海上光伏的腐蝕破壞與防護措施

劉驍，賈志軍,2

（1.國能江蘇新能源科技開發(fā)有限公司，南京 210000；2.北京低碳清潔能源研究院，北京 100010）

引言

在國家“碳達峰，碳中和”目標(biāo)政策的支撐下，新能源迎來了高速發(fā)展的新周期，太陽能光伏作為清潔能源重要形式得到了快速發(fā)展。陸地光伏項目的高速持續(xù)開發(fā)，導(dǎo)致可開發(fā)利用的土地空間變得有限并趨于飽和[1]。因此，必須將新能源的開發(fā)轉(zhuǎn)向更寬廣、更深遠的空間。海上光伏因其可利用空間廣、系統(tǒng)溫控條件好和日照時間長等優(yōu)勢，成為可持續(xù)能源發(fā)展的重要方向。

海上光伏可有效利用海洋面積，充分利用太陽能資源，實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電，解決了陸地上可再生能源利用空間有限的問題，有助于保護自然資源和生態(tài)環(huán)境；其次，海洋環(huán)境相對穩(wěn)定，熱量擴散效果好，能夠降低光伏組件的溫度，提高發(fā)電效率；最后，海上光伏的建設(shè)可以促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，創(chuàng)造就業(yè)機會，并為當(dāng)?shù)靥峁┛煽康那鍧嵞茉碵2]。綜上所述，海上光伏發(fā)電具有利用空間大、效率高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和低碳經(jīng)濟具有重要意義。

但是，由于海洋環(huán)境的腐蝕性因素，給生產(chǎn)運維工作帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是光伏組件桁架及樁基材料的腐蝕成為制約其大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，為對海上光伏的腐蝕問題有全面的理解，本文對海上光伏系統(tǒng)的相關(guān)類型進行分類，分析其在海洋環(huán)境下的腐蝕機理，系統(tǒng)性介紹腐蝕防護解決方案。

1 海上光伏的結(jié)構(gòu)

海上光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在海洋環(huán)境中建設(shè)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。與陸地光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，海上光伏發(fā)電系統(tǒng)具有光照資源更豐富、占地面積小等優(yōu)勢，因此在近年來得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。海上光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括浮臺結(jié)構(gòu)、錨定結(jié)構(gòu)以及電力傳輸結(jié)構(gòu)等幾個部分[3]。

浮臺結(jié)構(gòu)是海上光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通常有兩種類型的浮臺結(jié)構(gòu)，，一種是浮筏式浮臺，由浮筏組成的平臺上布置光伏組件；另一種是樁式浮臺，利用鋼制或混凝土制作的樁柱支撐光伏組件。選擇浮臺類型需要考慮海況、水深等環(huán)境因素。錨定結(jié)構(gòu)的任務(wù)是保證浮臺的穩(wěn)定性，常見的有重錨、彈簧錨等不同形式。

光伏組件布置在浮臺上，組成海上光伏電站的主體。光伏組件大多采用單晶或多晶硅材料制成，以模塊或板的形式安裝。電路設(shè)備室則安置在浮臺上，完成光伏電能的轉(zhuǎn)換、變頻、控制等功能。電纜通過電纜橋?qū)⒚恳桓∨_產(chǎn)生的直流電連接成集電回路，再通過下水電纜向岸邊輸送。

2 海上光伏的腐蝕問題

化學(xué)和電化學(xué)腐蝕是海上光伏項目面臨的主要腐蝕形式，主要的腐蝕來源包括海水、海風(fēng)及其中的鹽分[4,5]。海水中含有大量的溶解鹽分，如氯離子和鈉離子等，這些離子都具有很強的腐蝕性。同時，海水還富含氧氣，能促進電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。海風(fēng)帶來的海水飛濺也會加劇光伏組件表面的腐蝕。長期暴露在這樣惡劣的海洋環(huán)境中，光伏組件很容易發(fā)生表面腐蝕，導(dǎo)致其功能和使用壽命受到影響。

生物污損是海上光伏面臨的另一種破壞形式，主要來源于海洋生物對光伏板面和連接線的附著[6]。在海洋環(huán)境中，各種海洋生物如海藻、貝類、甲殼類動物等，都可能會在光伏板面上附著生長。一些動物如貝類還可能會啃咬光伏板面和連接線，從而造成物理損傷。這些生物附著會導(dǎo)致光伏板表面受阻，影響光傳輸效率，嚴重降低光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。同時，生物附著也可能會導(dǎo)致連接線的老化和斷裂，從而影響整個系統(tǒng)的正常運行。

機械損傷也是海上光伏項目面臨的重要破壞形式，主要來源于海浪，風(fēng)暴以及船只碰撞和魚網(wǎng)纏繞帶來的機械影響。海浪的沖擊力很大，長期的沖擊會導(dǎo)致光伏模塊和支架等設(shè)備的部件發(fā)生變形或者斷裂。同時，強風(fēng)還可能會吹倒光伏浮體上的設(shè)備。一旦發(fā)生這類天氣災(zāi)害事件，光伏項目就存在著大面積設(shè)備受損的風(fēng)險。再者，海上光伏項目還可能面臨船只碰撞和魚網(wǎng)纏繞等第二方破壞。例如，船只航行過程中因操作不當(dāng)可能會與海上光伏浮體發(fā)生碰撞。同時，漁民的魚網(wǎng)也可能會纏繞在光伏浮體上，給設(shè)備帶來損害。這類人為因素給光伏項目增加了隱患。

3 海上光伏的防護措施

3.1 防腐材料選擇

支架是光伏系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)部件，直接支撐整個光伏陣列系統(tǒng)。一般來說，支架材料需要具備高強度、抗腐蝕性能以及長期使用的穩(wěn)定性。目前，不銹鋼是最主流的支架材料選擇。不銹鋼具有優(yōu)異的機械性能和抗海水腐蝕能力，且成本相對較低。但是，低碳不銹鋼的抗腐蝕性能依然無法滿足超長期使用的需求。新型高錳不銹鋼因具有更高的抗腐蝕潛能，正在成為新的研發(fā)方向。

其次，電纜是光伏系統(tǒng)中另一重要部件。海上電纜直接暴露在海水環(huán)境中，防腐要求極高。目前，海水電纜主要采用聚乙烯為外套材料，內(nèi)芯采用銅或鋁作為導(dǎo)體材料。聚乙烯材料的高密度可以有效阻隔海水，大大延長電纜的使用年限。此外，給電纜外層鍍鋅或不銹鋼也可以進一步提高其防腐性能。

最后，光伏模組作為發(fā)電的關(guān)鍵部件，其玻璃和封裝材料的選擇也同樣重要。一般采用低鉛玻璃，可以有效阻隔紫外線和海水的侵蝕。同時，采用聚硅橡膠或聚氯乙烯作為模組封裝材料，也具有很好的防水防腐性能。此外，給模組表面鍍鋅也可以增加其海水中使用的年限。

3.2 表面處理

目前，主流的表面處理技術(shù)包括電鍍、氧化膜法和涂層法等。電鍍法通過在材料表面鍍上一層更耐腐蝕的金屬來阻隔海水，但成本較高。氧化膜法利用熱處理或電化學(xué)方法在表面形成一層穩(wěn)定的氧化膜，如鋁表面形成的氧化鋁膜，可以很好地防止腐蝕。涂層法利用各種聚合物涂層包裹材料表面，常見的有環(huán)氧涂層和聚氨酯涂層等。開發(fā)具有自清洗功能的超疏水和超親水涂層技術(shù)可以有效控制生物污損。這些技術(shù)均能有效延長材料的使用壽命。

3.3 定期維護和清潔

海上光伏發(fā)電系統(tǒng)長期承受海浪和風(fēng)沙等惡劣環(huán)境的侵蝕，光伏組件表面容易積聚各種污垢，這將導(dǎo)致光伏效率下降。定期進行維護和清潔工作可以有效清除組件表面污垢，恢復(fù)光伏發(fā)電效率，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

維護工作主要包括組件和結(jié)構(gòu)體的檢查。需要檢查光伏組件是否有破損，支架是否有腐蝕等問題。此外也需要檢查電路和連接線路是否有問題，監(jiān)測儀表是否正常運行。一旦發(fā)現(xiàn)任何異常，需要及時排除故障。

清潔工作是海上光伏發(fā)電系統(tǒng)維護的重要內(nèi)容。由于海上環(huán)境影響，光伏組件表面很容易積聚各種污垢，如海鹽、浮游生物等。如果長期不清潔，這些污垢將嚴重影響光伏發(fā)電效率。所以需要定期組織人員進行清潔工作。

清潔方法主要有機械清潔和高壓清潔兩種。機械清潔使用軟刷或清潔布手工清潔組件表面。高壓清潔使用高壓水槍將組件表面沖洗干凈。選擇合適的清潔方法需要結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，確保清潔效果好而不損壞組件。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

從結(jié)構(gòu)材料選擇來看，海上光伏結(jié)構(gòu)主要采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)體質(zhì)輕、成本低，但是容易腐蝕;混凝土結(jié)構(gòu)耐久性好，但是重量大、制造和安裝難度大。一種較好的選擇是采用復(fù)合材料，如鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)。它利用混凝土的高強度和鋼材的高強性，同時也減輕了整體重量。此外，在結(jié)構(gòu)表面采用防腐蝕材料也能有效延長使用壽命。

在結(jié)構(gòu)形式上，浮動式和固定式是兩種主流形式。浮動式結(jié)構(gòu)適用于水深較淺的海域，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝難度大；固定式結(jié)構(gòu)直接固定在海底，適用于水深較深的區(qū)域，但是海底土壤條件要求高。一種較好的選擇是采用半浮動半固定式混合結(jié)構(gòu)，即在海底設(shè)置部分固定點，同時上部采用浮動設(shè)計，這樣可以在一定程度上利用海底固定點的穩(wěn)定性，又保留浮動結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

在風(fēng)載荷和波浪載荷方面，應(yīng)充分考慮不同海域的風(fēng)速和波高條件，合理設(shè)置結(jié)構(gòu)間距，采用流線型設(shè)計可以有效減小風(fēng)載荷，同時增加結(jié)構(gòu)的剛度也有利于減小波浪對結(jié)構(gòu)的影響。此外，在架設(shè)過程中應(yīng)注意防風(fēng)設(shè)計，避免強風(fēng)對施工安全的影響。

3.5 狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護

與陸地光伏相比，海上光伏系統(tǒng)存在著更多的環(huán)境風(fēng)險，例如風(fēng)浪、海水腐蝕等，這給光伏組件和系統(tǒng)的運行管理帶來了更大挑戰(zhàn)。所以，對海上光伏系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護對于提高其可靠性和可持續(xù)運行至關(guān)重要。

首先，需要在海上光伏發(fā)電系統(tǒng)上設(shè)置全面的監(jiān)測系統(tǒng)，對關(guān)鍵部件如光伏組件、變壓器、開關(guān)柜等進行實時監(jiān)測?？梢酝ㄟ^環(huán)境傳感器監(jiān)測海水溫度、風(fēng)速等外界環(huán)境參數(shù)，通過電參數(shù)傳感器監(jiān)測組件輸出電流、電壓等電參數(shù)，通過機械傳感器監(jiān)測組件連接件的應(yīng)力變形等機械參數(shù)。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)通過遙控系統(tǒng)實時傳回岸上控制中心，用于判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)。其次，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析，建立系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的運行模型。通過對歷史運行數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，可以識別出不同部件的異常運行跡象，并給出預(yù)警。

此外，還需要根據(jù)環(huán)境條件對系統(tǒng)進行預(yù)測性維護。例如在風(fēng)速大于等級8 級風(fēng)或海水腐蝕嚴重時期等不利條件下，主動關(guān)閉部分光伏組件，避免受損。通過環(huán)境條件和運行數(shù)據(jù)的綜合分析，可以預(yù)測哪些部件在未來一定時間內(nèi)存在失效風(fēng)險，提前進行更換或維修，實現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)測性維護。最后，需要定期對整個系統(tǒng)進行全面檢修，清洗光伏組件表面，檢測接觸件是否老化，更換有問題的部件。通過全面和精細的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護，可以有效提高海上光伏系統(tǒng)的可靠性和可持續(xù)運行能力。

3.6 制定科學(xué)的應(yīng)急預(yù)案

制定風(fēng)暴來襲的應(yīng)急停機預(yù)案，必要時可以將光伏板組垂直放置，減少風(fēng)力對面積的作用。需要定期組織應(yīng)急演練，檢查應(yīng)急預(yù)案的科學(xué)性和操作性。只有做好風(fēng)險防范工作，海上光伏才能長期穩(wěn)定運行，為我國清潔能源發(fā)展貢獻力量。

4 總結(jié)

為了確保海上光伏設(shè)備的正常運行和延長使用壽命，采取有效的防腐蝕措施和運行維護至關(guān)重要。通過選擇耐腐蝕材料、表面處理、定期維護和清潔、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護等措施，可以有效地降低海上光伏設(shè)備的腐蝕風(fēng)險，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。隨著科技的不斷發(fā)展，期待有更多創(chuàng)新的方法來解決海上光伏的腐蝕問題，以推動可再生能源的可持續(xù)發(fā)展。