Aging and risk evaluation of photovoltaic panels during their life cycle

In the process of generating electricity, renewable sources represent, thanks to their low environmental impact, a valid alternative to traditional sources. An example will be photovoltaic panels that are the subject of our study. After introducing the different types of solar panels including the third generation and the Perovskite solar cells (PSCs), the different failure modes during their life cycle were analyzed, including corrosion and dust. It was noticed that they result in malfunctioning and / or aging of the panel which has as its epilogue a reduction in efficiency. Comparing the ecological footprint of other renewable sources with solar panels, such as coal, it is shown that coal itself has an emission of 109 gCO2e / kWh compared to 20 gCO2e / kWh of photovoltaics, confirming how much less polluting they are for the environment. At the same time, safety was also evaluated: the analysis revealed that, after cases of fire, when the connection points in the panel deteriorate, they lead to overheating and subsequently to electric arcs. Among the solutions to avoid these incidents, the operating costs (OPEX) were also estimated considering the learning rate (LR) of 3 different scenarios: 5%, 10% and 15% and our study shows that OPEX will decrease by 30% by 2030 in the case of the second scenario. To assess the consequence and ecological risk of photovoltaic panels on the environment, the LCA method (life cycle assessment) was applied. Considering the input and output of the solar PV system composed of mono-crystalline, breakers, inverters and battery, it can be seen that from the beginning to the end of the life cycle of the panels, the solar cells release more solid waste but not in the water compared to other components that can release waste material into the water, reason why the recycling of the latter needs to be re-evaluated using eco-friendly raw materials.

Nel processo di generazione di energia elettrica le fonti rinnovabili rappresentano, grazie al loro basso impatto ambientale, una valida alternativa alle fonti tradizionali. Un esempio è rappresentato dai pannelli fotovoltaici che saranno argomento del nostro studio. Dopo aver presentato i diversi tipi di pannelli solari, compresa la terza generazione e le celle solari Perovskitiche (PSC), sono state analizzate le diverse modalità di guasto durante il loro ciclo di vita, tra cui la corrosione e la polvere. Questi fenomeni portano al malfunzionamento e/o invecchiamento dei pannelli che ha come epilogo una riduzione di efficienza. Paragonando l’impronta ecologica di altri fonti rinnovabili con i pannelli solari, come ad esempio il carbone, si dimostra che il carbone stesso ha un’emissione di 109 gCO2e/kWh rispetto a 20 gCO2e/kWh dei fotovoltaici, confermando quanto siano meno inquinanti per l’ambiente. Contestualmente, è stata valutata anche la sicurezza: tale analisi ha rivelato che, dopo casi di incendio, quando i punti di connessione nel pannello si deteriorano, portano ad un surriscaldamento ed in seguito ad archi elettrici. Tra le soluzioni per evitare questi fenomeni, sono anche stati valutati i costi operativi (OPEX) considerando il learning rate (LR) di 3 diversi scenari: 5%, 10% e 15% e dal nostro studio si evince che l’OPEX si ridurrà di 30% entro il 2030 nel caso del secondo scenario. Per valutare l’impatto e il rischio ecologico dei pannelli fotovoltaici sull’ambiente, è stato applicato il metodo LCA (valutazione di ciclo di vita). Considerando l’input e l’output dei pannelli avendo come componenti il silicio monocristallino, degli interruttori, inverter e batteria si rileva che dal principio alla fine del ciclo di vita dei pannelli, le celle solari rilasciano più rifiuti solidi ma non in acqua rispetto ad altri componenti stessi che possono rilasciare materiale di scarto in acqua, motivo per cui il riciclo di questi ultimi è da rivalutare utilizzando materiali primari ecocompatibili.