Uvod
Globalni pritisak ka obnovljivoj energiji doveo je do brzog širenja fotonaponskih (PV) instalacija u priobalnim i priobalnim okruženjima. Plutajući PV kapacitet širom svijeta dostigao je približno 5,9 GW do kraja 2023. i predviđa se da će premašiti 10 GW do 2030. PV na moru nudi jasne prednosti u odnosu na kopnene{5}}sisteme, uključujući izbjegavanje ograničenja upotrebe zemljišta-i veće prinose energije zbog rashladnog efekta vode na panele. Međutim, morska voda uvodi skup mehanizama degradacije koji u osnovi ugrožavaju trajnost i performanse solarnih modula na načine na koje se kopnene instalacije rijetko susreću.
Mehanizmi degradacije{0}}indukovane morskom vodom
Korozija stakla i optički gubici
Prednje pokrovno staklo fotonaponskog modula je prva barijera izložena morskoj vodi. Eksperimentalne studije su pokazale da se nakon 98 dana potapanja u simuliranoj morskoj vodi, propusnost PV stakla smanjuje sa 91,46% na 70,35%-što je gubitak od preko 21 procentni poen. Ova dramatična optička degradacija je vođena uzastopnim procesom taloženja: prvo se formiraju slojevi magnezijeve-soli i ubrzavaju lokalnu koroziju površine stakla, a zatim slojevi kalcijum{8}}soli koji, zajedno sa tekućim otapanjem stakla, dodatno pogoršavaju optičke gubitke i smanjuju izlaz modula.
Elektrohemijska korozija metalnih komponenti
Morska voda je bogata jonskim vrstama-Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-čija adsorpcija ili prodiranje u modul pokreće procese elektrohemijske korozije. Metalne elektrode, posebno srebrne (Ag) i bakrene (Cu), vrlo su podložne potencijalnim pomacima i ionskoj difuziji, što oboje ugrožava dugoročnu-stabilnost. U primorskim regijama, primarni način kvara je elektrohemijska i galvanska korozija koja se javlja na metalnim kontaktima i zavarenim spojevima, jer infiltracija vlage u panel ubrzava oksidaciju metalnih kontakata i degradaciju materijala za kapsuliranje.
Posebno vidljiva manifestacija ovog procesa je stvaranje tamnih linija ili vodenih tragova na površinama modula. Vlaga-napunjena solima pruža elektrolitsko okruženje za elektrohemijske reakcije na srebrnoj pasti koja se koristi u metalizaciji solarnih ćelija, što dovodi do stvaranja srebrnog oksida koji se pojavljuje kao vidljive crne linije, degradirajući i izgled modula i električne performanse.
Ranjivost inkapsulatora i razvodne kutije
Dugo izlaganje vlazi od soli dovodi do korozije važnih dijelova modula poput okvira, razvodnih kutija i staklenih površina što dovodi do smanjenja performansi i skraćivanja vijeka trajanja modula. Ako se u razvodnu kutiju, terminal ili pretvarač infiltrira solna magla ili para, na kraju zarđa zbog naslaga. Stoga, razvodne kutije za pomorsku primjenu trebaju biti zaštićene IP68 kako bi bile otporne na sol i vlagu.
Ubrzane stope degradacije
Terenska zapažanja bifacijalnih modula u obalnim uslovima pokazuju efektivne godišnje stope degradacije između približno 0,36% i 0,75% godišnje za dobro-inkapsulirane module. Međutim, akumulacija soli na fotonaponskim modulima na moru ubrzava stopu degradacije za dodatnih 0,05% do 0,13%, potencijalno smanjujući vijek trajanja modula za 3 do 5 godina. U ekstremnim slučajevima sa loše dizajniranom enkapsulacijom, degradacija izazvana potencijalom-stražnje strane{10}}prouzročila je lokalizovane gubitke{11}}napona na stražnjoj strani preko 30%.
Standardi za ispitivanje industrije
Primarni međunarodni standard koji reguliše otpornost na koroziju slanom maglom je IEC 61701, koji opisuje sekvence ispitivanja za određivanje otpornosti PV modula na koroziju od slane magle koja sadrži hloridna jedinjenja kao što su NaCl i MgCl₂. Najstroži nivo testiranja-Nivo 6-uključuje osam ciklusa testiranja tokom 56 dana. Svaki 7-dnevni ciklus sastoji se od četiri faze slanog spreja u trajanju od dva sata na 35 stepeni sa 93% vlažnosti, nakon čega sledi skladištenje na 40 stepeni sa kontrolisanom vlažnošću. Ovaj rigorozni protokol procjenjuje degradaciju izlazne snage, kontinuitet uzemljenja, vlažnu struju curenja, otpor izolacije i izgled.
Treće izdanje IEC 61701, izdato 2020. godine, uvelo je važna ažuriranja: metode ispitivanja su sažete i usklađene s novim izdanjima IEC 61215 i IEC 61730, a dodat je i normativni aneks koji vodi koje se metode ispitivanja primjenjuju na različite aplikacije. Neki proizvođači su dobrovoljno premašili zahtjeve standarda, provodeći ciklične testove slane magle do 168 dana-tri puta duže od najvišeg standardnog nivoa-i postigavši gubitak snage od samo 1%.
Strategije ublažavanja i zaštite
Napredni premazi za staklo
Vodeći PV proizvođači razvili su specijalizirane staklene premaze za morska okruženja. Jedan značajan pristup koristi gust osnovni sloj SiO₂ u kombinaciji sa površinskim slojem visoke{1}}propustljivosti anti-refleksije; osnovni sloj efikasno blokira prodiranje vodene pare i jona hlorida, dok površinski sloj pruža sposobnost samočišćenja i održava propusnost iznad 94%. Takvi moduli su prošli ispitivanje IEC 61701 slane magle na nivou 8, što daleko premašuje konvencionalne zahtjeve. Pokazalo se da integrirani zaštitni proces koji kombinuje kaljenu podlogu, dvoslojni nano{{10} premaz, taloženje atomskog sloja, superhidrofobno samočišćenje-i brtvljenje rubova produžava vijek trajanja modula preko 25 godina, sa dvostrukim-slojnim staklom obloženim staklom koje pokazuje toleranciju od 0 sati na prskanje soli.
Zaštita okvira i konstrukcija
Aluminijski okviri standardnih zemaljskih PV modula su tipično anodizirani prema AA10 specifikaciji. Za morska okruženja, ovo se mora nadograditi na AA20 (debljina 20–25 μm), što se smatra obaveznim standardom morskog-klase za obalne solarne projekte. Nadogradnja anodiziranog sloja okvira sa AA10 na AA20 dramatično poboljšava otpornost na koroziju i povećava pouzdanost konstrukcije pri produženom izlaganju. Cink-magnezijum-aluminijumski čelični premazi također su certificirani za upotrebu u C5-M morskim okruženjima, sa sadržajem magnezija od 3% koji pruža daleko efikasniju odbranu od korozije od premaza sa nižim sadržajem magnezija.
Kompozitni premazi koji se samo-zacjeljuju i protiv-UV zraka
Nedavni napredak u tehnologiji premaza uveo je-mogućnosti samoizlječenja za pomonsku PV opremu. Kompozitni premaz proizveden sinergističkim elektrospinovanjem i elektrosprejanjem pokazao je da je, tokom testiranja slanim-sprejom, korodirana površina bila znatno manja nego na slijepim epoksidnim premazima, s elektrohemijskom impedancijom slijepog epoksida za dva reda veličine. Samozacjeljivanje oštećenih područja obavljeno je u kratkom periodu, a nakon 300-satnog testa ubrzanog starenja, premaz je zadržao svoja fizičko-hemijska svojstva i zaštitna svojstva.
Strukturna korozija i mehanički uticaj
Osim samog fotonaponskog modula, strukturne komponente plutajućih fotonaponskih sistema na moru suočavaju se sa ozbiljnim izazovima korozije. Korozija na moru smanjuje nosivost-kapaciteta kritičnih T- spojeva za otprilike 33% do 45%. Degradacija krutosti doseže do 59,76%, dok se kapacitet disipacije energije smanjuje za 54,6% na 62,5%. Međutim, modificirani epoksidni-stakleni-ljusavi premazi i grafen cink premazi efikasno štite T-spojeve, održavajući gotovo nepromijenjenu nosivost{13}}bez kvara premaza.
Ekonomske implikacije
Trošak korozije u morskim fotonaponskim instalacijama je značajan. Solarna farma od 5 MW koja se nalazi 200 metara od atlantske obale Floride pretrpjela je pad efikasnosti od 5% u svojoj prvoj godini, s troškovima održavanja koji su dostigli 15.000 USD po MW godišnje. Odgovarajuća specifikacija otpornosti na koroziju dodaje 5-10% na prethodnu računicu--troškova materijala-otprilike 2-4 USD po modulu-ali ova premija se isplati sprečavanjem korozije okvira koja bi inače zahtijevala potpunu zamjenu modula. U Kini su{17}}troškovi korozije u cijeloj industriji procijenjeni na 4 triliona juana, što čini 3,34% BDP-a, dok efikasna zaštita od korozije može nadoknaditi 25% do 40% ovih gubitaka.
Zaključak
Korozija uzrokovana morskom vodom jedna je od značajnih poteškoća s kojima se suočava brzo razvijajuće tržište fotonaponskih uređaja na moru i priobalju. Postoji više od jednog načina da se objasni priroda problema. Ovdje se vide različite vrste degradacije - korozija stakla, elektrohemijski procesi koji djeluju na metalne dijelove uređaja, slabljenje kapsulirajućeg materijala kao i slabljenje strukture samog uređaja. Industrija se suočava sa izazovom razvojem novih tehnologija zaštite koristeći više-slojne staklene obloge i naprednu anodizaciju za metalna kućišta. Industriji pomažu međunarodni standardi u ispitivanju korozije kao što je IEC 61701. Kako se obim projekata na moru povećava, pružanje pouzdane, jeftine zaštite od korozije postaje ključno za efikasnost solarnih energetskih postrojenja.
