מָבוֹא
הדחיפה הגלובלית לכיוון אנרגיה מתחדשת הניעה התרחבות מהירה של מתקנים פוטו-וולטאיים (PV) בסביבות חופיות וחוף. קיבולת PV צף ברחבי העולם הגיעה לכ-5.9 GW עד סוף 2023, והיא צפויה לעלות על 10 GW עד 2030. PV Offshore מציע יתרונות ברורים על פני מערכות מבוססות-יבשתיות, כולל הימנעות ממגבלות שימוש-בקרקע ותשואות אנרגיה גבוהות יותר עקב השפעת קירור המים. עם זאת, מי הים מציגים קבוצה של מנגנוני השפלה המאיימים באופן מהותי על העמידות והביצועים של מודולים סולאריים בדרכים בהן מתקנים יבשתיים נתקלים לעתים נדירות.
מנגנונים של מי ים-השפלה הנגרמת
קורוזיה זכוכית והפסדים אופטיים
זכוכית הכיסוי הקדמית של מודול PV היא המחסום הראשון שנחשף למי ים. מחקרים ניסיוניים הראו שאחרי 98 ימים של טבילה במי ים מדומים, השידור של זכוכית PV פוחת מ-91.46% ל-70.35%-אובדן של למעלה מ-21 נקודות אחוז. השפלה האופטית הדרמטית הזו מונעת על ידי תהליך שיקוע רציף: שכבות מלח של מגנזיום- נוצרות תחילה ומאיצות קורוזיה מקומית של משטח הזכוכית, ואחריהן שכבות מלח סידן-, שיחד עם פירוק זכוכית מתמשך, מחמירות עוד יותר את ההפסדים האופטיים ומפחיתים את תפוקת המודול.
קורוזיה אלקטרוכימית של רכיבים מתכתיים
מי הים עשירים במינים יוניים-Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-אשר ספיחה או חדירתם למודול מתחילים תהליכי קורוזיה אלקטרוכימיים. אלקטרודות מתכתיות, במיוחד כסף (Ag) ונחושת (Cu), רגישות מאוד לתזוזות פוטנציאליות ולפיזור יונים, ששניהם פוגעים ביציבות-לטווח ארוך. באזורי חוף, מצב הכשל העיקרי הוא קורוזיה אלקטרוכימית וגלוונית המתרחשת במגעי מתכת וריתוכים, שכן חדירת לחות ללוח מאיצה חמצון של מגעים מתכתיים והשפלה של חומרים עטופים.
ביטוי בולט במיוחד של תהליך זה הוא היווצרות של קווים כהים או סימני מים על משטחי מודול. לחות עמוסת מלח- מספקת סביבת אלקטרוליטים לתגובות אלקטרוכימיות על משחת הכסף המשמשת במטאליזציה של תאים סולאריים, מה שמוביל להיווצרות תחמוצת כסף המופיעה כקווים שחורים גלויים, ופוגעת הן במראה המודול והן בביצועים החשמליים.
פגיעות של Encapsulant ו-Juction Box
חשיפה ארוכה ללחות ממלח מובילה לקורוזיה של חלקי מודול חשובים כמו מסגרות, קופסאות צומת ומשטחי זכוכית שמובילה לירידה בביצועים ולקיצור חיי השירות של המודול. אם תיבת חלוקה, מסוף או מהפך חודרים על ידי ערפל מלח או אדים, הם בסופו של דבר מחלידים בגלל המשקעים. לכן, תיבות חיבור ליישומים ימיים צריכות להיות אטומות IP68 כדי להיות חסינות למלח ולחות.
שיעורי השפלה מואצים
תצפיות שדה של מודולים דו-פנים בתנאי חוף מדווחות על שיעורי השפלה שנתיים אפקטיביים בין כ-0.36% ל-0.75% בשנה עבור מודולים-מובלעים היטב. עם זאת, הצטברות מלח במודולי PV ימית מאיצה את קצב הפירוק ב-0.05% עד 0.13% נוספים, מה שעלול להפחית את חיי המודול ב-3 עד 5 שנים. במקרים קיצוניים עם מעטפת מתוכננת בצורה גרועה, פוטנציאל-בצד האחורי{10}} גרם לאובדן כוח מקומי-גבי של יותר מ-30%.
תקני בדיקות בתעשייה
התקן הבינלאומי העיקרי המסדיר עמידות בפני קורוזיה של ערפל מלח הוא IEC 61701, המתאר רצפי בדיקה לקביעת העמידות של מודולי PV בפני קורוזיה מערפל מלח המכיל תרכובות כלוריד כגון NaCl ו-MgCl₂. רמת הבדיקה החמורה ביותר-רמה 6 כוללת שמונה מחזורי בדיקה לאורך 56 ימים. כל מחזור של 7 ימים מורכב מארבעה שלבים של תרסיס מלח הנמשך שעתיים ב-35 מעלות עם 93% לחות, ולאחר מכן אחסון ב-40 מעלות עם לחות מבוקרת. פרוטוקול קפדני זה מעריך ירידה בתפוקת הכוח, המשכיות הארקה, זרם דליפה רטוב, התנגדות בידוד ומראה.
המהדורה השלישית של IEC 61701, שהונפקה בשנת 2020, הציגה עדכונים חשובים: שיטות הבדיקה רוכזו ויושרו עם המהדורות החדשות של IEC 61215 ו- IEC 61730, ונוסף נספח נורמטיבי כדי להדריך אילו שיטות בדיקה חלות על יישומים שונים. חלק מהיצרנים חרגו מרצונם את דרישות התקן, ערכו בדיקות רכיבה על אופניים של ערפל מלח למשך עד 168 ימים-פי שלושה מהמשך של רמת התקן הגבוהה ביותר-והגיעו לאובדן הספק של 1% בלבד.
אסטרטגיות הפחתה והגנה
ציפויי זכוכית מתקדמים
יצרני PV מובילים פיתחו ציפוי זכוכית מיוחד עבור סביבות ימיות. גישה בולטת אחת משתמשת בשכבת בסיס SiO₂ צפופה בשילוב עם שכבת משטח אנטי-השתקפות גבוהה-שידור גבוהה; שכבת הבסיס חוסמת ביעילות את חדירת אדי המים וכלוריד, בעוד שכבת פני השטח מספקת יכולת ניקוי עצמית- ושומרת על שידור מעל 94%. מודולים כאלה עברו בדיקות IEC 61701 ערפל מלח ברמה 8, עולים בהרבה על הדרישות המקובלות. תהליך הגנה משולב המשלב מצע מחוסם, ציפוי ננו-כפול-שכבתי, שקיעת שכבה אטומית, ניקוי עצמי-סופר הידרופובי ואיטום קצוות הוכח כמאריך את תוחלת החיים של המודול מעבר ל-25 שנים, כאשר זכוכית מצופה-שכבתית כפולה מדגימה סבילות להתזה של 10 שעות מלח.
מסגרת והגנה מבנית
מסגרות האלומיניום של מודולי PV יבשתיים סטנדרטיים עוברות אנודייז בדרך כלל לפי מפרט AA10. עבור סביבות ימיות, יש לשדרג את זה ל-AA20 (עובי 20-25 מיקרומטר), הנחשב לתקן המחייב בדרגה ימית- עבור פרויקטים סולאריים בחופי. שדרוג שכבת האנודיזה של המסגרת מ-AA10 ל-AA20 משפר באופן דרמטי את עמידות בפני קורוזיה ומשפר את האמינות המבנית בחשיפה ממושכת. ציפויי פלדת אלומיניום של אבץ-מגנזיום{{11} אושרו גם לשימוש בסביבות ימיות של C5-M, כאשר תכולת המגנזיום של 3% מספקת הגנה יעילה הרבה יותר מפני קורוזיה מאשר ציפויים עם תכולת מגנזיום נמוכה יותר.
ציפוי-עצמי ואנטי-קומפוזיט UV
ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית הציפוי הציגה יכולות-ריפוי עצמי עבור ציוד PV ימי. ציפוי מרוכב שיוצר באמצעות ספינינג אלקטרו-סינרגי וריסוס אלקטרו הוכיח שבמהלך בדיקת ריסוס מלח, השטח המקולקל היה קטן יותר באופן משמעותי מאשר בציפויים אפוקסי ריקים, עם עכבה אלקטרוכימית העולה על זו של האפוקסי הריק בשני סדרי גודל. הריפוי העצמי- של אזורים פגומים הושג תוך תקופה קצרה, ולאחר בדיקת הזדקנות מואצת של 300 שעות, הציפוי שמר על תכונותיו הפיזיקליות-כימיות וביצועי ההגנה שלו.
קורוזיה מבנית והשפעה מכנית
מעבר למודול ה-PV עצמו, הרכיבים המבניים של מערכות PV צפות בים עומדים בפני אתגרי קורוזיה חמורים. קורוזיה ימית מפחיתה את יכולת נשיאת העומס- של מפרקי T- קריטיים בכ-33% עד 45%. פירוק הקשיחות מגיע עד 59.76%, בעוד יכולת פיזור האנרגיה יורדת ב-54.6% ל-62.5%. עם זאת, ציפויי פתיתים-אפוקסי-אפוקסי וציפוי אבץ גרפן מגנים ביעילות על מפרקי T-, ושומרים על יכולת נשיאת עומס-כמעט ללא שינוי ללא כשל בציפוי.
השלכות כלכליות
העלות של קורוזיה במתקני PV ימיים היא משמעותית. חווה סולארית של 5 מגה-וואט הממוקמת במרחק של 200 מטר מחוף האוקיינוס האטלנטי של פלורידה סבלה מירידה של 5% ביעילות בשנתה הראשונה, כאשר עלויות התחזוקה הגיעו ל-15,000 דולר ל-MW בשנה. מפרט עמיד בפני קורוזיה-תקין מוסיף 5-10% למחיר-של-חומרים-כ-2-4 דולר למודול-אבל הפרמיה הזו מחזירה את עצמה על ידי מניעת קורוזיה של מסגרת שאחרת תדרוש החלפת מודול מלא. בסין, עלויות קורוזיה-ברחבי התעשייה נאמדו ב-4 טריליון יואן, המהווים 3.34% מהתמ"ג, בעוד שהגנה יעילה מפני קורוזיה יכולה לשחזר 25% עד 40% מההפסדים הללו.
מַסְקָנָה
קורוזיה עקב מי ים היא אחד הקשיים המשמעותיים שעמם מתמודד השוק הפוטו-וולטאי הימי והחוף המתפתח במהירות. יש יותר מדרך אחת להסביר את מהות הבעיה. סוגים שונים של השפלה נראים כאן - קורוזיה בזכוכית, תהליכים אלקטרוכימיים הפועלים על חלקי מתכת של המכשיר, היחלשות של חומר עוטף וכן החלשת מבנה המכשיר עצמו. התעשייה עומדת באתגר על ידי פיתוח טכנולוגיות הגנה חדשות באמצעות ציפוי זכוכית רב-שכבתי ואנודיזציה מתקדמת למארזי המתכת. התעשייה נעזרת בסטנדרטים בינלאומיים בבדיקות קורוזיה כגון IEC 61701. ככל שהיקף הפרויקטים בים גדל, אספקת הגנת קורוזיה אמינה וזולה הופכת מכרעת ליעילותם של מפעלי אנרגיה סולארית.
