การกัดกร่อนของน้ำทะเลของแผงโซลาร์เซลล์: กลไก มาตรฐานการทดสอบ และกลยุทธ์การบรรเทาผลกระทบ

การแนะนำ

การผลักดันทั่วโลกไปสู่พลังงานทดแทนได้ผลักดันให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วของการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) ในสภาพแวดล้อมชายฝั่งและนอกชายฝั่ง กำลังการผลิต PV แบบลอยตัวทั่วโลกสูงถึงประมาณ 5.9 GW ภายในสิ้นปี 2566 และคาดว่าจะเกิน 10 GW ภายในปี 2573 PV นอกชายฝั่งมีข้อได้เปรียบที่เหนือกว่าระบบบนบก- อย่างชัดเจน รวมถึงการหลีกเลี่ยงข้อจำกัด-การใช้ที่ดินและผลผลิตพลังงานที่สูงขึ้นเนื่องจากผลการระบายความร้อนของน้ำบนแผง อย่างไรก็ตาม น้ำทะเลทำให้เกิดกลไกการย่อยสลายชุดหนึ่งที่คุกคามความทนทานและประสิทธิภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์โดยพื้นฐานในลักษณะที่การติดตั้งภาคพื้นดินไม่ค่อยพบ

กลไกของน้ำทะเล-ที่เกิดจากการย่อยสลาย

การกัดกร่อนของกระจกและการสูญเสียทางแสง

กระจกฝาครอบด้านหน้าของโมดูล PV เป็นสิ่งกีดขวางแรกที่สัมผัสกับน้ำทะเล การศึกษาเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่าหลังจากแช่น้ำทะเลจำลองเป็นเวลา 98 วัน ค่าการส่งผ่านของกระจก PV จะลดลงจาก 91.46% เป็น 70.35%-ซึ่งสูญเสียไปมากกว่า 21 เปอร์เซ็นต์ การเสื่อมสภาพเชิงแสงอย่างมากนี้เกิดจากกระบวนการสะสมตามลำดับ: ชั้นเกลือแมกนีเซียม-ก่อตัวเป็นชั้นแรกและเร่งการกัดกร่อนเฉพาะที่ของพื้นผิวกระจก ตามด้วยเกลือแคลเซียม- ที่ทับซ้อนกัน ซึ่งเมื่อรวมกับการละลายของแก้วอย่างต่อเนื่อง จะยิ่งทำให้การสูญเสียทางแสงรุนแรงขึ้นอีก และลดเอาต์พุตของโมดูล

การกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าของส่วนประกอบโลหะ

น้ำทะเลอุดมไปด้วยไอออนิกสายพันธุ์-Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻- ซึ่งการดูดซับหรือการแทรกซึมเข้าไปในโมดูลจะทำให้เกิดกระบวนการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้า อิเล็กโทรดที่เป็นโลหะ โดยเฉพาะเงิน (Ag) และทองแดง (Cu) มีความไวสูงต่อการเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นและการแพร่กระจายของไอออน ซึ่งทั้งสองอย่างนี้กระทบต่อความเสถียร-ในระยะยาว ในพื้นที่ชายฝั่ง โหมดความล้มเหลวหลักคือการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าและกัลวานิกที่เกิดขึ้นที่หน้าสัมผัสโลหะและรอยเชื่อม เนื่องจากความชื้นที่แทรกซึมเข้าไปในแผงจะเร่งการเกิดออกซิเดชันของหน้าสัมผัสโลหะและการเสื่อมสภาพของวัสดุห่อหุ้ม

สิ่งที่เห็นได้ชัดเจนของกระบวนการนี้คือการก่อตัวของเส้นสีดำหรือรอยน้ำบนพื้นผิวโมดูล ความชื้นที่มีเกลือ-ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์สำหรับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าบนซิลเวอร์เพสต์ที่ใช้ในการทำให้เป็นโลหะของเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของซิลเวอร์ออกไซด์ที่ปรากฏเป็นเส้นสีดำที่มองเห็นได้ ซึ่งทำให้ทั้งรูปลักษณ์ของโมดูลและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าลดลง

ช่องโหว่ของ Encapsulant และ Junction Box

การได้รับความชื้นจากเกลือเป็นเวลานานทำให้เกิดการกัดกร่อนของชิ้นส่วนโมดูลที่สำคัญ เช่น กรอบ กล่องรวมสัญญาณ และพื้นผิวกระจก ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงและอายุการใช้งานโมดูลสั้นลง หากกล่องจ่ายไฟ เทอร์มินอล หรืออินเวอร์เตอร์ถูกละอองเกลือหรือไอระเหยเข้าไป มันจะเกิดสนิมเนื่องจากการสะสมตัวในที่สุด ดังนั้น กล่องรวมสัญญาณสำหรับการใช้งานทางทะเลควรได้รับการปิดผนึกระดับ IP68 เพื่อป้องกันเกลือและความชื้น

อัตราการย่อยสลายแบบเร่ง

การสังเกตการณ์ภาคสนามของโมดูลสองหน้าภายใต้สภาพชายฝั่งรายงานอัตราการย่อยสลายที่มีประสิทธิภาพต่อปีระหว่างประมาณ 0.36% ถึง 0.75% ต่อปีสำหรับโมดูลที่ห่อหุ้มอย่างดี- อย่างไรก็ตาม การสะสมเกลือบนโมดูล PV นอกชายฝั่งจะช่วยเร่งอัตราการย่อยสลายเพิ่มเติม 0.05% ถึง 0.13% ซึ่งอาจลดอายุการใช้งานของโมดูลลง 3 ถึง 5 ปี ในกรณีร้ายแรงที่มีการห่อหุ้มที่ออกแบบมาไม่ดี การเสื่อมสภาพ-ทางด้านหลัง{10}}ที่อาจเกิดขึ้นได้ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานด้านหลังเฉพาะที่เกิน 30%

มาตรฐานการทดสอบอุตสาหกรรม

มาตรฐานสากลหลักที่ใช้ควบคุมความต้านทานการกัดกร่อนของละอองเกลือคือ IEC 61701 ซึ่งอธิบายลำดับการทดสอบเพื่อตรวจสอบความต้านทานของโมดูล PV ต่อการกัดกร่อนจากละอองเกลือที่มีสารประกอบคลอไรด์ เช่น NaCl และ MgCl₂ ระดับการทดสอบที่รุนแรงที่สุด-ระดับ 6 ประกอบด้วยรอบการทดสอบแปดรอบในระยะเวลา 56 วัน แต่ละรอบ 7 วันประกอบด้วยสเปรย์เกลือ 4 ขั้นตอน ซึ่งกินเวลา 2 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 35 องศา โดยมีความชื้น 93% ตามด้วยการเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 40 องศา โดยมีความชื้นควบคุม โปรโตคอลที่เข้มงวดนี้จะประเมินการเสื่อมสภาพของกำลังไฟฟ้า ความต่อเนื่องของกราวด์ กระแสรั่วไหลแบบเปียก ความต้านทานของฉนวน และรูปลักษณ์

IEC 61701 ฉบับที่สามซึ่งออกในปี 2020 ได้แนะนำการอัปเดตที่สำคัญ: วิธีการทดสอบถูกย่อและสอดคล้องกับ IEC 61215 และ IEC 61730 ฉบับใหม่ และมีการเพิ่มภาคผนวกเชิงบรรทัดฐานเพื่อเป็นแนวทางว่าวิธีทดสอบใดที่นำไปใช้กับการใช้งานที่แตกต่างกัน ผู้ผลิตบางรายได้สมัครใจที่จะปฏิบัติตามข้อกำหนดของมาตรฐาน โดยทำการทดสอบแบบหมุนเวียนด้วยหมอกเกลือเป็นเวลาสูงสุด 168 วัน-สามเท่าของระยะเวลาของระดับมาตรฐานสูงสุด- และบรรลุการสูญเสียพลังงานเพียง 1%

กลยุทธ์การบรรเทาผลกระทบและการป้องกัน

เคลือบแก้วขั้นสูง

ผู้ผลิต PV ชั้นนำได้พัฒนาการเคลือบแก้วแบบพิเศษสำหรับสภาพแวดล้อมทางทะเล แนวทางหนึ่งที่โดดเด่นคือการใช้ชั้นฐาน SiO₂ ที่หนาแน่นรวมกับชั้นพื้นผิวที่มี-การป้องกันการส่งผ่าน-สูง ชั้นฐานปิดกั้นไอน้ำและการแทรกซึมของไอออนคลอไรด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ชั้นผิวให้ความสามารถในการทำความสะอาดตัวเอง- และรักษาการส่งผ่านแสงได้มากกว่า 94% โมดูลดังกล่าวผ่านการทดสอบหมอกเกลือ IEC 61701 ระดับ 8 ซึ่งเกินกว่าข้อกำหนดทั่วไปมาก กระบวนการป้องกันแบบผสมผสานที่ผสมผสานระหว่างซับสเตรตที่ทนต่ออุณหภูมิ การเคลือบ-ชั้นนาโน-สองชั้น การสะสมของชั้นอะตอม การทำความสะอาดตัวเองแบบซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิก- และการปิดผนึกขอบ ได้รับการแสดงให้เห็นว่าช่วยยืดอายุการใช้งานของโมดูลได้นานกว่า 25 ปี โดยมี-กระจกเคลือบสองชั้นที่แสดงให้เห็นถึงความทนทานต่อสเปรย์เกลือเกิน 1,100 ชั่วโมง

การป้องกันเฟรมและโครงสร้าง

โดยทั่วไปแล้ว กรอบอะลูมิเนียมของโมดูล PV ภาคพื้นดินมาตรฐานจะได้รับการชุบอโนไดซ์ตามข้อกำหนด AA10 สำหรับสภาพแวดล้อมทางทะเล จะต้องอัปเกรดเป็น AA20 (ความหนา 20–25 μm) ซึ่งถือเป็นมาตรฐานระดับทางทะเลบังคับ-สำหรับโครงการพลังงานแสงอาทิตย์ชายฝั่ง การอัพเกรดชั้นอะโนไดซ์ของเฟรมจาก AA10 เป็น AA20 ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมาก และเพิ่มความน่าเชื่อถือของโครงสร้างภายใต้การสัมผัสเป็นเวลานาน นอกจากนี้ สารเคลือบเหล็กอะลูมิเนียมสังกะสี-แมกนีเซียม-ยังได้รับการรับรองสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมทางทะเล C5-M โดยมีแมกนีเซียม 3% ให้การป้องกันการกัดกร่อนที่มีประสิทธิภาพมากกว่าการเคลือบที่มีปริมาณแมกนีเซียมต่ำกว่ามาก

การเคลือบคอมโพสิต UV-การซ่อมแซมตัวเองและการป้องกัน-

ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีการเคลือบทำให้เกิด-ความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองสำหรับอุปกรณ์ PV ทางทะเล การเคลือบคอมโพสิตที่ประดิษฐ์ขึ้นผ่านการหมุนด้วยไฟฟ้าแบบเสริมฤทธิ์กันและการพ่นด้วยไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าในระหว่างการทดสอบสเปรย์เกลือ- พื้นที่ที่สึกกร่อนมีขนาดเล็กกว่าการเคลือบอีพอกซีเปล่าอย่างมาก โดยมีความต้านทานไฟฟ้าเคมีมากกว่าอีพอกซีเปล่าสองขนาด การรักษาบริเวณที่เสียหายด้วยตนเอง-สำเร็จได้ภายในระยะเวลาอันสั้น และหลังจากการทดสอบการเร่งอายุเป็นเวลา 300 ชั่วโมง สารเคลือบยังคงรักษาคุณสมบัติทางเคมีกายภาพและประสิทธิภาพในการป้องกันไว้

การกัดกร่อนของโครงสร้างและผลกระทบทางกล

นอกเหนือจากโมดูล PV แล้ว ส่วนประกอบโครงสร้างของระบบ PV แบบลอยน้ำนอกชายฝั่งยังเผชิญกับความท้าทายในการกัดกร่อนอย่างรุนแรง การกัดกร่อนในทะเลลด-ความสามารถในการรับน้ำหนักของข้อต่อ T- ที่สำคัญลงประมาณ 33% ถึง 45% การสลายตัวของความแข็งสูงถึง 59.76% ในขณะที่ความสามารถในการกระจายพลังงานลดลง 54.6% เป็น 62.5% อย่างไรก็ตาม การเคลือบเกล็ดแก้ว-อีพอกซี{11}}แบบดัดแปลงและการเคลือบกราฟีนสังกะสีช่วยปกป้องข้อต่อ T- ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยคงความสามารถในการรับน้ำหนัก-รับน้ำหนักได้เกือบไม่เปลี่ยนแปลงโดยไม่เกิดความล้มเหลวในการเคลือบ

ผลกระทบทางเศรษฐกิจ

ต้นทุนการกัดกร่อนในการติดตั้ง PV ทางทะเลมีค่าใช้จ่ายสูง ฟาร์มโซลาร์เซลล์ขนาด 5 เมกะวัตต์ซึ่งอยู่ห่างจากชายฝั่งฟลอริดาแอตแลนติก 200 เมตรมีประสิทธิภาพลดลง 5% ในปีแรก โดยมีค่าบำรุงรักษาสูงถึง 15,000 ดอลลาร์ต่อเมกะวัตต์ต่อปี ข้อกำหนดการต้านทานการกัดกร่อนที่เหมาะสม-จะเพิ่มค่าใช้จ่ายล่วงหน้า 5–10%-ของ-ค่าวัสดุ-ประมาณ 2–4 ดอลลาร์ต่อโมดูล-แต่ค่าพรีเมียมนี้จะจ่ายเองโดยการป้องกันการกัดกร่อนของเฟรมที่อาจจำเป็นต้องเปลี่ยนโมดูลทั้งหมด ในประเทศจีน ต้นทุนการกัดกร่อน-ทั่วทั้งอุตสาหกรรมอยู่ที่ประมาณ 4 ล้านล้านหยวน ซึ่งคิดเป็น 3.34% ของ GDP ในขณะที่การป้องกันการกัดกร่อนที่มีประสิทธิภาพสามารถฟื้นฟูความเสียหายเหล่านี้ได้ 25% ถึง 40%

บทสรุป

การกัดกร่อนเนื่องจากน้ำทะเลเป็นหนึ่งในปัญหาสำคัญที่ตลาดเซลล์แสงอาทิตย์นอกชายฝั่งและชายฝั่งมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว มีหลายวิธีในการอธิบายลักษณะของปัญหา การย่อยสลายประเภทต่างๆ ดูได้ที่นี่ - การกัดกร่อนของกระจก กระบวนการไฟฟ้าเคมีที่กระทำต่อชิ้นส่วนโลหะของอุปกรณ์ การอ่อนตัวลงของวัสดุห่อหุ้ม ตลอดจนทำให้โครงสร้างของตัวอุปกรณ์อ่อนลง อุตสาหกรรมเผชิญกับความท้าทายด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการป้องกันใหม่โดยใช้การเคลือบกระจกหลาย- และการชุบอโนไดซ์ขั้นสูงสำหรับตัวเรือนโลหะ อุตสาหกรรมนี้ได้รับความช่วยเหลือจากมาตรฐานสากลในการทดสอบการกัดกร่อน เช่น IEC 61701 เมื่อปริมาณของโครงการนอกชายฝั่งเพิ่มขึ้น การจัดหาการป้องกันการกัดกร่อนในราคาถูกที่เชื่อถือได้จึงกลายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์