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”目標政策的支撐下，新能源迎來了高速發展的新周期，太陽能光伏作為清潔能源重要形式得到了快速發展。陸地光伏項目的高速持續開發，導致可開發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轉向更寬廣、更深遠的空間。海上光伏因其可利用空間廣、系統溫控條件好和日照時間長等優勢，成為可持續能源發展的重要方向。

海上光伏可有效利用海洋面積，充分利用太陽能資源，實現大規模發電，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環境；其次，海洋環境相對穩定，熱量擴散效果好，能夠降低光伏組件的溫度，提高發電效率；最后，海上光伏的建設可以促進區域經濟發展，創造就業機會，并為當地提供可靠的清潔能源[2]。綜上所述，海上光伏發電具有利用空間大、效率高、環境適應性強等優勢，對實現可持續發展和低碳經濟具有重要意義。

但是，由于海洋環境的腐蝕性因素，給生產運維工作帶來了新的挑戰，尤其是光伏組件桁架及樁基材料的腐蝕成為制約其大規模發展和應用的關鍵。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的相關類型進行分類，分析其在海洋環境下的腐蝕機理，系統性介紹腐蝕防護解決方案。

1 海上光伏的結構

海上光伏發電系統是指在海洋環境中建設的太陽能發電系統。與陸地光伏發電系統相比，海上光伏發電系統具有光照資源更豐富、占地面積小等優勢，因此在近年來得到了廣泛關注和應用。海上光伏發電系統的主要結構包括浮臺結構、錨定結構以及電力傳輸結構等幾個部分[3]。

浮臺結構是海上光伏發電系統的基礎。通常有兩種類型的浮臺結構，，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、水深等環境因素。錨定結構的任務是保證浮臺的穩定性，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。電路設備室則安置在浮臺上，完成光伏電能的轉換、變頻、控制等功能。電纜通過電纜橋將每一浮臺產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

化學和電化學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，能促進電化學腐蝕的發生。海風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境中，光伏組件很容易發生表面腐蝕，導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。這些生物附著會導致光伏板表面受阻，影響光傳輸效率，嚴重降低光伏系統的發電效率。同時，生物附著也可能會導致連接線的老化和斷裂，從而影響整個系統的正常運行。

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，風暴以及船只碰撞和魚網纏繞帶來的機械影響。海浪的沖擊力很大，長期的沖擊會導致光伏模塊和支架等設備的部件發生變形或者斷裂。同時，強風還可能會吹倒光伏浮體上的設備。一旦發生這類天氣災害事件，光伏項目就存在著大面積設備受損的風險。再者，海上光伏項目還可能面臨船只碰撞和魚網纏繞等第二方破壞。例如，船只航行過程中因操作不當可能會與海上光伏浮體發生碰撞。同時，漁民的魚網也可能會纏繞在光伏浮體上，給設備帶來損害。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

支架是光伏系統中的重要結構部件，直接支撐整個光伏陣列系統。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定性。目前，不銹鋼是最主流的支架材料選擇。不銹鋼具有優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，正在成為新的研發方向。

其次，電纜是光伏系統中另一重要部件。海上電纜直接暴露在海水環境中，防腐要求極高。目前，海水電纜主要采用聚乙烯為外套材料，內芯采用銅或鋁作為導體材料。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，光伏模組作為發電的關鍵部件，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方法在表面形成一層穩定的氧化膜，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，常見的有環氧涂層和聚氨酯涂層等。開發具有自清洗功能的超疏水和超親水涂層技術可以有效控制生物污損。這些技術均能有效延長材料的使用壽命。

3.3 定期維護和清潔

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

維護工作主要包括組件和結構體的檢查。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，監測儀表是否正常運行。一旦發現任何異常，需要及時排除故障。

清潔工作是海上光伏發電系統維護的重要內容。由于海上環境影響，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合當地環境條件，確保清潔效果好而不損壞組件。

3.4 結構設計優化

從結構材料選擇來看，海上光伏結構主要采用鋼結構或混凝土結構。鋼結構體質輕、成本低，但是容易腐蝕;混凝土結構耐久性好，但是重量大、制造和安裝難度大。一種較好的選擇是采用復合材料，如鋼混凝土復合結構。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，在結構表面采用防腐蝕材料也能有效延長使用壽命。

在結構形式上，浮動式和固定式是兩種主流形式。浮動式結構適用于水深較淺的海域，但是結構復雜、安裝難度大；固定式結構直接固定在海底，適用于水深較深的區域，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構，即在海底設置部分固定點，同時上部采用浮動設計，這樣可以在一定程度上利用海底固定點的穩定性，又保留浮動結構的優勢。

在風載荷和波浪載荷方面，應充分考慮不同海域的風速和波高條件，合理設置結構間距，采用流線型設計可以有效減小風載荷，同時增加結構的剛度也有利于減小波浪對結構的影響。此外，在架設過程中應注意防風設計，避免強風對施工安全的影響。

3.5 狀態監測和預測性維護

與陸地光伏相比，海上光伏系統存在著更多的環境風險，例如風浪、海水腐蝕等，這給光伏組件和系統的運行管理帶來了更大挑戰。所以，對海上光伏系統進行狀態監測和預測性維護對于提高其可靠性和可持續運行至關重要。

首先，需要在海上光伏發電系統上設置全面的監測系統，對關鍵部件如光伏組件、變壓器、開關柜等進行實時監測。可以通過環境傳感器監測海水溫度、風速等外界環境參數，通過電參數傳感器監測組件輸出電流、電壓等電參數，通過機械傳感器監測組件連接件的應力變形等機械參數。這些監測數據通過遙控系統實時傳回岸上控制中心，用于判斷系統運行狀態。其次，需要對監測數據進行深度學習和大數據分析，建立系統各關鍵部件的運行模型。通過對歷史運行數據的學習，可以識別出不同部件的異常運行跡象，并給出預警。

此外，還需要根據環境條件對系統進行預測性維護。例如在風速大于等級8 級風或海水腐蝕嚴重時期等不利條件下，主動關閉部分光伏組件，避免受損。通過環境條件和運行數據的綜合分析，可以預測哪些部件在未來一定時間內存在失效風險，提前進行更換或維修，實現系統的預測性維護。最后，需要定期對整個系統進行全面檢修，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監測與預測性維護，可以有效提高海上光伏系統的可靠性和可持續運行能力。

3.6 制定科學的應急預案

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

4 總結

為了確保海上光伏設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重要。通過選擇耐腐蝕材料、表面處理、定期維護和清潔、結構設計優化以及狀態監測和預測性維護等措施，可以有效地降低海上光伏設備的腐蝕風險，提高設備的穩定性和使用壽命。隨著科技的不斷發展，期待有更多創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發展。