Įvadas
Pasaulinis veržimasis į atsinaujinančią energiją paskatino sparčiai plėsti fotovoltinius (PV) įrenginius pakrantės ir atviroje jūroje. 2023 m. pabaigoje plūduriuojančios fotovoltinės energijos galia visame pasaulyje pasiekė maždaug 5,9 GW, o iki 2030 m. turėtų viršyti 10 GW. Jūros fotovoltinės energijos pranašumai, palyginti su antžeminėmis sistemomis, yra, įskaitant žemės-naudojimo apribojimų išvengimą ir didesnį energijos išeigą dėl vandens aušinimo plokštes. Tačiau jūros vanduo įveda degradacijos mechanizmų rinkinį, kuris iš esmės kelia grėsmę saulės modulių ilgaamžiškumui ir veikimui taip, kaip retai susiduria antžeminiai įrenginiai.
Jūros vandens{0}}sukeltos degradacijos mechanizmai
Stiklo korozija ir optiniai nuostoliai
PV modulio priekinio dangtelio stiklas yra pirmasis barjeras, veikiamas jūros vandens. Eksperimentiniai tyrimai parodė, kad po 98 dienų panardinimo į imituojamą jūros vandenį PV stiklo pralaidumas sumažėja nuo 91,46 % iki 70,35 % -, tai yra daugiau nei 21 procentinis punktas. Šį dramatišką optinį pablogėjimą lemia nuoseklus nusodinimo procesas: pirmiausia susidaro magnio-druskos sluoksniai, kurie pagreitina vietinę stiklo paviršiaus koroziją, o po to atsiranda kalcio-druskos sluoksniai, kurie kartu su vykstančiu stiklo tirpimu dar labiau padidina optinius nuostolius ir sumažina modulio našumą.
Metalinių komponentų elektrocheminė korozija
Jūros vandenyje gausu joninių rūšių -Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-, kurių adsorbcija arba prasiskverbimas į modulį sukelia elektrocheminius korozijos procesus. Metaliniai elektrodai, ypač sidabras (Ag) ir varis (Cu), yra labai jautrūs potencialiems poslinkiams ir jonų difuzijai, kurie abu kenkia ilgalaikiam stabilumui. Pakrantės regionuose pagrindinis gedimo būdas yra elektrocheminė ir galvaninė korozija, atsirandanti metaliniuose kontaktuose ir suvirinimo siūlėse, nes drėgmės prasiskverbimas į plokštę pagreitina metalinių kontaktų oksidaciją ir kapsuliuojančių medžiagų degradaciją.
Ypač matoma šio proceso apraiška yra tamsių linijų arba vandens žymių susidarymas ant modulio paviršių. Druska-prikrauta drėgmė suteikia elektrolito aplinką elektrocheminėms reakcijoms ant sidabro pastos, naudojamos saulės elementų metalizavimui, todėl susidaro sidabro oksidas, kuris atrodo kaip matomos juodos linijos, pabloginančios modulio išvaizdą ir elektrines charakteristikas.
Inkapsuliavimo ir jungties dėžutės pažeidžiamumas
Ilgas druskos drėgmės poveikis sukelia svarbių modulio dalių, pvz., rėmų, jungiamųjų dėžių ir stiklo paviršių, koroziją, dėl ko sumažėja našumas ir sutrumpėja modulio tarnavimo laikas. Jei paskirstymo dėžė, gnybtas ar keitiklis yra prasiskverbę druskos rūko ar garų, jie galiausiai rūdija dėl nuosėdų. Todėl jungiamosios dėžutės, skirtos jūrinėms reikmėms, turi būti sandarios IP68, kad būtų atsparios druskai ir drėgmei.
Pagreitintas skilimo greitis
Bifacialinių modulių lauko stebėjimai pakrantės sąlygomis rodo, kad efektyvūs metiniai gerai įkapsuliuotų modulių degradacijos rodikliai yra nuo 0,36 % iki 0,75 % per metus. Tačiau druskų kaupimasis atviroje jūroje veikiančiuose PV moduliuose dar labiau pagreitina skilimo greitį 0,05–0,13 %, todėl modulio tarnavimo laikas gali sutrumpėti 3–5 metais. Ekstremaliais atvejais, kai korpusas yra prastai suprojektuotas, dėl galinės-pusės potencialo-sukurtos degradacijos vietiniai atgalinės{11}}galios nuostoliai viršija 30 %.
Pramonės bandymų standartai
Pagrindinis tarptautinis standartas, reglamentuojantis atsparumą druskos rūko korozijai, yra IEC 61701, kuriame aprašomos bandymų sekos, skirtos nustatyti PV modulių atsparumą korozijai nuo druskos rūko, turinčios chlorido junginių, tokių kaip NaCl ir MgCl₂. Sunkiausias bandymo lygis-6 lygis – apima aštuonis bandymo ciklus per 56 dienas. Kiekvieną 7 dienų ciklą sudaro keturi druskos purškimo etapai, trunkantys dvi valandas 35 laipsnių temperatūroje, esant 93 % drėgnumui, o po to laikomas 40 laipsnių temperatūroje su kontroliuojama drėgme. Šis griežtas protokolas įvertina išėjimo galios pablogėjimą, įžeminimo tęstinumą, šlapio nuotėkio srovę, izoliacijos varžą ir išvaizdą.
Trečiajame IEC 61701 leidime, išleistame 2020 m., buvo pateikti svarbūs atnaujinimai: bandymo metodai buvo sutrumpinti ir suderinti su naujais IEC 61215 ir IEC 61730 leidimais, taip pat buvo pridėtas normatyvinis priedas, kuriame nurodoma, kurie bandymo metodai taikomi įvairioms programoms. Kai kurie gamintojai savanoriškai viršijo standarto reikalavimus, atlikdami druskos miglos ciklų bandymus iki 168 dienų-tris kartus ilgiau nei aukščiausias standartinis lygis-ir pasiekę tik 1 % energijos nuostolių.
Švelninimo ir apsaugos strategijos
Pažangios stiklo dangos
Pirmaujantys PV gamintojai sukūrė specializuotas stiklo dangas, skirtas jūrinei aplinkai. Vienas pastebimas metodas apima tankų SiO₂ pagrindo sluoksnį kartu su didelio -pralaidumo antirefleksiniu paviršiaus sluoksniu; pagrindinis sluoksnis veiksmingai blokuoja vandens garų ir chlorido jonų prasiskverbimą, o paviršinis sluoksnis užtikrina savaiminį-valymą ir palaiko didesnį nei 94 % pralaidumą. Tokie moduliai išlaikė IEC 61701 druskos rūko 8 lygio bandymus, gerokai viršijančius įprastinius reikalavimus. Įrodyta, kad integruotas apsaugos procesas, apjungiantis grūdintą pagrindą, dvigubo sluoksnio nano-dangą, atominio sluoksnio nusodinimą, superhidrofobinį savaiminį-valymą ir kraštų sandarinimą, prailgina modulio tarnavimo laiką daugiau nei 25 metus, o dvigubu sluoksniu padengtas stiklas, kurio druskos purškimo tolerancija viršija 1,10 val.
Rėmo ir konstrukcijų apsauga
Standartinių antžeminių PV modulių aliuminio rėmai paprastai anoduojami pagal AA10 specifikaciją. Jūrinėje aplinkoje jis turi būti patobulintas iki AA20 (20–25 μm storio), kuris laikomas privalomu pakrančių saulės energijos projektų jūrinio{5} lygio standartu. Rėmo anoduoto sluoksnio atnaujinimas iš AA10 į AA20 žymiai pagerina atsparumą korozijai ir padidina konstrukcijos patikimumą ilgai veikiant. Cinko-magnio-aliuminio plieno dangos taip pat buvo sertifikuotos naudoti C5-M jūrinėje aplinkoje, o 3 % magnio kiekis suteikia daug veiksmingesnę apsaugą nuo korozijos nei dangos, kuriose magnio kiekis mažesnis.
Save{0}}gyjančios ir anti-UV UV kompozicinės dangos
Naujausios dengimo technologijos pažangos suteikė jūrinei fotovoltinės įrangos{0}}savaiminio gydymo galimybes. Sudėtinė danga, pagaminta naudojant sinergetinį elektrinį verpimą ir elektropurškimą, parodė, kad atliekant druskos-purškimo bandymą korozijos pažeistas plotas buvo daug mažesnis nei ant tuščių epoksidinių dangų, o elektrocheminė varža dviem dydžiais viršijo tuščio epoksidinio sluoksnio varžą. Pažeistos vietos savaime išgydomos per trumpą laiką, o po 300 valandų pagreitinto senėjimo bandymo danga išsaugojo savo fizikines ir chemines savybes bei apsaugines savybes.
Konstrukcijų korozija ir mechaninis poveikis
Be paties PV modulio, atviroje jūroje plaukiojančių PV sistemų struktūriniai komponentai susiduria su rimtais korozijos iššūkiais. Dėl jūrinės korozijos kritinių T-jungčių apkrovos-laikomoji galia sumažėja maždaug 33–45%. Standumas sumažėja iki 59,76%, o energijos išsklaidymo pajėgumas sumažėja 54,6% iki 62,5%. Tačiau modifikuotos epoksidinės -stiklo-dribsnių dangos ir grafeno cinko dangos veiksmingai apsaugo T-sujungimus ir išlaiko beveik nepakitusią apkrovą{13}}nepažeidžiant dangos.
Ekonominės pasekmės
Korozijos kaina jūrų fotovoltinės energijos įrenginiuose yra didelė. 5 MW saulės energijos ūkio, esančio 200 metrų nuo Floridos Atlanto vandenyno pakrantės, efektyvumas per pirmuosius metus sumažėjo 5 %, o priežiūros išlaidos siekė 15 000 USD už MW per metus. Tinkamos korozijai atsparios-specifikacijos padidina 5–10 % išankstinę -medžiagų sąnaudų{11}}sąskaitą{12}}apytiksliai 2–4 USD už modulį{15}}, tačiau ši priemoka atsiperka, nes apsaugo nuo rėmo korozijos, dėl kurios kitu atveju reikėtų pakeisti visą modulį. Apskaičiuota, kad Kinijoje visos pramonės{17}}kaštai dėl korozijos siekia 4 trilijonus juanių, o tai sudaro 3,34 % BVP, o veiksminga apsauga nuo korozijos gali susigrąžinti 25–40 % šių nuostolių.
Išvada
Korozija dėl jūros vandens yra vienas iš didelių sunkumų, su kuriais susiduria sparčiai besivystanti atviroje jūroje ir pakrantėje esančios fotovoltinės energijos rinka. Yra daugiau nei vienas būdas paaiškinti problemos pobūdį. Čia matomi įvairūs degradacijos tipai - stiklo korozija, metalines įrenginio dalis veikiantys elektrocheminiai procesai, inkapsuliuojančios medžiagos susilpnėjimas, taip pat ir paties prietaiso struktūros susilpnėjimas. Pramonė susiduria su iššūkiu kurdama naujas apsaugos technologijas, kuriose naudojamos daugiasluoksnės stiklo dangos ir pažangus anodavimas metaliniams korpusams. Pramonei padeda tarptautiniai korozijos bandymų standartai, tokie kaip IEC 61701. Didėjant atviroje jūroje vykdomų projektų apimčiai, patikimos, pigios apsaugos nuo korozijos užtikrinimas tampa itin svarbus saulės energijos jėgainių veiksmingumui.
