Giới thiệu
Sự thúc đẩy toàn cầu hướng tới năng lượng tái tạo đã thúc đẩy sự mở rộng nhanh chóng việc lắp đặt quang điện (PV) ở môi trường ven biển và ngoài khơi. Công suất quang điện nổi trên toàn thế giới đạt khoảng 5,9 GW vào cuối năm 2023 và dự kiến sẽ vượt 10 GW vào năm 2030. Quang điện ngoài khơi mang lại những lợi thế khác biệt so với các hệ thống trên đất liền, bao gồm tránh được những hạn chế về sử dụng đất và sản lượng năng lượng cao hơn do hiệu ứng làm mát của nước trên các tấm pin. Tuy nhiên, nước biển tạo ra một loạt cơ chế suy thoái về cơ bản đe dọa đến độ bền và hiệu suất của các mô-đun năng lượng mặt trời theo những cách mà việc lắp đặt trên mặt đất hiếm khi gặp phải.
Cơ chế của nước biển-Sự suy thoái do gây ra
Ăn mòn kính và tổn thất quang học
Kính che phía trước của mô-đun PV là rào chắn đầu tiên tiếp xúc với nước biển. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng sau 98 ngày ngâm trong nước biển mô phỏng, độ truyền qua của kính PV giảm từ 91,46% xuống 70,35%-mất hơn 21 điểm phần trăm. Sự suy giảm quang học nghiêm trọng này được thúc đẩy bởi một quá trình lắng đọng tuần tự: các lớp muối magie-đầu tiên hình thành và đẩy nhanh quá trình ăn mòn cục bộ trên bề mặt kính, tiếp theo là các lớp phủ muối canxi-, cùng với quá trình hòa tan thủy tinh đang diễn ra, càng làm trầm trọng thêm tổn thất quang học và giảm công suất mô-đun.
Ăn mòn điện hóa của các thành phần kim loại
Nước biển rất giàu các loại ion-Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-có khả năng hấp phụ hoặc xâm nhập vào mô-đun bắt đầu quá trình ăn mòn điện hóa. Các điện cực kim loại, đặc biệt là bạc (Ag) và đồng (Cu), rất dễ bị dịch chuyển thế năng và khuếch tán ion, cả hai đều ảnh hưởng đến độ ổn định lâu dài. Ở các vùng ven biển, dạng hư hỏng chính là ăn mòn điện hóa và điện hóa xảy ra tại các điểm tiếp xúc và mối hàn kim loại, do hơi ẩm xâm nhập vào bảng điều khiển làm tăng tốc độ oxy hóa các điểm tiếp xúc kim loại và sự xuống cấp của vật liệu đóng gói.
Biểu hiện đặc biệt dễ thấy của quá trình này là sự hình thành các đường sẫm màu hoặc vết nước trên bề mặt mô-đun. Độ ẩm chứa đầy muối-cung cấp môi trường điện phân cho các phản ứng điện hóa trên bột bạc được sử dụng trong quá trình kim loại hóa pin mặt trời, dẫn đến sự hình thành oxit bạc xuất hiện dưới dạng các vạch đen nhìn thấy được, làm suy giảm cả hình thức lẫn hiệu suất điện của mô-đun.
Lỗ hổng đóng gói và hộp nối
Tiếp xúc lâu với độ ẩm từ muối dẫn đến ăn mòn các bộ phận quan trọng của mô-đun như khung, hộp nối và bề mặt kính, dẫn đến giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ của mô-đun. Nếu hộp phân phối, thiết bị đầu cuối hoặc bộ biến tần bị sương muối hoặc hơi nước xâm nhập, cuối cùng nó sẽ bị rỉ sét do cặn bám. Do đó, hộp nối cho các ứng dụng hàng hải phải được niêm phong IP68 để chống muối và chống ẩm.
Tốc độ xuống cấp tăng tốc
Quan sát thực tế các mô-đun hai mặt trong điều kiện ven biển cho thấy tốc độ xuống cấp hiệu quả hàng năm từ khoảng 0,36% đến 0,75% mỗi năm đối với các mô-đun được bao bọc tốt. Tuy nhiên, sự tích tụ muối trên các mô-đun quang điện ngoài khơi làm tăng tốc độ xuống cấp thêm 0,05% đến 0,13%, có khả năng làm giảm tuổi thọ của mô-đun từ 3 đến 5 năm. Trong những trường hợp cực đoan với khả năng đóng gói được thiết kế kém, sự suy giảm điện thế-phía sau đã gây ra tổn thất điện năng-cục bộ phía sau vượt quá 30%.
Tiêu chuẩn kiểm tra ngành
Tiêu chuẩn quốc tế chính quản lý khả năng chống ăn mòn của sương muối là IEC 61701, mô tả trình tự thử nghiệm để xác định khả năng chống ăn mòn của mô-đun quang điện do sương muối chứa hợp chất clorua như NaCl và MgCl₂. Cấp độ kiểm tra nghiêm ngặt nhất-Cấp 6-bao gồm tám chu kỳ kiểm tra trong 56 ngày. Mỗi chu kỳ 7 ngày bao gồm bốn giai đoạn phun muối kéo dài hai giờ ở 35 độ với độ ẩm 93%, tiếp theo là bảo quản ở 40 độ với độ ẩm được kiểm soát. Quy trình nghiêm ngặt này đánh giá sự suy giảm công suất đầu ra, tính liên tục của mặt đất, dòng điện rò rỉ ướt, điện trở cách điện và hình thức bên ngoài.
Phiên bản thứ ba của IEC 61701, ban hành năm 2020, đã giới thiệu những cập nhật quan trọng: các phương pháp thử nghiệm được cô đọng và phù hợp với các phiên bản mới của IEC 61215 và IEC 61730, đồng thời bổ sung một phụ lục quy chuẩn để hướng dẫn phương pháp thử nghiệm nào áp dụng cho các ứng dụng khác nhau. Một số nhà sản xuất đã tự nguyện vượt quá yêu cầu của tiêu chuẩn, tiến hành thử nghiệm chu trình phun sương muối trong tối đa 168 ngày-gấp ba lần thời lượng của mức tiêu chuẩn cao nhất-và đạt mức tổn thất điện năng chỉ 1%.
Chiến lược giảm nhẹ và bảo vệ
Lớp phủ kính tiên tiến
Các nhà sản xuất PV hàng đầu đã phát triển lớp phủ kính chuyên dụng cho môi trường biển. Một phương pháp đáng chú ý là sử dụng lớp nền SiO₂ dày đặc kết hợp với lớp bề mặt phản chiếu-chống truyền qua{2}}cao; lớp nền ngăn chặn sự xâm nhập của hơi nước và ion clorua một cách hiệu quả trong khi lớp bề mặt cung cấp khả năng tự làm sạch và duy trì độ truyền qua trên 94%. Các mô-đun như vậy đã vượt qua thử nghiệm sương muối cấp độ 8 theo tiêu chuẩn IEC 61701, vượt xa các yêu cầu thông thường. Một quy trình bảo vệ tích hợp kết hợp chất nền được tôi luyện, lớp phủ{{10}nano hai lớp, lắng đọng lớp nguyên tử, khả năng tự làm sạch siêu thấm nước và bịt kín cạnh đã được chứng minh là có thể kéo dài tuổi thọ mô-đun lên hơn 25 năm, với-kính được phủ hai lớp thể hiện khả năng chịu phun muối vượt quá 1.100 giờ.
Bảo vệ khung và kết cấu
Khung nhôm của mô-đun quang điện mặt đất tiêu chuẩn thường được anod hóa theo thông số kỹ thuật AA10. Đối với môi trường biển, tiêu chuẩn này phải được nâng cấp lên AA20 (độ dày 20–25 μm), được coi là tiêu chuẩn cấp biển-bắt buộc đối với các dự án năng lượng mặt trời ven biển. Việc nâng cấp lớp anodized của khung từ AA10 lên AA20 giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn và nâng cao độ tin cậy của cấu trúc khi tiếp xúc kéo dài. Lớp phủ bằng thép kẽm-magie-cũng đã được chứng nhận để sử dụng trong môi trường biển C5-M, với hàm lượng magie 3% mang lại khả năng chống ăn mòn hiệu quả hơn nhiều so với lớp phủ có hàm lượng magie thấp hơn.
Lớp phủ tổng hợp tự phục hồi và chống tia cực tím
Những tiến bộ gần đây trong công nghệ phủ đã mang lại khả năng tự phục hồi cho thiết bị quang điện trên biển. Một lớp phủ tổng hợp được chế tạo bằng phương pháp quay điện tổng hợp và phun điện đã chứng minh rằng, trong quá trình thử nghiệm phun muối-, diện tích bị ăn mòn nhỏ hơn đáng kể so với các lớp phủ epoxy trống, với trở kháng điện hóa vượt quá trở kháng điện hóa của lớp phủ epoxy trống hai bậc độ lớn. Quá trình tự phục hồi của các vùng bị hư hỏng được thực hiện trong một thời gian ngắn và sau thử nghiệm lão hóa cấp tốc kéo dài 300 giờ, lớp phủ vẫn giữ được các đặc tính hóa lý và hiệu suất bảo vệ.
Ăn mòn kết cấu và tác động cơ học
Ngoài mô-đun PV, các thành phần cấu trúc của hệ thống PV nổi ngoài khơi còn phải đối mặt với những thách thức ăn mòn nghiêm trọng. Sự ăn mòn trên biển làm giảm khả năng-chịu tải của các mối nối chữ T{2}}quan trọng khoảng 33% đến 45%. Độ suy giảm độ cứng đạt tới 59,76%, trong khi khả năng tiêu tán năng lượng giảm từ 54,6% xuống 62,5%. Tuy nhiên, lớp phủ vảy epoxy{10}}thủy tinh{11}}đã biến tính và lớp phủ kẽm graphene bảo vệ hiệu quả các mối nối chữ T, duy trì khả năng chịu tải gần như không thay đổi mà không bị hỏng lớp phủ.
Ý nghĩa kinh tế
Chi phí ăn mòn trong lắp đặt quang điện trên biển là rất lớn. Một trang trại năng lượng mặt trời 5 MW nằm cách bờ biển Đại Tây Dương Florida 200 mét đã bị giảm hiệu suất 5% trong năm đầu tiên, với chi phí bảo trì lên tới 15.000 USD mỗi MW hàng năm. Thông số kỹ thuật-chống ăn mòn phù hợp sẽ tăng thêm 5–10% vào hóa đơn{10}}chi phí vật liệu trả trước-khoảng{12}}khoảng 2–4 USD cho mỗi mô-đun-nhưng khoản phí bảo hiểm này sẽ tự chi trả bằng cách ngăn chặn tình trạng ăn mòn khung mà lẽ ra phải thay thế toàn bộ mô-đun. Ở Trung Quốc, chi phí ăn mòn trên toàn ngành-ước tính khoảng 4 nghìn tỷ nhân dân tệ, chiếm 3,34% GDP, trong khi biện pháp chống ăn mòn hiệu quả có thể phục hồi từ 25% đến 40% số tổn thất này.
Phần kết luận
Ăn mòn do nước biển là một trong những khó khăn đáng kể phải đối mặt khi thị trường quang điện ngoài khơi và ven biển đang phát triển nhanh chóng. Có nhiều cách để giải thích bản chất của vấn đề. Ở đây có thể thấy các loại suy thoái khác nhau - ăn mòn thủy tinh, các quá trình điện hóa tác động lên các bộ phận kim loại của thiết bị, sự suy yếu của vật liệu đóng gói cũng như làm suy yếu cấu trúc của chính thiết bị. Ngành này đáp ứng thách thức bằng cách phát triển các công nghệ bảo vệ mới sử dụng lớp phủ kính nhiều lớp và phương pháp anod hóa tiên tiến cho vỏ kim loại. Ngành công nghiệp này được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn quốc tế trong việc kiểm tra ăn mòn như IEC 61701. Khi khối lượng các dự án ngoài khơi tăng lên, việc cung cấp giải pháp chống ăn mòn giá rẻ, đáng tin cậy trở nên quan trọng đối với hiệu quả của các nhà máy năng lượng mặt trời.
