Ievads
Globālā virzība uz atjaunojamo enerģiju ir veicinājusi fotoelektrisko (PV) iekārtu strauju izplatību piekrastes un jūras vidē. Peldošās PV jauda visā pasaulē sasniedza aptuveni 5,9 GW līdz 2023. gada beigām, un tiek prognozēts, ka līdz 2030. gadam tā pārsniegs 10 GW. Jūras PV piedāvā izteiktas priekšrocības salīdzinājumā ar sauszemes sistēmām, tostarp izvairīšanos no zemes-izmantošanas ierobežojumiem un lielāku enerģijas ieguvi, ko rada ūdens dzesēšanas efekts uz paneļiem. Tomēr jūras ūdens ievieš degradācijas mehānismu kopumu, kas būtiski apdraud saules moduļu izturību un veiktspēju tādos veidos, ar kādiem sauszemes iekārtas saskaras reti.
Jūras ūdens{0}}izraisītās degradācijas mehānismi
Stikla korozija un optiskie zudumi
PV moduļa priekšējais vāka stikls ir pirmā barjera, kas pakļauta jūras ūdenim. Eksperimentālie pētījumi liecina, ka pēc 98 dienu iegremdēšanas imitētā jūras ūdenī PV stikla caurlaidība samazinās no 91,46% līdz 70,35%-, kas ir vairāk nekā 21 procentpunkta zudums. Šo dramatisko optisko noārdīšanos izraisa secīgs nogulsnēšanās process: vispirms veidojas magnija-sāls slāņi un paātrina stikla virsmas lokālo koroziju, kam seko kalcija-sāls pārklājums, kas kopā ar notiekošo stikla šķīšanu vēl vairāk pastiprina optiskos zudumus un samazina moduļa jaudu.
Metālisko komponentu elektroķīmiskā korozija
Jūras ūdens ir bagāts ar jonu sugām -Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-, kuru adsorbcija vai iekļūšana modulī izraisa elektroķīmiskas korozijas procesus. Metāla elektrodi, īpaši sudrabs (Ag) un varš (Cu), ir ļoti jutīgi pret iespējamām nobīdēm un jonu difūziju, kas abi apdraud ilgtermiņa stabilitāti. Piekrastes reģionos primārais atteices veids ir elektroķīmiskā un galvaniskā korozija, kas rodas metāla kontaktos un metinātās šuvēs, jo mitruma infiltrācija panelī paātrina metālisko kontaktu oksidēšanos un iekapsulēšanas materiālu noārdīšanos.
Īpaši redzama šī procesa izpausme ir tumšu līniju vai ūdens zīmju veidošanās uz moduļu virsmām. Sāls-mitrums nodrošina elektrolīta vidi elektroķīmiskām reakcijām uz sudraba pastas, ko izmanto saules bateriju metalizācijā, izraisot sudraba oksīda veidošanos, kas parādās kā redzamas melnas līnijas, pasliktinot gan moduļa izskatu, gan elektrisko veiktspēju.
Iekapsulēšanas un sadales kārbas ievainojamība
Ilgstoša sāls mitruma iedarbība izraisa svarīgu moduļa daļu, piemēram, rāmju, sadales kārbu un stikla virsmu koroziju, kā rezultātā samazinās veiktspēja un saīsinās moduļa kalpošanas laiks. Ja sadales kārbā, spailē vai invertorā iekļūst sāls migla vai tvaiki, tas galu galā sarūsē nogulšņu dēļ. Tāpēc savienojuma kārbām, kas paredzētas kuģošanai, jābūt aizsargātām ar IP68, lai tās būtu sāls un mitruma izturīgas.
Paātrināti degradācijas rādītāji
Bifaciālo moduļu lauka novērojumi piekrastes apstākļos liecina par efektīviem gada degradācijas rādītājiem no aptuveni 0,36% līdz 0,75% gadā labi-iekapsulētiem moduļiem. Tomēr sāls uzkrāšanās uz ārzonas PV moduļiem paātrina noārdīšanās ātrumu vēl par 0,05% līdz 0,13%, potenciāli samazinot moduļa kalpošanas laiku par 3 līdz 5 gadiem. Ārkārtējos gadījumos ar slikti izstrādātu iekapsulāciju aizmugures -potenciāla{10}}izraisītā degradācija ir izraisījusi lokālus atpakaļ{11}}jaudas zudumus, kas pārsniedz 30%.
Nozares testēšanas standarti
Primārais starptautiskais standarts, kas regulē sāls miglas korozijas izturību, ir IEC 61701, kurā ir aprakstītas testu secības, lai noteiktu PV moduļu izturību pret koroziju no sāls miglas, kas satur hlorīda savienojumus, piemēram, NaCl un MgCl₂. Smagākais pārbaudes līmenis-6. līmenis — ietver astoņus testa ciklus 56 dienu laikā. Katrs 7 dienu cikls sastāv no četriem sāls izsmidzināšanas posmiem, kas ilgst divas stundas 35 grādu temperatūrā ar 93% mitrumu, kam seko uzglabāšana 40 grādu temperatūrā ar kontrolētu mitrumu. Šis stingrais protokols novērtē jaudas samazināšanos, zemes nepārtrauktību, mitrās noplūdes strāvu, izolācijas pretestību un izskatu.
Trešajā IEC 61701 izdevumā, kas tika izdots 2020. gadā, tika ieviesti svarīgi atjauninājumi: testa metodes tika saīsinātas un saskaņotas ar jaunajiem IEC 61215 un IEC 61730 izdevumiem, un tika pievienots normatīvais pielikums, lai sniegtu norādījumus par to, kuras testa metodes piemēro dažādiem lietojumiem. Daži ražotāji ir brīvprātīgi pārsnieguši standarta prasības, veicot sāls miglas cikla testus līdz pat 168 dienām-trīs reizes ilgāk par augstāko standarta līmeni-un panākot jaudas zudumu tikai par 1%.
Seku mazināšanas un aizsardzības stratēģijas
Uzlaboti stikla pārklājumi
Vadošie PV ražotāji ir izstrādājuši specializētus stikla pārklājumus jūras videi. Viena ievērojama pieeja izmanto blīvu SiO₂ bāzes slāni, kas apvienots ar augstas -caurlaidības pret- virsmas slāni; pamata slānis efektīvi bloķē ūdens tvaiku un hlorīda jonu iekļūšanu, savukārt virsmas slānis nodrošina pašattīrīšanās spēju un uztur caurlaidību virs 94%. Šādi moduļi ir izturējuši IEC 61701 sāls miglas 8. līmeņa pārbaudi, ievērojami pārsniedzot parastās prasības. Ir pierādīts, ka integrēts aizsardzības process, kas apvieno rūdītu substrātu, divslāņu nano-pārklājumu, atomu slāņa nogulsnēšanos, superhidrofobu pašattīrīšanos-un malu blīvējumu, pagarina moduļa kalpošanas laiku par vairāk nekā 25 gadiem, ar dubultslāņa pārklājumu stiklu, kas demonstrē sāls izsmidzināšanas toleranci, kas pārsniedz 1,10 stundu.
Rāmju un konstrukciju aizsardzība
Standarta virszemes PV moduļu alumīnija rāmji parasti ir anodēti atbilstoši AA10 specifikācijai. Jūras vidē tas ir jāpaaugstina līdz AA20 (20–25 μm biezums), kas tiek uzskatīts par obligātu jūras kvalitātes standartu piekrastes saules enerģijas projektiem. Rāmja anodētā slāņa jauninājums no AA10 uz AA20 ievērojami uzlabo izturību pret koroziju un palielina konstrukcijas uzticamību ilgstošas iedarbības laikā. Cinka-magnija-alumīnija tērauda pārklājumi arī ir sertificēti izmantošanai C5-M jūras vidē, un 3% magnija saturs nodrošina daudz efektīvāku aizsardzību pret koroziju nekā pārklājumi ar mazāku magnija saturu.
Paš-dziedinoši un pret-UV kompozītmateriālu pārklājumi
Nesenie pārklāšanas tehnoloģiju sasniegumi ir ieviesuši pašdziedināšanas iespējas{0}}kuģu PV iekārtām. Kompozītmateriāla pārklājums, kas izgatavots, izmantojot sinerģisku elektrovērpšanu un elektrosmidzināšanu, parādīja, ka sāls -izsmidzināšanas testēšanas laikā korozijas laukums bija ievērojami mazāks nekā tukšiem epoksīda pārklājumiem, un elektroķīmiskā pretestība pārsniedz tukšā epoksīda impedanci par divām kārtām. Bojāto apgabalu pašdziedināšanās tika pabeigta īsā laika periodā, un pēc 300 stundu paātrinātas novecošanas testa pārklājums saglabāja savas fizikāli ķīmiskās īpašības un aizsargājošo darbību.
Strukturālā korozija un mehāniskā ietekme
Papildus pašam PV modulim atklātā jūrā peldošo PV sistēmu strukturālās sastāvdaļas saskaras ar nopietnām korozijas problēmām. Jūras korozija samazina kritisko T-savienojumu slodzes-nestspēju par aptuveni 33% līdz 45%. Stingruma degradācija sasniedz līdz 59,76%, savukārt enerģijas izkliedes spēja samazinās par 54,6% līdz 62,5%. Tomēr modificētie epoksīda-stikla-pārslveida pārklājumi un grafēna cinka pārklājumi efektīvi aizsargā T-savienojumus, saglabājot gandrīz nemainīgu slodzes{13}}nestspēju bez pārklājuma bojājumiem.
Ekonomiskās sekas
Korozijas izmaksas jūras PV iekārtās ir ievērojamas. 5 MW saules enerģijas ferma, kas atrodas 200 metrus no Floridas Atlantijas okeāna piekrastes, pirmajā gadā cieta par 5% efektivitātes kritumu, uzturēšanas izmaksām sasniedzot 15 000 USD par MW gadā. Pareiza-noturīga pret koroziju specifikācija palielina par 5–10% priekšapmaksas rēķinu-no{11}}materiālu izmaksām-aptuveni 2–4 ASV dolāri par moduli{15}}, taču šī piemaksa atmaksājas, novēršot rāmja koroziju, kas pretējā gadījumā prasītu pilnu moduļa nomaiņu. Ķīnā ražošanas izmaksas{17}}nozarē tiek lēstas 4 triljonu juaņu apmērā, kas veido 3,34% no IKP, savukārt efektīva aizsardzība pret koroziju var atgūt 25–40% no šiem zaudējumiem.
Secinājums
Jūras ūdens izraisītā korozija ir viena no lielākajām grūtībām, ar ko saskaras strauji augošais jūras un piekrastes fotoelementu tirgus. Ir vairāk nekā viens veids, kā izskaidrot problēmas būtību. Šeit ir redzami dažādi noārdīšanās veidi - stikla korozija, elektroķīmiski procesi, kas iedarbojas uz ierīces metāla daļām, iekapsulējošā materiāla vājināšanās, kā arī pašas ierīces struktūras pavājināšanās. Nozare risina izaicinājumu, izstrādājot jaunas aizsardzības tehnoloģijas, izmantojot daudzslāņu stikla pārklājumus un modernu anodēšanu metāla korpusiem. Nozarei palīdz starptautiskie korozijas testēšanas standarti, piemēram, IEC 61701. Pieaugot jūras projektu apjomam, uzticamas, lētas aizsardzības pret koroziju nodrošināšana kļūst ļoti svarīga saules enerģijas iekārtu efektivitātei.
