Sissejuhatus
Ülemaailmne tõuge taastuvenergia poole on ajendanud fotogalvaaniliste (PV) seadmete kiiret laienemist ranniku- ja avamerekeskkondadesse. 2023. aasta lõpuks jõudis ujuva PV võimsus kogu maailmas ligikaudu 5,9 GW-ni ja prognooside kohaselt ületab see 2030. aastaks 10 GW. Avamere PV pakub maapealsete süsteemide ees selgeid eeliseid, sealhulgas maakasutuse piirangute vältimine ja suurem energiatootlus, mis on tingitud vee jahutavast mõjust paneele. Kuid merevesi tutvustab lagunemismehhanisme, mis ohustavad põhimõtteliselt päikesemoodulite vastupidavust ja jõudlust viisil, mida maapealsed rajatised harva kohtavad.
Merevee{0}}indutseeritud lagunemise mehhanismid
Klaasi korrosioon ja optilised kaod
PV-mooduli esikaane klaas on esimene mereveega kokku puutuv barjäär. Eksperimentaalsed uuringud on näidanud, et pärast 98-päevast simuleeritud merevees sukeldumist väheneb PV-klaasi läbilaskvus 91,46%-lt 70,35%-le-, mis on üle 21 protsendipunkti. See dramaatiline optiline lagunemine on tingitud järjestikusest sadestusprotsessist: kõigepealt moodustuvad magneesiumi-soolakihid, mis kiirendavad klaaspinna lokaalset korrosiooni, seejärel kaltsiumi-soolakihid, mis koos klaasi jätkuva lahustumisega suurendavad veelgi optilisi kadusid ja vähendavad mooduli väljundit.
Metallkomponentide elektrokeemiline korrosioon
Merevesi on rikas ioonsete liikide -Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻- poolest, mille adsorptsioon või tungimine moodulisse käivitab elektrokeemilised korrosiooniprotsessid. Metallelektroodid, eriti hõbe (Ag) ja vask (Cu), on väga vastuvõtlikud potentsiaalsetele nihketele ja ioonide difusioonile, mis mõlemad kahjustavad pikaajalist stabiilsust. Rannikualadel on esmaseks rikkerežiimiks metallkontaktidel ja keevisõmblustel tekkiv elektrokeemiline ja galvaaniline korrosioon, kuna niiskuse imbumine paneelidesse kiirendab metallkontaktide oksüdeerumist ja kapseldamismaterjalide lagunemist.
Selle protsessi eriti nähtav ilming on tumedate joonte või veejälgede teke mooduli pindadele. Soola-koormatud niiskus loob elektrolüütide keskkonna elektrokeemiliste reaktsioonide jaoks päikesepatareide metalliseerimisel kasutataval hõbepastal, mis viib hõbeoksiidi moodustumiseni, mis ilmub nähtavate mustade joontena, halvendades nii mooduli välimust kui ka elektrilist jõudlust.
Kapseldaja ja ühenduskarbi haavatavus
Pikaajaline kokkupuude soolast tuleneva niiskusega põhjustab mooduli oluliste osade, nagu raamid, harukarbid ja klaaspinnad, korrosiooni, mis viib jõudluse vähenemiseni ja mooduli kasutusea lühenemiseni. Kui jaotuskarp, klemm või inverter on soolaudu või auruga imbunud, roostetab see lõpuks setete tõttu. Seetõttu peaksid mererakenduste harukarbid olema soola- ja niiskuskindlad IP68 pitseeritud.
Kiirendatud lagunemiskiirused
Bifatsiaalsete moodulite välivaatlused rannikutingimustes näitavad, et hästi kapseldatud moodulite korral on aastane lagunemismäär umbes 0,36–0,75% aastas. Kuid soola kogunemine avamere PV-moodulitele kiirendab lagunemiskiirust täiendavalt 0,05% kuni 0,13%, vähendades potentsiaalselt mooduli eluiga 3 kuni 5 aasta võrra. Äärmuslikel juhtudel, kui kapseldamine on halvasti kavandatud, on tagumise-poolse potentsiaali{10}}indutseeritud lagunemine põhjustanud lokaalset tagasi{11}}toitekadu, mis ületab 30%.
Tööstuse testimise standardid
Peamine rahvusvaheline standard, mis reguleerib soolaudu korrosioonikindlust, on IEC 61701, mis kirjeldab katsejärjestusi, et määrata PV-moodulite vastupidavus korrosioonile soolaudu, mis sisaldab kloriidühendeid, nagu NaCl ja MgCl₂. Raskeim testitase-6. tase – hõlmab kaheksat testitsüklit 56 päeva jooksul. Iga 7-päevane tsükkel koosneb neljast soolapihustamise etapist, mis kestab kaks tundi 35 kraadi juures 93% niiskusega, millele järgneb säilitamine 40 kraadi juures kontrollitud niiskusega. See range protokoll hindab väljundvõimsuse halvenemist, maanduse järjepidevust, märglekkevoolu, isolatsioonitakistust ja välimust.
2020. aastal välja antud standardi IEC 61701 kolmas väljaanne tõi sisse olulised uuendused: katsemeetodid koondati ja viidi vastavusse standardite IEC 61215 ja IEC 61730 uute väljaannetega ning lisati normatiivlisa, mis juhendab, milliseid katsemeetodeid erinevate rakenduste puhul kohaldatakse. Mõned tootjad on vabatahtlikult ületanud standardi nõudeid, viies läbi soolaudu tsüklikatseid kuni 168 päeva jooksul-kolm korda kauem kui kõrgeima standardtasemega- ja saavutades vaid 1% võimsuskadu.
Leevendus- ja kaitsestrateegiad
Täiustatud klaasikatted
Juhtivad PV tootjad on välja töötanud spetsiaalsed klaaskatted merekeskkonna jaoks. Üks tähelepanuväärne lähenemisviis kasutab tihedat SiO₂ aluskihti, mis on kombineeritud suure-läbilaskvusega peegeldusvastase -pinnakihiga; aluskiht blokeerib tõhusalt veeauru ja kloriidioonide läbitungimise, samal ajal kui pinnakiht tagab isepuhastusvõime ja säilitab läbilaskvuse üle 94%. Sellised moodulid on läbinud IEC 61701 soolaudu taseme 8 testimise, ületades tunduvalt tavapäraseid nõudeid. On näidatud, et integreeritud kaitseprotsess, mis ühendab karastatud aluspinna, kahekihilise nano-katte, aatomkihi sadestamise, superhüdrofoobse-puhastuse ja servade tihendamise, pikendab mooduli eluiga üle 25 aasta ning kahekihilise pinnakattega klaas, mille soolapihustuse taluvus ületab 1,10 tundi.
Raam ja konstruktsioonikaitse
Standardsete maapealsete PV-moodulite alumiiniumraamid on tavaliselt anodeeritud vastavalt AA10 spetsifikatsioonile. Merekeskkonna jaoks tuleb see tõsta tasemele AA20 (paksus 20–25 μm), mida peetakse rannikualade päikeseenergiaprojektide kohustuslikuks merestandardiks. Raami anodeeritud kihi uuendamine AA10-lt AA20-le parandab märkimisväärselt korrosioonikindlust ja suurendab konstruktsiooni töökindlust pikaajalisel kokkupuutel. Tsink-magneesium-alumiiniumterasest katted on samuti sertifitseeritud kasutamiseks C5-M merekeskkonnas, kuna 3% magneesiumisisaldus kaitseb korrosiooni eest palju tõhusamalt kui madalama magneesiumisisaldusega pinnakatted.
Iseparanevad ja -UV-vastased komposiitkatted
Hiljutised edusammud katmistehnoloogias on kaasanud{0}}mere PV-seadmete iseparanemisvõimalused. Sünergilise elektriketruse ja elektripihustamise teel valmistatud komposiitkate näitas, et soola-pihustuskatse ajal oli korrodeerunud ala oluliselt väiksem kui tooriku epoksükatte puhul, kusjuures elektrokeemiline takistus ületas tooriku epoksiidi oma kahe suurusjärgu võrra. Kahjustatud piirkondade iseparanemine saavutati lühikese aja jooksul ning pärast 300-tunnist kiirendatud vananemiskatset säilitas kate oma füüsikalis-keemilised omadused ja kaitsevõime.
Konstruktsioonide korrosioon ja mehaaniline mõju
Lisaks PV-moodulile seisavad avamere ujuvate PV-süsteemide konstruktsioonikomponendid silmitsi tõsiste korrosiooniprobleemidega. Merekorrosioon vähendab kriitiliste T-liidete koormus-kandevõimet ligikaudu 33–45%. Jäikuse vähenemine ulatub kuni 59,76%, samal ajal kui energia hajumise võime väheneb 54,6% võrra 62,5% -ni. Kuid modifitseeritud epoksü-klaasist-helbekatted ja grafeentsinkkatted kaitsevad tõhusalt T-liideid, säilitades peaaegu muutumatu kandevõime ilma katte purunemiseta.
Majanduslikud tagajärjed
Korrosioonikulu mere PV-seadmetes on märkimisväärne. Florida Atlandi ookeani rannikust 200 meetri kaugusel asuv 5 MW päikesepark langes esimesel aastal 5% ja hoolduskulud ulatusid 15 000 dollarini MW kohta aastas. Õiged korrosioonikindlad-spetsifikatsioonid lisavad 5–10% esialgsele--materjalikuludele-ligikaudu 2–4 dollarit mooduli kohta{15}}, kuid see lisatasu tasub end ära, vältides raami korrosiooni, mis muidu nõuaks mooduli täielikku väljavahetamist. Hiinas hinnatakse{17}}tööstust hõlmavateks korrosioonikuludeks 4 triljonit jüaani, mis moodustab 3,34% SKTst, samal ajal kui tõhus korrosioonikaitse suudab katta 25–40% neist kahjudest.
Järeldus
Mereveest põhjustatud korrosioon on üks olulisi raskusi, millega kiiresti arenev avamere ja rannikualade fotogalvaaniline turg silmitsi seisab. Probleemi olemuse selgitamiseks on rohkem kui üks viis. Siin on näha erinevat tüüpi lagunemist - klaasi korrosioon, seadme metallosadele mõjuvad elektrokeemilised protsessid, kapseldava materjali nõrgenemine kui ka seadme enda struktuuri nõrgenemine. Tööstus vastab väljakutsele, töötades välja uusi kaitsetehnoloogiaid, mis kasutavad mitmekihilisi klaaskatteid ja metallkestade täiustatud anodeerimist. Tööstust abistavad korrosioonikatsetuste tegemisel rahvusvahelised standardid, nagu IEC 61701. Kuna avamereprojektide maht kasvab, muutub usaldusväärse ja odava korrosioonikaitse pakkumine päikeseenergiajaamade tõhususe seisukohalt ülioluliseks.
