. 66-70.

86) Семенова М.И., Смирнов А.В., Ковалевская А.С., Смолова О.В. «Комплексный подход к оценке токсичности сред, относящихся к органическим веществам», №1 (51) Научно-технический журнал «Системы контроля окружающей среды», с. 77 - 89.

87) Семенова М.И., Смирнов А.В., Ковалевская А.С., Смолова О.В. «Программно-аппаратный комплекс для исследования токсичности водных сред на основе оценки параметров двигательной активности Р. С audatum», №1 (51) Научно-технический журнал «Системы контроля окружающей среды»,с.127 - 135

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок А.1 - Общий вид устройства

Рисунок А.2 - Крышка и корпус с двойными стенками

Рисунок А.4 - Кожух системы поддержания постоянной температуры

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Рисунок Б.1 - Принципиальная схема модуля пробоподготовки