Εισαγωγή
Η παγκόσμια ώθηση προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει οδηγήσει σε μια ταχεία επέκταση των φωτοβολταϊκών (ΦΒ) εγκαταστάσεων σε παράκτια και υπεράκτια περιβάλλοντα. Η πλωτή ισχύς Φ/Β παγκοσμίως έφτασε τα 5,9 GW περίπου μέχρι το τέλος του 2023 και προβλέπεται να ξεπεράσει τα 10 GW έως το 2030. Τα υπεράκτια Φ/Β προσφέρουν ξεχωριστά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα χερσαία-συστήματα, συμπεριλαμβανομένης της αποφυγής περιορισμών χρήσης της ξηράς{6} και των υψηλότερων ενεργειακών αποδόσεων λόγω της επίδρασης ψύξης του νερού στα πάνελ. Ωστόσο, το θαλασσινό νερό εισάγει ένα σύνολο μηχανισμών υποβάθμισης που απειλούν θεμελιωδώς την ανθεκτικότητα και την απόδοση των ηλιακών μονάδων με τρόπους που σπάνια συναντούν οι επίγειες εγκαταστάσεις.
Μηχανισμοί θαλασσινού νερού-Προκαλούμενη αποικοδόμηση
Διάβρωση γυαλιού και οπτικές απώλειες
Το μπροστινό καπάκι μιας φωτοβολταϊκής μονάδας είναι το πρώτο εμπόδιο που εκτίθεται στο θαλασσινό νερό. Πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι μετά από 98 ημέρες βύθισης σε προσομοιωμένο θαλασσινό νερό, η μετάδοση του φωτοβολταϊκού γυαλιού μειώνεται από 91,46% σε 70,35%-μια απώλεια άνω των 21 ποσοστιαίων μονάδων. Αυτή η δραματική οπτική υποβάθμιση προκαλείται από μια διαδοχική διαδικασία εναπόθεσης: πρώτα σχηματίζονται στρώματα άλατος μαγνησίου και επιταχύνουν την τοπική διάβρωση της γυάλινης επιφάνειας, ακολουθούμενα από επιστρώσεις ασβεστίου-αλατιού που, μαζί με τη συνεχιζόμενη διάλυση γυαλιού, επιδεινώνουν περαιτέρω τις οπτικές απώλειες και μειώνουν την παραγωγή της μονάδας.
Ηλεκτροχημική διάβρωση μεταλλικών εξαρτημάτων
Το θαλασσινό νερό είναι πλούσιο σε ιοντικά είδη-Na⁺, Cl-, Mg²+, SO42--των οποίων η προσρόφηση ή η διείσδυση στο δομοστοιχείο εκκινεί διεργασίες ηλεκτροχημικής διάβρωσης. Τα μεταλλικά ηλεκτρόδια, ιδιαίτερα ο άργυρος (Ag) και ο χαλκός (Cu), είναι πολύ ευαίσθητα σε μετατοπίσεις δυναμικού και διάχυση ιόντων, τα οποία και τα δύο θέτουν σε κίνδυνο τη μακροπρόθεσμη- σταθερότητα. Στις παράκτιες περιοχές, ο κύριος τρόπος αστοχίας είναι η ηλεκτροχημική και γαλβανική διάβρωση που συμβαίνει σε μεταλλικές επαφές και συγκολλήσεις, καθώς η διείσδυση υγρασίας στο πάνελ επιταχύνει την οξείδωση των μεταλλικών επαφών και την αποικοδόμηση των υλικών ενθυλάκωσης.
Μια ιδιαίτερα ορατή εκδήλωση αυτής της διαδικασίας είναι ο σχηματισμός σκοτεινών γραμμών ή υδάτινων σημαδιών στις επιφάνειες των μονάδων. Η υγρασία-φορτωμένη με αλάτι παρέχει ένα περιβάλλον ηλεκτρολυτών για ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στην πάστα αργύρου που χρησιμοποιείται στην επιμετάλλωση ηλιακών στοιχείων, οδηγώντας στο σχηματισμό οξειδίου του αργύρου που εμφανίζεται ως ορατές μαύρες γραμμές, υποβαθμίζοντας τόσο την εμφάνιση όσο και την ηλεκτρική απόδοση της μονάδας.
Ευπάθεια Encapsulant και Junction Box
Η παρατεταμένη έκθεση στην υγρασία από το αλάτι οδηγεί στη διάβρωση σημαντικών εξαρτημάτων της μονάδας, όπως κουφώματα, κουτιά διακλάδωσης και γυάλινες επιφάνειες, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της απόδοσης και μείωση της διάρκειας ζωής της μονάδας. Εάν ένα κιβώτιο διανομής, ένας ακροδέκτης ή ένας μετατροπέας διεισδύσει από αλατομίχλη ή ατμό, τελικά σκουριάζει λόγω των εναποθέσεων. Επομένως, τα κουτιά διακλάδωσης για εφαρμογές στη θάλασσα θα πρέπει να είναι σφραγισμένα με IP68 για να είναι ανθεκτικά στο άλας και την υγρασία.
Επιταχυνόμενοι ρυθμοί υποβάθμισης
Οι επιτόπιες παρατηρήσεις μονάδων διπλής όψης υπό παράκτιες συνθήκες αναφέρουν αποτελεσματικούς ετήσιους ρυθμούς υποβάθμισης μεταξύ περίπου 0,36% και 0,75% ετησίως για καλά-ενθυλακωμένες μονάδες. Ωστόσο, η συσσώρευση αλατιού σε υπεράκτιες φωτοβολταϊκές μονάδες επιταχύνει το ποσοστό υποβάθμισης κατά 0,05% έως 0,13% επιπλέον, μειώνοντας πιθανώς τη διάρκεια ζωής της μονάδας κατά 3 έως 5 χρόνια. Σε ακραίες περιπτώσεις με κακοσχεδιασμένη ενθυλάκωση, η οπίσθια-προκαλούμενη υποβάθμιση{10}}του πλευρικού δυναμικού έχει προκαλέσει εντοπισμένες απώλειες ισχύος που υπερβαίνουν το 30%.
Πρότυπα δοκιμών βιομηχανίας
Το κύριο διεθνές πρότυπο που διέπει την αντίσταση στη διάβρωση αλατομίχλης είναι το IEC 61701, το οποίο περιγράφει ακολουθίες δοκιμών για τον προσδιορισμό της αντίστασης των φωτοβολταϊκών μονάδων στη διάβρωση από το νέφος άλατος που περιέχει ενώσεις χλωρίου όπως NaCl και MgCl2. Το πιο σοβαρό επίπεδο δοκιμής-Επίπεδο 6-περιλαμβάνει οκτώ κύκλους δοκιμής σε 56 ημέρες. Κάθε κύκλος 7 ημερών αποτελείται από τέσσερα στάδια ψεκασμού με αλάτι που διαρκεί δύο ώρες στους 35 βαθμούς με 93% υγρασία, ακολουθούμενη από αποθήκευση στους 40 βαθμούς με ελεγχόμενη υγρασία. Αυτό το αυστηρό πρωτόκολλο αξιολογεί την υποβάθμιση της ισχύος εξόδου, τη συνέχεια του εδάφους, το υγρό ρεύμα διαρροής, την αντίσταση μόνωσης και την εμφάνιση.
Η τρίτη έκδοση του IEC 61701, που εκδόθηκε το 2020, εισήγαγε σημαντικές ενημερώσεις: οι μέθοδοι δοκιμής συμπυκνώθηκαν και ευθυγραμμίστηκαν με τις νέες εκδόσεις του IEC 61215 και IEC 61730 και προστέθηκε ένα κανονιστικό παράρτημα για να καθοδηγήσει ποιες μέθοδοι δοκιμής ισχύουν για διαφορετικές εφαρμογές. Ορισμένοι κατασκευαστές έχουν οικειοθελώς υπερβεί τις απαιτήσεις του προτύπου, πραγματοποιώντας δοκιμές ανακύκλωσης αλατομίχλης για έως και 168 ημέρες-τρεις φορές τη διάρκεια του υψηλότερου προτύπου επιπέδου-και επιτυγχάνοντας απώλεια ισχύος μόνο 1%.
Στρατηγικές Μετριασμού και Προστασίας
Προηγμένες Επιστρώσεις Γυαλιού
Οι κορυφαίοι κατασκευαστές φωτοβολταϊκών έχουν αναπτύξει εξειδικευμένες επιστρώσεις γυαλιού για θαλάσσια περιβάλλοντα. Μια αξιοσημείωτη προσέγγιση χρησιμοποιεί ένα πυκνό βασικό στρώμα SiO2 σε συνδυασμό με ένα αντιανακλαστικό επιφανειακό στρώμα υψηλής-διαπερατότητας. το βασικό στρώμα εμποδίζει αποτελεσματικά τη διείσδυση υδρατμών και ιόντων χλωρίου, ενώ το επιφανειακό στρώμα παρέχει ικανότητα αυτοκαθαρισμού και διατηρεί τη διαπερατότητα πάνω από 94%. Τέτοιες μονάδες έχουν περάσει τη δοκιμή IEC 61701 salt mist Επίπεδο 8, υπερβαίνοντας κατά πολύ τις συμβατικές απαιτήσεις. Έχει αποδειχθεί ότι μια ολοκληρωμένη διαδικασία προστασίας που συνδυάζει σκληρυμένο υπόστρωμα,-νανο{10}}διπλής στρώσης επίστρωση, εναπόθεση ατομικής στρώσης, υπερυδρόφοβο αυτοκαθαρισμό και σφράγιση άκρων, παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μονάδας πέραν των 25 ετών, με διπλή-επικάλυψη γυαλιού 1 έως 10 ώρες ψεκασμού αλατιού.
Πλαίσιο και δομική προστασία
Τα κουφώματα αλουμινίου των τυπικών επίγειων φωτοβολταϊκών μονάδων είναι συνήθως ανοδιωμένα σύμφωνα με τις προδιαγραφές AA10. Για θαλάσσια περιβάλλοντα, αυτό πρέπει να αναβαθμιστεί σε AA20 (πάχος 20–25 μm), το οποίο θεωρείται το υποχρεωτικό πρότυπο θαλάσσιας-βαθμίδας για παράκτια ηλιακά έργα. Η αναβάθμιση του ανοδιωμένου στρώματος του πλαισίου από AA10 σε AA20 βελτιώνει δραματικά την αντοχή στη διάβρωση και ενισχύει τη δομική αξιοπιστία υπό παρατεταμένη έκθεση. Οι επικαλύψεις από ψευδάργυρο{10}}μαγνήσιο-αλουμινίου από χάλυβα έχουν επίσης πιστοποιηθεί για χρήση σε θαλάσσια περιβάλλοντα C5-M, με την περιεκτικότητα σε μαγνήσιο 3% να παρέχει πολύ πιο αποτελεσματική άμυνα κατά της διάβρωσης από τις επικαλύψεις με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε μαγνήσιο.
Αυτο{0}}Αυτοθεραπευτικές και αντι-Σύνθετες επικαλύψεις UV
Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία επίστρωσης έχουν εισαγάγει δυνατότητες αυτο-επούλωσης για φωτοβολταϊκό εξοπλισμό θαλάσσης. Μια σύνθετη επίστρωση που κατασκευάστηκε μέσω συνεργιστικής ηλεκτροϊνοποίησης και ηλεκτροψεκασμού έδειξε ότι, κατά τη διάρκεια δοκιμής ψεκασμού άλατος-, η διαβρωμένη περιοχή ήταν ουσιαστικά μικρότερη από ό,τι στις κενές εποξειδικές επιστρώσεις, με την ηλεκτροχημική αντίσταση να υπερβαίνει αυτή του τυφλού εποξειδικού κατά δύο τάξεις μεγέθους. Η αυτο-επούλωση των κατεστραμμένων περιοχών ολοκληρώθηκε σε σύντομο χρονικό διάστημα και μετά από μια δοκιμή επιταχυνόμενης γήρανσης 300 ωρών, η επίστρωση διατήρησε τις φυσικοχημικές της ιδιότητες και την προστατευτική της απόδοση.
Δομική διάβρωση και μηχανική κρούση
Πέρα από την ίδια τη Φ/Β μονάδα, τα δομικά στοιχεία των υπεράκτιων πλωτών φωτοβολταϊκών συστημάτων αντιμετωπίζουν σοβαρές προκλήσεις διάβρωσης. Η θαλάσσια διάβρωση μειώνει τη φέρουσα ικανότητα-των κρίσιμων Τ-αρμών κατά περίπου 33% έως 45%. Η υποβάθμιση της ακαμψίας φτάνει έως και το 59,76%, ενώ η ικανότητα απαγωγής ενέργειας μειώνεται κατά 54,6% σε 62,5%. Ωστόσο, οι τροποποιημένες εποξειδικές{10}}επικαλύψεις νιφάδων-γυαλιού και οι επικαλύψεις ψευδαργύρου γραφενίου προστατεύουν αποτελεσματικά τις αρθρώσεις Τ{12}, διατηρώντας σχεδόν αμετάβλητη τη φέρουσα ικανότητα-χωρίς αστοχία επίστρωσης.
Οικονομικές Επιπτώσεις
Το κόστος της διάβρωσης στις θαλάσσιες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις είναι σημαντικό. Ένα ηλιακό πάρκο 5 MW που βρίσκεται 200 μέτρα από τις ακτές του Ατλαντικού της Φλόριντα υπέστη πτώση απόδοσης 5% τον πρώτο χρόνο, με το κόστος συντήρησης να φτάνει τα 15.000 $ ανά MW ετησίως. Οι κατάλληλες προδιαγραφές ανθεκτικές στη διάβρωση προσθέτουν 5–10% στο εκ των προτέρων κόστος-των{{11}υλικών-περίπου 2–4 $ ανά μονάδα-αλλά αυτό το ασφάλιστρο πληρώνεται από μόνο του αποτρέποντας τη διάβρωση του πλαισίου που διαφορετικά θα απαιτούσε πλήρη αντικατάσταση της μονάδας. Στην Κίνα, το{17}}ευρύ κόστος διάβρωσης της βιομηχανίας έχει υπολογιστεί σε 4 τρισεκατομμύρια γιουάν, που αντιπροσωπεύει το 3,34% του ΑΕΠ, ενώ η αποτελεσματική προστασία από τη διάβρωση μπορεί να ανακτήσει το 25% έως το 40% αυτών των απωλειών.
Σύναψη
Η διάβρωση λόγω του θαλασσινού νερού είναι μία από τις σημαντικές δυσκολίες που αντιμετωπίζει η ταχέως εξελισσόμενη υπεράκτια και παράκτια αγορά φωτοβολταϊκών. Υπάρχουν περισσότεροι από ένας τρόποι για να εξηγηθεί η φύση του προβλήματος. Διαφορετικοί τύποι υποβάθμισης παρατηρούνται εδώ - διάβρωση γυαλιού, ηλεκτροχημικές διεργασίες που δρουν σε μεταλλικά μέρη της συσκευής, εξασθένηση του υλικού ενθυλάκωσης καθώς και αποδυνάμωση της δομής της ίδιας της συσκευής. Η βιομηχανία ανταποκρίνεται στην πρόκληση αναπτύσσοντας νέες τεχνολογίες προστασίας χρησιμοποιώντας επιστρώσεις υάλου πολλαπλών{4}}στρώσεων και προηγμένη ανοδίωση για τα μεταλλικά περιβλήματα. Η βιομηχανία υποστηρίζεται από διεθνή πρότυπα στις δοκιμές διάβρωσης όπως το IEC 61701. Καθώς ο όγκος των υπεράκτιων έργων αυξάνεται, η παροχή αξιόπιστης, φθηνής αντιδιαβρωτικής προστασίας καθίσταται κρίσιμη για την αποτελεσματικότητα των μονάδων ηλιακής ενέργειας.
