漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)材料在海洋環(huán)境中的腐蝕效應(yīng)分析
能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先決條件,在過去幾十年,全球可再生能源技術(shù)發(fā)展迅速,太陽能以清潔、安全、取之不盡等顯著優(yōu)勢(shì),成為發(fā)展最快的可再生能源之一。尤其是中國的光伏產(chǎn)業(yè),目前已占據(jù)全球 70% 以上的市場(chǎng)份額。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝在地面或屋頂。地面光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)需要占用大量土地,而日本、韓國、印度尼西亞等國家的土地資源有限,因此,漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)就有了開發(fā)需求。漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指可以安裝在海洋、湖泊、水庫、漁場(chǎng)等水體上的光伏發(fā)電系統(tǒng)。目前,漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在美國、英國、日本等國家都已有應(yīng)用案例,而中國在該領(lǐng)域的啟動(dòng)較晚,在 2015年才開始有小規(guī)模示范項(xiàng)目啟動(dòng),主要分布在安徽、天津、山東等地區(qū)。根據(jù)全球行業(yè)分析公司(Global Industry Analysts) 發(fā)布的研究報(bào)告,預(yù)計(jì)2026 年漂浮式光伏電站的累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到4.8 GW,年復(fù)合增長率大于 30%。中國現(xiàn)有的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)示范項(xiàng)目一般建設(shè)在面積較小的內(nèi)陸水域,采用“漁光互補(bǔ)”的模式,工況環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。因此,此類漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及配套設(shè)施對(duì)于復(fù)雜工況,尤其是海洋環(huán)境的適應(yīng)性較差,這也限制了其在海洋環(huán)境下的大規(guī)模應(yīng)用。本文基于建設(shè)在內(nèi)陸水域的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及材料選用,對(duì)漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)材料在海洋環(huán)境下應(yīng)用時(shí)的腐蝕效應(yīng)進(jìn)行分析,為開發(fā)利用海上光伏資源提供借鑒。
一、海洋腐蝕環(huán)境及其分區(qū)
相比于淡水環(huán)境,海洋環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜、惡劣的自然腐蝕環(huán)境,在這樣的環(huán)境下建設(shè)漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)將面臨更多問題。比如:1) 海水及海面附近空氣中均含有大量的鹽類,其含鹽量根據(jù)地域、溫度不同而不同。在高濃度的腐蝕離子長期作用下,漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其所用材料的使用壽命將受到嚴(yán)重影響。2) 海洋中約有 20萬種生物,1500 多種細(xì)菌,每 mL 海水中最多可含 100 萬個(gè)細(xì)菌。漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的浮體材料長期浸泡在海水環(huán)境中,藻類、貝類等生物會(huì)在其表面大量附著、生長,進(jìn)而造成其自重發(fā)生改變,影響其在海水中的穩(wěn)性。3) 與內(nèi)陸水域相比,海洋中的風(fēng)浪更大,對(duì)漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其所用材料的力學(xué)性能提出了更高的要求。
根據(jù)海工設(shè)施所處區(qū)域的不同,可得海洋腐蝕環(huán)境分為 5 個(gè)區(qū)帶,分別是海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)[1]。漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在海水平面漂浮,主要處于海洋大氣區(qū)和浪花飛濺區(qū),其部分浮體處于海水全浸區(qū)。受空氣中海鹽微粒的影響,海洋大氣區(qū)以鹽霧腐蝕為主;受長期光照引起的高溫及海水飛濺造成的干濕交替環(huán)境的影響,浪花飛濺區(qū)形成了最苛刻的腐蝕環(huán)境;受海水中溶解氧、鹽度及生物因素的共同作用,在海水全浸區(qū)會(huì)面臨腐蝕及生物污損問題。國內(nèi)外的科學(xué)研究均表明:海洋中的浪花飛濺區(qū)的腐蝕速率最快,是海水全浸區(qū)的 3~10 倍 [1]。在腐蝕離子、生物污損、疲勞荷載、高溫、干濕交替等多重環(huán)境因素的長期作用下,漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用效果及其服役壽命會(huì)受到影響。材料性能是裝備性能的基礎(chǔ),因此,對(duì)漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)各部分所用材料在海洋環(huán)境下的腐蝕效應(yīng)進(jìn)行分析研究是其大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ),具有重大的科研意義。
二、漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分主體材料
漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)組成。上部結(jié)構(gòu)包括光伏組件及電氣系統(tǒng),下部結(jié)構(gòu)包括浮體、錨泊系統(tǒng)。漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。
2.1 光伏組件
目前,建設(shè)于內(nèi)陸水域的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的光伏組件與建設(shè)于陸地的光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的相同,即均為常規(guī)的晶體硅光伏組件,未進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)。光伏組件主要由邊框、光伏玻璃、封裝材料、太陽電池、背板、接線盒組成,具體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。除太陽電池外,其余均暴露在海洋環(huán)境下。常規(guī)晶體硅光伏組件的邊框一般采用鋁合金材質(zhì),對(duì)鋁合金表面進(jìn)行處理是提升其環(huán)境適應(yīng)性和延長使用壽命的重要手段。根據(jù)不同的使用環(huán)境及要求,需采用不同的表面處理工藝。常用的鋁合金表面處理工藝有微弧氧化、等離子噴涂、陽極氧化、噴漆等,也可采用多種工藝復(fù)合處理,達(dá)到增強(qiáng)防護(hù)的效果。光伏玻璃是無機(jī)非金屬材質(zhì),其本身有較好的防腐性能,一般通過對(duì)光伏玻璃表面鍍膜來提高其透光率。封裝材料最常采用聚合物基粘結(jié)劑乙烯 -醋酸乙烯共聚物 (EVA),用于阻隔太陽電池與外部環(huán)境接觸。若封裝材料失效,則會(huì)影響內(nèi)部太陽電池的使用壽命。背板主要起到密封作用,用于保護(hù)太陽電池,其類型主要有玻璃背板、含氟背板等。
2.2 電氣系統(tǒng)
光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)通常包括匯流箱、逆變器、電纜等。匯流箱的箱體材質(zhì)一般為鋼板、鋁板或工程塑料。對(duì)于建設(shè)在海上的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣系統(tǒng),除需考慮其結(jié)構(gòu)形式、防雷、防凍等內(nèi)容外,還需重點(diǎn)考核其的耐鹽霧及耐濕熱交變性能,確保其長期在高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下性能的穩(wěn)定性、可靠性。并防止其因表面損壞等造成漏電而引起安全事故。
2.3 浮體材料
與建設(shè)在陸地的光伏發(fā)電系統(tǒng)不同,漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的各部件需由浮體材料支撐。目前,在國內(nèi)外的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)示范應(yīng)用案例中,淡水環(huán)境下一般采用高密度聚乙烯(HDPE) 作為浮體材料,通過中空吹塑制成,具體如圖 3 所示。此種材料大量用于燃?xì)夤艿溃哂心湍バ院?、吸水率低、環(huán)??苫厥盏葍?yōu)點(diǎn)。浮體材料是漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐部件,但目前其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料抗風(fēng)浪及耐老化性能、浮體可靠性及壽命評(píng)價(jià)等方面均存在較多的技術(shù)問題尚未解決,其可靠性、壽命、經(jīng)濟(jì)性是制約漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。
2.4 錨泊系統(tǒng)
為保證漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在水面上的位置相對(duì)固定,需要采用錨泊系統(tǒng)進(jìn)行牽制。由于錨泊系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的應(yīng)用非常廣泛,其所用材料的環(huán)境適應(yīng)性問題與傳統(tǒng)海工設(shè)施一致。
三、海洋環(huán)境對(duì)不同材料及材料間連接部位的腐蝕效應(yīng)作用機(jī)理
根據(jù)漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)所采用的材料的組成成分不同,其一般可分為金屬材料、有機(jī)高分子材料、無機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料 4 類。在海洋環(huán)境下,多重因素都會(huì)造成材料腐蝕,從而對(duì)其性能產(chǎn)生影響,主要影響因素可分為 3 類:物理因素、化學(xué)因素及生物因素。其中,物理因素包括光照、溫度、風(fēng)荷載、波浪荷載等;化學(xué)因素包括水分、氯離子濃度、氧含量、腐蝕性氣體等;生物因素包括微生物、貝類、藻類等 [2]。因材料種類、環(huán)境因素不同,海洋腐蝕環(huán)境對(duì)材料性能的作用機(jī)理也有所不同。下文根據(jù)材料種類不同,分析海洋腐蝕環(huán)境對(duì)漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)各部件的腐蝕效應(yīng)作用機(jī)理。
3.1 金屬材料
光伏組件的邊框、匯流箱等的箱體均屬于金屬材料,一般為鋁合金、不銹鋼等材質(zhì)。從其所處環(huán)境來說,光伏組件邊框和匯流箱等電器類的箱體都未浸泡在海水中,因此,此類部件以海洋大氣腐蝕及浪濺區(qū)腐蝕為主。金屬材料在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕效應(yīng)作用機(jī)理是:在光照作用下,海洋大氣中的水汽含量升高,在金屬表面形成一層液膜。海洋大氣中的海鹽微粒溶于液膜,產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng),引起金屬腐蝕 [3]。海洋大氣環(huán)境隨著海域及離岸距離的不同而存在一定差異。不同海域的溫濕度、輻照度、鹽度、污染物含量等不同,這些環(huán)境因素及其耦合作用對(duì)材料的腐蝕程度差異很大 [4]。海水飛濺對(duì)金屬材料的腐蝕原理與上述腐蝕原理類似,不同的是,海水中 Cl- 濃度更高,點(diǎn)蝕更為嚴(yán)重。同時(shí),干濕交替及光照引起的高溫也會(huì)加速腐蝕效應(yīng)。以鋁合金為例,其在海洋大氣環(huán)境中受到的電化學(xué)腐蝕程度主要取決于合金的成分。鋁合金在大氣中能夠形成致密的氧化膜。鋁合金在海洋大氣環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)式如式 (1)~式 (2)所示:海洋大氣環(huán)境中的 Cl- 吸附在氧化膜表面或穿過鈍化膜與金屬基體接觸,與 Al3+ 相互作用形成 AlCl3,導(dǎo)致鈍化膜被破壞,形成點(diǎn)蝕。根據(jù)牌號(hào)不同,鋁合金含有不同比例的Fe、Cu等成分,由于各類鋁合金的金屬成分不同且各合金間存在腐蝕電位差,因此,不同牌號(hào)的鋁合金在海洋大氣環(huán)境中的耐腐蝕性不同。常用的金屬材料防腐技術(shù)有表面處理技術(shù)( 有機(jī)涂層、金屬涂層 ) 和陰極保護(hù)技術(shù)。針對(duì)建設(shè)于海上的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)中金屬材料的海洋大氣環(huán)境腐蝕,一般需先依據(jù) ISO 12944-2:2017 對(duì)項(xiàng)目所在地海域的環(huán)境因素進(jìn)行具體分析,從而對(duì)其腐蝕等級(jí)進(jìn)行界定,并制定相應(yīng)的防腐蝕方案。
3.2 有機(jī)高分子材料
封裝材料聚合物基粘結(jié)劑 EVA、接線盒外殼材料、HDPE 浮體材料均為有機(jī)高分子材料。從其所處環(huán)境來看,EVA 長期暴露于光照下;接線盒處于海洋大氣環(huán)境中,無暴曬;浮體材料上部處于暴曬環(huán)境下,下部與海水接觸,處于水面以下。因此,EVA 和浮體材料均存在長期暴露于紫外線照射下發(fā)生老化的問題。接線盒存在濕熱、鹽霧環(huán)境下的老化問題;浮體材料水面以下部分也存在由于生物污損造成的浮體材料自身重量變大、荷載變化等問題。不同環(huán)境因素下有機(jī)高分子材料老化機(jī)理不同:長時(shí)間光照或高溫作用會(huì)引起高分子鏈的運(yùn)動(dòng)加劇,分子的能量突破臨界值,引起高分子鏈的斷裂或降解,形成自由基 [2]。在有氧環(huán)境中,自由基和高能態(tài)分子發(fā)生氧化反應(yīng),生成羰基和氫過氧化物,進(jìn)而引發(fā)光化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致制品出現(xiàn)龜裂、分化、強(qiáng)度下降等老化現(xiàn)象。而且由于高分子鏈上存在親水基團(tuán),水分子滲透到高分子材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部,造成分子鏈間膨脹或與親水基團(tuán)作用,分子結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致老化。此外,鹽霧、機(jī)械力等均會(huì)加劇老化過程。
以 HDPE 為例,在日光照射下其會(huì)發(fā)生光氧化,為自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),其機(jī)理 [5] 如式 (3)~式 (10) 所示。其中:R? 表示碳自由基;H? 表示氫自由基;ROO? 表示過氧化自由基;ROOH 表示氫過氧化物。
高分子材料老化是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵問題[5]。高分子材料常見的抗老化措施包括物理防護(hù)、結(jié)構(gòu)改性、添加抗老化劑等。高分子材料的抗老化性能直接決定了其使用壽命。光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命是計(jì)算其投資收益比的關(guān)鍵參數(shù),因此應(yīng)用于海上的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)中所使用的高分子材料,尤其是浮體材料的抗老化性能提升及評(píng)價(jià)技術(shù)、壽命預(yù)測(cè)技術(shù),是其后續(xù)開發(fā)應(yīng)用中需關(guān)注的重點(diǎn)。浮體材料與海水直接接觸,其水面以下部分需要進(jìn)行防污處理。常用的海洋防污技術(shù)包括物理清除技術(shù)、電解防污技術(shù)、生物防治技術(shù)及外加防污材料等,可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景,如漁光互補(bǔ)、風(fēng)光互補(bǔ)等選取適合的方案。
3.3 無機(jī)非金屬材料
光伏玻璃屬于無機(jī)非金屬材料。無機(jī)非金屬材料自身具有良好的防腐性能,但在海洋環(huán)境下,空氣中的灰塵、海水飛濺形成的鹽漬、海鳥糞便等異物都會(huì)在光伏玻璃表面聚集,降低光伏組件的發(fā)電量。如果不能及時(shí)對(duì)污染物進(jìn)行清理,會(huì)形成局部熱斑,可能破壞整個(gè)光伏組件。相比于地面光伏發(fā)電系統(tǒng),建設(shè)于海上的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的巡檢、清理難度更大、成本更高。若運(yùn)維不及時(shí),則會(huì)嚴(yán)重影響漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。因此,除了在材料表面采用自清潔涂層等方式進(jìn)行改善外,需開發(fā)更智能化的運(yùn)維方案,提升運(yùn)維效率,保障漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。
3.4 材料間連接部位
除了各類材料的防腐外,復(fù)雜環(huán)境下異種材料間的連接結(jié)構(gòu)腐蝕也是海洋工程裝備應(yīng)用中的難題,同時(shí)還是進(jìn)行海洋裝備可靠性評(píng)估的重點(diǎn)。漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)各部件間的連接形式有膠接 ( 如邊框與光伏玻璃、邊框與背板、接線盒與背板之間的連接 )、螺接或鉚接 ( 如光伏組件與浮體材料、浮體材料間的連接等 )。針對(duì)膠接部位,需強(qiáng)化 EVA 膠黏劑的耐候性。針對(duì)螺接或鉚接的部位,由于浮體在海面上隨風(fēng)浪擺動(dòng),處于長周期疲勞損耗狀態(tài),連接部位材料的疲勞損傷及壽命是考核其耐候性的關(guān)鍵。連接部位材料的可靠性及使用壽命,除了與材料自身的性能相關(guān)外,還取決于連接部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。可通過柔性連接或增大浮體尺寸等方式,降低耦合應(yīng)力及疲勞對(duì)材料性能的影響。
四、結(jié)論
本文對(duì)漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的腐蝕效應(yīng)進(jìn)行了分析。由于此類光伏發(fā)電系統(tǒng)材料在海洋環(huán)境下的耐候性及使用壽命制約了其應(yīng)用場(chǎng)景。因此,應(yīng)將漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)材料在實(shí)海環(huán)境下的腐蝕效應(yīng)及選材標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)性的研究、測(cè)試及分析,為應(yīng)用于海上的漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
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