вступ
Глобальний поштовх до відновлюваних джерел енергії призвів до швидкого розширення фотоелектричних (PV) установок у прибережних і морських середовищах. Потужність плавучої фотоелектричної системи в усьому світі досягла приблизно 5,9 ГВт на кінець 2023 року та, за прогнозами, перевищить 10 ГВт до 2030 року. Офшорні фотоелектричні системи мають суттєві переваги перед наземними-системами, включаючи уникнення обмежень-користування землею та вищу енерговитрату завдяки ефекту охолодження панелей водою. Проте морська вода вводить набір механізмів деградації, які фундаментально загрожують довговічності та продуктивності сонячних модулів у спосіб, з яким рідко стикаються наземні установки.
Механізми деградації,-спричиненої морською водою
Корозія скла та оптичні втрати
Переднє скло фотоелектричного модуля є першим бар’єром, який піддається впливу морської води. Експериментальні дослідження показали, що після 98 днів занурення у імітовану морську воду пропускна здатність фотоелектричного скла зменшується з 91,46% до 70,35%-, що становить понад 21 відсотковий пункт. Ця різка оптична деградація спричинена послідовним процесом осадження: спочатку утворюються шари-солей магнію та прискорюють локальну корозію скляної поверхні, а потім шари-солі кальцію, які разом із постійним розчиненням скла ще більше збільшують оптичні втрати та зменшують продуктивність модуля.
Електрохімічна корозія металевих компонентів
Морська вода багата іонними сполуками-Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-, адсорбція чи проникнення яких у модуль ініціює процеси електрохімічної корозії. Металеві електроди, зокрема срібні (Ag) і мідні (Cu), дуже сприйнятливі до зсуву потенціалу та дифузії іонів, що погіршує -тривалу стабільність. У прибережних регіонах основним типом руйнування є електрохімічна та гальванічна корозія, що виникає на металевих контактах і зварних швах, оскільки проникнення вологи в панель прискорює окислення металевих контактів і деградацію матеріалів капсуля.
Особливо помітним проявом цього процесу є утворення темних ліній або водяних слідів на поверхнях модулів. Волога-, насичена сіллю, забезпечує електролітне середовище для електрохімічних реакцій на срібній пасті, яка використовується для металізації сонячних елементів, що призводить до утворення оксиду срібла, який виглядає як видимі чорні лінії, що погіршує як зовнішній вигляд модуля, так і електричні характеристики.
Уразливість інкапсулятора та розподільної коробки
Тривалий вплив вологи від солі призводить до корозії важливих частин модуля, таких як рами, розподільні коробки та скляні поверхні, що призводить до зниження продуктивності та скорочення терміну служби модуля. Якщо розподільна коробка, термінал або інвертор проникають сольовим туманом або парами, вони з часом іржавіють через відкладення. Таким чином, розподільні коробки для морських застосувань повинні мати герметичність IP68, щоб бути стійкими до солі та вологи.
Прискорені темпи деградації
Польові спостереження за двосторонніми модулями в прибережних умовах повідомляють про ефективні річні темпи деградації приблизно від 0,36% до 0,75% на рік для добре-інкапсульованих модулів. Однак накопичення солі на морських фотоелектричних модулях прискорює швидкість деградації додатково на 0,05% до 0,13%, потенційно скорочуючи термін служби модуля на 3-5 років. У екстремальних випадках із погано спроектованою інкапсуляцією, задній-потенціал-індуковане погіршення спричинив локалізовані зворотні-втрати потужності, що перевищують 30%.
Стандарти промислового тестування
Основним міжнародним стандартом, що регулює корозійну стійкість до соляного туману, є IEC 61701, який описує послідовність випробувань для визначення стійкості фотоелектричних модулів до корозії від хлоридних сполук, що містять соляний туман, наприклад NaCl і MgCl₂. Найсуворіший рівень тестування-Рівень 6 включає вісім циклів тестування протягом 56 днів. Кожен 7-денний цикл складається з чотирьох етапів розбризкування солі тривалістю дві години при температурі 35 градусів і вологості 93%, після чого йде зберігання при 40 градусах з контрольованою вологістю. Цей суворий протокол оцінює погіршення вихідної потужності, безперервність заземлення, мокрий струм витоку, опір ізоляції та зовнішній вигляд.
Третє видання стандарту IEC 61701, випущене в 2020 році, представило важливі оновлення: методи випробувань було скорочено та узгоджено з новими виданнями стандартів IEC 61215 та IEC 61730, а також додано нормативний додаток, який визначає, які методи випробувань застосовуються до різних програм. Деякі виробники добровільно перевищили вимоги стандарту, проводячи циклічні випробування соляного туману протягом до 168 днів-що втричі перевищує тривалість найвищого стандартного рівня-і досягаючи втрати потужності лише 1%.
Стратегії пом'якшення та захисту
Сучасні скляні покриття
Провідні фотоелектричні виробники розробили спеціальні скляні покриття для морських середовищ. Один із відомих підходів використовує щільний базовий шар SiO₂ у поєднанні з анти-відбиваючим поверхневим шаром із високим -коефіцієнтом пропускання; базовий шар ефективно блокує проникнення водяної пари та іонів хлориду, тоді як поверхневий шар забезпечує здатність до само-очищення та підтримує пропускну здатність понад 94%. Такі модулі пройшли випробування IEC 61701 на сольовий туман рівня 8, що значно перевищує звичайні вимоги. Інтегрований процес захисту, що поєднує загартовану підкладку, дво-шарове нано-покриття, осадження атомарного шару, супергідрофобне само-само{11}}очищення та ущільнення країв, як було показано, подовжує термін служби модуля понад 25 років, а скло з подвійним-шаровим покриттям демонструє стійкість до соляних бризок понад 1100 годин.
Каркас і захист конструкції
Алюмінієві рами стандартних наземних фотоелектричних модулів зазвичай анодовані відповідно до специфікації AA10. Для морських середовищ його потрібно оновити до AA20 (20–25 мкм товщини), який вважається обов’язковим морським-стандартом для прибережних сонячних проектів. Оновлення анодованого шару рами з AA10 до AA20 значно покращує стійкість до корозії та підвищує надійність конструкції під час тривалого впливу. Цинк-магнієві-алюмінієві сталеві покриття також сертифіковано для використання в морському середовищі C5-M, при цьому 3% вміст магнію забезпечує набагато ефективніший захист від корозії, ніж покриття з меншим вмістом магнію.
Композитні покриття, що самовідновлюються та -захищають від ультрафіолету
Останні досягнення в технології покриття запровадили-можливості самовідновлення для морського фотоелектричного обладнання. Композитне покриття, виготовлене за допомогою синергічного електроспинінгу та електронапилення, продемонструвало, що під час випробування сольовим-розпиленням площа корозії була значно меншою, ніж на порожніх епоксидних покриттях, з електрохімічним опором, що перевищував відповідний для порожньої епоксидної смоли на два порядки. Само-відновлення пошкоджених ділянок відбулося за короткий період, і після 300-годинного тесту на прискорене старіння покриття зберегло свої фізико-хімічні властивості та захисні властивості.
Структурна корозія та механічний вплив
Окрім самого фотоелектричного модуля, структурні компоненти морських плавучих фотоелектричних систем стикаються з серйозними проблемами корозії. Морська корозія зменшує-несучу здатність критичних Т-з’єднань приблизно на 33%–45%. Деградація жорсткості досягає 59,76%, а здатність розсіювання енергії зменшується на 54,6% до 62,5%. Проте модифіковане епоксидне{10}}скло-лускоподібне покриття та графен-цинкове покриття ефективно захищають T-з’єднання, зберігаючи майже незмінну-несучу здатність без пошкодження покриття.
Економічні наслідки
Вартість корозії в морських фотоелектричних установках є значною. Сонячна електростанція потужністю 5 МВт, розташована за 200 метрів від узбережжя Атлантичного океану у Флориді, зазнала падіння ефективності на 5% у перший рік, а витрати на обслуговування досягли 15 000 доларів США за МВт на рік. Належна -технічна характеристика стійкості до корозії додає 5–10% до--витрат на матеріали-приблизно 2–4 долари США за модуль-але ця надбавка окупає себе, запобігаючи корозії рами, яка інакше потребувала б повної заміни модуля. У Китаї витрати-на корозію в усій галузі оцінюються в 4 трильйони юанів, що становить 3,34% ВВП, а ефективний захист від корозії може компенсувати від 25% до 40% цих втрат.
Висновок
Корозія, спричинена морською водою, є однією зі значних труднощів, з якими стикається ринок фотоелектричної енергії, що стрімко розвивається в морі та на узбережжі. Існує більше ніж один спосіб пояснити природу проблеми. Тут можна побачити різні типи деградації - корозію скла, електрохімічні процеси, що діють на металеві частини пристрою, послаблення інкапсуляційного матеріалу, а також послаблення структури самого пристрою. Промисловість вирішує цей виклик, розробляючи нові технології захисту з використанням багато-шарових скляних покриттів і вдосконаленого анодування для металевих корпусів. Промисловості допомагають міжнародні стандарти випробувань на корозію, такі як IEC 61701. Зі збільшенням обсягів морських проектів забезпечення надійного, дешевого захисту від корозії стає вирішальним для ефективності сонячних електростанцій.
