خوردگی پنل‌های خورشیدی از آب دریا: مکانیسم‌ها، استانداردهای آزمایش و استراتژی‌های کاهش

مقدمه

فشار جهانی به سمت انرژی های تجدیدپذیر باعث گسترش سریع تاسیسات فتوولتائیک (PV) در محیط های ساحلی و فراساحلی شده است. ظرفیت PV شناور در سراسر جهان تا پایان سال 2023 به حدود 5.9 گیگاوات رسید و پیش بینی می شود تا سال 2030 از 10 گیگاوات فراتر رود. PV فراساحلی مزایای مشخصی را نسبت به سیستم‌های{5}مستقر در زمین، از جمله اجتناب از محدودیت‌های استفاده از زمین{6}}و بازده انرژی بالاتر به دلیل تأثیر خنک‌کننده آب بر روی پانل‌ها، ارائه می‌کند. با این حال، آب دریا مجموعه‌ای از مکانیسم‌های تخریب را معرفی می‌کند که اساساً دوام و عملکرد ماژول‌های خورشیدی را به گونه‌ای که تأسیسات زمینی به ندرت با آن مواجه می‌شوند، تهدید می‌کند.

مکانیسم‌های آب دریا{0}}تخریب القایی

خوردگی شیشه و تلفات نوری

شیشه پوشش جلویی یک ماژول PV اولین مانعی است که در معرض آب دریا قرار می گیرد. مطالعات تجربی نشان داده است که پس از 98 روز غوطه ور شدن در آب دریا شبیه سازی شده، ضریب عبور شیشه PV از 91.46٪ به 70.35٪ کاهش می یابد که بیش از 21 درصد کاهش می یابد. این تخریب چشمگیر نوری توسط یک فرآیند رسوب متوالی انجام می‌شود: ابتدا لایه‌های منیزیم-نمک تشکیل می‌شوند و خوردگی موضعی سطح شیشه را تسریع می‌کنند و به دنبال آن لایه‌های نمکی کلسیم- که همراه با انحلال مداوم شیشه، تلفات نوری را تشدید می‌کنند و خروجی ماژول را کاهش می‌دهند.

خوردگی الکتروشیمیایی اجزای فلزی

آب دریا سرشار از گونه‌های یونی-Na+، Cl-، Mg²+، SO42--است که جذب یا نفوذ آنها به ماژول فرآیندهای خوردگی الکتروشیمیایی را آغاز می‌کند. الکترودهای فلزی، به ویژه نقره (Ag) و مس (مس)، به شدت در برابر تغییرات پتانسیل و انتشار یون حساس هستند، که هر دو پایداری طولانی مدت را به خطر می اندازند. در مناطق ساحلی، حالت شکست اولیه، خوردگی الکتروشیمیایی و گالوانیکی است که در تماس‌ها و جوش‌های فلزی رخ می‌دهد، زیرا نفوذ رطوبت به پانل باعث تسریع اکسیداسیون کنتاکت‌های فلزی و تخریب مواد کپسول‌کننده می‌شود.

یک تجلی خاص این فرآیند، تشکیل خطوط تیره یا علائم آب بر روی سطوح ماژول است. رطوبت مملو از نمک، محیط الکترولیتی را برای واکنش‌های الکتروشیمیایی روی خمیر نقره‌ای که در متالیزاسیون سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود، فراهم می‌کند، که منجر به تشکیل اکسید نقره می‌شود که به صورت خطوط مشکی مرئی ظاهر می‌شود و ظاهر و عملکرد الکتریکی ماژول را کاهش می‌دهد.

آسیب پذیری محصور کننده و جعبه اتصال

قرار گرفتن طولانی مدت در معرض رطوبت نمک منجر به خوردگی قطعات مهم ماژول مانند قاب ها، جعبه های اتصال و سطوح شیشه ای می شود که منجر به کاهش عملکرد و کوتاه شدن عمر ماژول می شود. اگر یک جعبه توزیع، پایانه یا اینورتر توسط غبار نمک یا بخار نفوذ کند، در نهایت به دلیل رسوبات زنگ می‌زند. بنابراین، جعبه های اتصال برای کاربردهای دریایی باید دارای آب بندی IP68 باشند تا در برابر نمک و رطوبت مقاوم باشند.

نرخ های تخریب تسریع شده

مشاهدات میدانی ماژول های دو وجهی تحت شرایط ساحلی، نرخ تخریب سالانه موثر بین تقریباً 0.36٪ و 0.75٪ در سال را برای ماژول های خوب کپسوله شده گزارش می کند. با این حال، انباشت نمک در ماژول‌های PV فراساحلی سرعت تخریب را 0.05% تا 0.13% افزایش می‌دهد و به طور بالقوه عمر ماژول را 3 تا 5 سال کاهش می‌دهد. در موارد شدید با کپسوله‌سازی نامناسب،-پتانسیل جانبی{10}}تخریب ناشی از عقب{10}} باعث تلفات محلی برگشتی{11}}بیش از 30 درصد شده است.

استانداردهای تست صنعت

استاندارد بین‌المللی اولیه حاکم بر مقاومت در برابر خوردگی غبار نمکی IEC 61701 است که توالی‌های آزمایشی را برای تعیین مقاومت ماژول‌های PV در برابر خوردگی ناشی از مه نمکی حاوی ترکیبات کلریدی مانند NaCl و MgCl2 توصیف می‌کند. شدیدترین سطح آزمایش-سطح 6 شامل هشت چرخه آزمایش در طول 56 روز است. هر چرخه 7 روزه شامل چهار مرحله نمک پاشی به مدت دو ساعت در دمای 35 درجه با رطوبت 93 درصد و به دنبال آن ذخیره سازی در دمای 40 درجه با رطوبت کنترل شده است. این پروتکل دقیق، کاهش توان خروجی، تداوم زمین، جریان نشت مرطوب، مقاومت عایق و ظاهر را ارزیابی می‌کند.

ویرایش سوم IEC 61701 که در سال 2020 منتشر شد، به‌روزرسانی‌های مهمی را معرفی کرد: روش‌های آزمایش فشرده شده و با ویرایش‌های جدید IEC 61215 و IEC 61730 هماهنگ شدند، و یک ضمیمه هنجاری برای راهنمایی روش‌های آزمایش برای کاربردهای مختلف اضافه شد. برخی از تولیدکنندگان داوطلبانه از الزامات استاندارد فراتر رفته‌اند و آزمایش‌های چرخه غبار نمکی را تا 168 روز انجام داده‌اند-سه برابر مدت زمان بالاترین سطح استاندارد-و تنها 1% از دست داده‌اند.

راهبردهای کاهش و حفاظت

پوشش های شیشه ای پیشرفته

تولید کنندگان پیشرو PV پوشش های شیشه ای تخصصی را برای محیط های دریایی توسعه داده اند. یکی از رویکردهای قابل توجه، از یک لایه پایه متراکم SiO2 همراه با یک لایه سطحی-ضد انعکاس-بالا استفاده می‌کند. لایه پایه به طور موثری از نفوذ بخار آب و یون کلرید جلوگیری می کند در حالی که لایه سطحی قابلیت خود تمیز کردن را فراهم می کند و انتقال را بالای 94٪ حفظ می کند. چنین ماژول‌هایی آزمایش IEC 61701 salt mist Level 8 را پشت سر گذاشته‌اند که بسیار فراتر از الزامات مرسوم است. نشان داده شده است که یک فرآیند حفاظتی یکپارچه ترکیبی از زیرلایه‌های مقاوم،-روکش دولایه نانو{10}}، رسوب لایه اتمی، خود تمیز شوندگی فوق‌آبگریز، و آب‌بندی لبه‌ها، طول عمر ماژول را بیش از ۲۵ سال افزایش می‌دهد، با-روکش دو لایه شیشه‌ای 1 تا 10 ساعت پاشش نمک را نشان می‌دهد.

قاب و حفاظت سازه

قاب های آلومینیومی ماژول های PV استاندارد زمینی معمولاً مطابق با مشخصات AA10 آنودایز می شوند. برای محیط‌های دریایی، این باید به AA20 (ضخامت 20-25 میکرومتر) ارتقا یابد، که استاندارد درجه{5} اجباری دریایی برای پروژه‌های خورشیدی ساحلی در نظر گرفته می‌شود. ارتقاء لایه آنودایز شده قاب از AA10 به AA20 به طور چشمگیری مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد و قابلیت اطمینان ساختار را در مواجهه طولانی مدت افزایش می دهد. پوشش‌های فولاد آلومینیوم روی{10}}منیزیم{11}} نیز برای استفاده در محیط‌های دریایی C5-M تأیید شده‌اند، با محتوای 3 درصد منیزیم، دفاع بسیار مؤثرتری در برابر خوردگی نسبت به پوشش‌هایی با محتوای منیزیم پایین‌تر ارائه می‌کند.

پوشش های کامپوزیت خود{0}}خود ترمیمی و ضد- UV

پیشرفت‌های اخیر در فناوری پوشش، قابلیت‌های خود{0}ترمیمی را برای تجهیزات PV دریایی معرفی کرده است. یک پوشش کامپوزیت ساخته شده از طریق الکتروریسی و الکتروپاشی هم افزایی نشان داد که در طول آزمایش پاشش نمک، ناحیه خورده شده به طور قابل ملاحظه ای کوچکتر از پوشش های اپوکسی خالی بود، با امپدانس الکتروشیمیایی بیش از دو مرتبه بزرگی از امپدانس اپوکسی خالی. خود{4}}درمان نواحی آسیب دیده در مدت کوتاهی انجام شد و پس از 300 ساعت آزمایش پیری تسریع شده، پوشش خواص فیزیکوشیمیایی و عملکرد محافظتی خود را حفظ کرد.

خوردگی سازه و ضربه مکانیکی

فراتر از خود ماژول PV، اجزای ساختاری سیستم های PV شناور فراساحلی با چالش های خوردگی شدید روبرو هستند. خوردگی دریایی ظرفیت باربری مفاصل T بحرانی را حدود 33% تا 45% کاهش می دهد. تخریب سختی تا 59.76% می رسد، در حالی که ظرفیت اتلاف انرژی با 54.6% به 62.5% کاهش می یابد. با این حال، پوشش‌های{10}}شیشه‌ای{11}}اپوکسی اصلاح‌شده و روکش‌های روی گرافن به طور موثری از مفاصل T{12}} محافظت می‌کنند و تقریباً بدون تغییر ظرفیت باربری{13}}بدون خرابی پوشش حفظ می‌شوند.

پیامدهای اقتصادی

هزینه خوردگی در تاسیسات PV دریایی قابل توجه است. یک مزرعه خورشیدی 5 مگاواتی که در 200 متری سواحل اقیانوس اطلس فلوریدا واقع شده است، در سال اول با افت 5 درصدی راندمان مواجه شد و هزینه های نگهداری آن به 15000 دلار در هر مگاوات در سال می رسد. مشخصات مقاوم در برابر خوردگی{7}}5 تا 10% به هزینه اولیه{10}هزینه{11} مواد{12}}تقریباً 2 تا 4 دلار برای هر ماژول- اضافه می‌کند، اما این حق بیمه با جلوگیری از خوردگی قاب که در غیر این صورت نیاز به تعویض کامل ماژول دارد، هزینه خود را پرداخت می‌کند. در چین،{17}}هزینه‌های خوردگی گسترده صنعت 4 تریلیون یوان برآورد شده است که 3.34 درصد از تولید ناخالص داخلی را تشکیل می‌دهد، در حالی که حفاظت از خوردگی مؤثر می‌تواند 25 تا 40 درصد از این خسارات را جبران کند.

نتیجه گیری

خوردگی ناشی از آب دریا یکی از مشکلات مهمی است که بازار فتوولتائیک دریایی و ساحلی به سرعت در حال تحول با آن مواجه است. بیش از یک راه برای توضیح ماهیت مشکل وجود دارد. انواع مختلفی از تخریب در اینجا مشاهده می‌شود - خوردگی شیشه، فرآیندهای الکتروشیمیایی که بر روی قطعات فلزی دستگاه اثر می‌گذارند، ضعیف شدن مواد محصورکننده و همچنین تضعیف ساختار خود دستگاه. این صنعت با توسعه فناوری‌های حفاظتی جدید با استفاده از پوشش‌های شیشه‌ای چندلایه و آنودیزاسیون پیشرفته برای پوشش‌های فلزی، با این چالش روبرو می‌شود. این صنعت با استانداردهای بین‌المللی در تست خوردگی مانند IEC 61701 کمک می‌کند. با افزایش حجم پروژه‌های فراساحلی، ارائه حفاظت در برابر خوردگی قابل اعتماد و ارزان برای اثربخشی نیروگاه‌های انرژی خورشیدی بسیار مهم می‌شود.