海上光伏的腐蝕破壞與防護(hù)策略研究

摘要：光伏發(fā)電是一種現(xiàn)代化的發(fā)電技術(shù)，是一種重要的清潔能源利用方式。海上光伏發(fā)電站因其建設(shè)在廣闊的海洋區(qū)域而不占用陸上緊缺的土地資源，具有開發(fā)潛力和更突出的光發(fā)電效率。但其工作處于濕度大、鹽度高的海洋環(huán)境中，加強(qiáng)其防腐綜合管控顯得非常必要。以海上光伏的腐蝕破壞類型與危害為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，分析海上光伏腐蝕破壞的防護(hù)策略，分別就新材料防護(hù)、涂層防護(hù)、增設(shè)防護(hù)設(shè)施、綜合應(yīng)用輔助性手段等內(nèi)容進(jìn)行論述，最后結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)對上述理論進(jìn)行論證，服務(wù)于未來海上光伏建設(shè)的防腐工作。

關(guān)鍵詞：海上光伏"腐蝕破壞"涂層技術(shù)"防護(hù)設(shè)施

Corrosion"Damage"and"Protection"Strategies"of"Offshore"Photovoltaics

GAO"Junjie1"LU"Chenglin2"ZHANG"Jichao1

1.Huadian"（Zhejiang）"New"Energy"Co.，"Ltd."Hangzhou，"Zhejiang"Province，"310000"China;

2."Huadian"Heavy"Industry"Co.，"Ltd."，"Beijing，"100160"China

Abstract："Photovoltaic"power"generation"is"a"modern"power"generation"technology"and"an"important"way"of"utilizing"clean"energy."Offshore"photovoltaic"power"stations"have"development"potential"and"higher"photovoltaic"power"generation"efficiency"due"to"their"construction"in"vast"ocean"areas，"without"occupying"scarce"land"resources."However，"they"operate"in"a"high"humidity"and"high"salinity"marine"environment，"so"it"is"necessary"to"strengthen"its"comprehensive"anti-corrosion"control.Beginning"with"the"types"and"hazards"of"corrosion"damage"in"offshore"photovoltaics，"this"paper"analyzes"the"protection"strategies"for"corrosion"damage"in"offshore"photovoltaics，"including"new"material"protection，"coating"protection，"installation"of"protective"facilities，"and"comprehensive"application"of"auxiliary"methods."Finally，"these"strategies"are"demonstrated"through"simulation"experiments"to"support"anti-corrosion"efforts"in"future"offshore"photovoltaic""construction.

Key"Words："Offshore"photovoltaics;"Corrosion"damage;"Coating"technology;"Protective"facilities

海上光伏狹義上是指在海洋環(huán)境中建設(shè)、運(yùn)營太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)，廣義上的海上光伏牽涉到海水淡化、海洋牧場、海上風(fēng)電等。本文取其狹義進(jìn)行研究。海上光伏系統(tǒng)的工作模式與陸上光伏系統(tǒng)相似，主要借助光電轉(zhuǎn)化裝置完成對光能的利用，具有可持續(xù)利用、潔凈無污染的優(yōu)勢[1]。但是，在其長期工作的過程中，海洋環(huán)境的特殊性往往會腐蝕海上光伏工作系統(tǒng)，且較陸上腐蝕破壞更為嚴(yán)重，從而降低了海上光伏的工作能力，降低其使用壽命，也會導(dǎo)致運(yùn)維支出增加。因此，加強(qiáng)海上光伏腐蝕防護(hù)工作十分必要。

1"海上光伏的腐蝕破壞類型與危害

1.1"海上光伏的腐蝕破壞類型

海上光伏的腐蝕破壞可分為混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕、金屬部件腐蝕、太陽能電池板表面腐蝕3個類別。

1.1.1"混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕

海上光伏系統(tǒng)的基本支承結(jié)構(gòu)一般為混凝土，混凝土各部分受到海水、海風(fēng)以及水汽影響，出現(xiàn)腐蝕問題的可能性很高，包括基本的水腐蝕、電化學(xué)腐蝕等，混凝土外部結(jié)構(gòu)、金屬（鋼筋）等均可能因腐蝕問題出現(xiàn)老化、損壞等問題。以水腐蝕為例，混凝土屬于多孔性材料，其內(nèi)部大多存在數(shù)目較多的小空隙，在海上作業(yè)的情況下，海水進(jìn)入混凝土空隙中可產(chǎn)生破壞，海水中還有各類氯化物、硫化物（SO2、NO2、CO2、NaCl等），其水溶液會導(dǎo)致返鹽、返堿現(xiàn)象，使混凝土表面和內(nèi)部被破壞，總體承重能力下降[2]。

1.1.2"金屬部件腐蝕

海上光伏系統(tǒng)一般使用各類金屬材料提供總體強(qiáng)度，如混凝鋼筋，部分金屬材料也作為光伏系統(tǒng)的組件，以保證其能夠常規(guī)發(fā)揮光電轉(zhuǎn)化方面的作用。常見的金屬部件腐蝕包括電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕等。以鋼筋的電化學(xué)腐蝕問題為例，在混凝土工作區(qū)域，自由電子在混凝土內(nèi)部、外部活動，混凝土鈍化區(qū)域?yàn)殛帢O，其金屬部分形成陽極，混凝土內(nèi)部、外部的電位差因材料性質(zhì)而無法根本避免，這導(dǎo)致陰極和陽極之間電子的快速、持續(xù)交換，海上光伏系統(tǒng)長期處于潮濕環(huán)境下，加快了這一過程，鋼筋各處生成物為Fe（OH）2（氫氧化亞鐵），并在氧化作用下形成鐵銹，以致鋼筋體積膨脹，自身理化性能弱化，同時也會影響混凝土性能[3]。

1.1.3"太陽能電池板表面腐蝕

太陽能電池板是海上光伏系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，可對太陽能（光能）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成直流電，再通過其他電氣設(shè)備對直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成可供直接使用的交流電。太陽能電池板在海上環(huán)境下可能出現(xiàn)磨損腐蝕、金屬腐蝕、氣體腐蝕等情況。以磨損腐蝕為例，海上光伏系統(tǒng)大多在近海區(qū)域建設(shè)和工作，海風(fēng)中含有各類固體顆粒，這些微粒在風(fēng)力作用下持續(xù)摩擦太陽能電池板表面，使玻璃、硅片、金屬導(dǎo)電層等被破壞，降低其對太陽能的接收和轉(zhuǎn)化能力，形成長期層面的腐蝕破壞[4]。

1.2"海上光伏的腐蝕破壞危害

海上光伏的腐蝕破壞危害主要集中于3個方面，即系統(tǒng)的工作能力、系統(tǒng)的運(yùn)維支出、系統(tǒng)的總體使用壽命。

各類腐蝕均有可能影響海上光伏系統(tǒng)的工作能力，該問題也是加強(qiáng)海上光伏的腐蝕控制工作的直接促因，如太陽能電池板表面腐蝕降低了其光電轉(zhuǎn)化能力、插件腐蝕導(dǎo)致電力輸出效率下降等。較嚴(yán)重的腐蝕需要及時進(jìn)行處理，包括混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞、金屬銹蝕等，這顯著增加了海上光伏的運(yùn)維成本。發(fā)生在海上光伏系統(tǒng)各處的腐蝕情況存在一定客觀性，很難根本免除，如果控制腐蝕工作開展不到位、不及時，則系統(tǒng)整體的老化速度會加快，使用壽命也會受到影響出現(xiàn)降低[5]。

2"海上光伏腐蝕破壞的防護(hù)策略

2.1"新材料防護(hù)

新材料防護(hù)是指借助各類新式材料進(jìn)行海上光伏系統(tǒng)建設(shè)，利用新材料理化性質(zhì)方面的優(yōu)勢降低腐蝕破壞，提升其耐腐蝕性和使用壽命。較常見的新材料包括合金金屬、新式混凝土等。以新式混凝土為例，C50防腐蝕混凝土在部分水利工程中得到應(yīng)用，也可以用于海上光伏系統(tǒng)的支承結(jié)構(gòu)建設(shè)。

在實(shí)際工作中，主要強(qiáng)調(diào)控制不同材料配合比，同時應(yīng)用防腐蝕材料對混凝土的理化性能進(jìn)行改進(jìn)。在材料配合比方面，以180～220"mm坍落度為基準(zhǔn)，其不同材料用量如表1所示。

按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土制備，可以提升其密實(shí)度，減少海水進(jìn)入混凝土小空隙中造成破壞的可能，降低破壞性。其他新式材料也可以發(fā)揮類似作用，提升海上光伏的腐蝕控制、防護(hù)效果。

2.2"涂層防護(hù)

涂層防護(hù)是一種較常見的表面防護(hù)技術(shù)。該技術(shù)主要強(qiáng)調(diào)在待保護(hù)物表面涂刷防腐蝕材料，以避免目標(biāo)與空氣中氧化物、破壞性物質(zhì)直接接觸，起到防腐蝕的目的。其在金屬材料中的應(yīng)用比較普遍，也可以用于混凝土防腐蝕，其基本工作原理如圖1所示。

按照圖1所示模式，在保護(hù)對象（金屬、混凝土等）外層涂刷防腐蝕涂層，海水、水汽等可少部分進(jìn)入涂層，但無法直接接觸保護(hù)對象，強(qiáng)光、金屬顆粒等則被涂層阻擋，通過反射等方式遠(yuǎn)離保護(hù)對象。在技術(shù)應(yīng)用方面，以海上光伏的金屬架構(gòu)為例，在組織防腐蝕涂層涂刷時，可選用改性瀝青、樹脂等高分子致密性材料為主，其工序如圖2所示。

施工前，要求首先對金屬結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理，去除各類雜物、焊瘤、水漬等，保證其表面潔凈和平整。之后，組織初次涂刷，如果金屬架構(gòu)規(guī)格較小，則可以人工借助簡單設(shè)備進(jìn)行涂刷；較大的金屬架構(gòu)可以借助機(jī)械設(shè)備進(jìn)行涂刷。涂層防腐能夠在較長時間內(nèi)發(fā)揮防腐作用，且成本低廉，適用性也比較廣泛。

2.3""增設(shè)防護(hù)設(shè)施

一些海風(fēng)較大、海浪較高的區(qū)域，可在上述技術(shù)之外設(shè)法增設(shè)防護(hù)設(shè)施。在光伏組件表面增加防護(hù)罩、海上光伏基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)外防護(hù)欄等設(shè)施，減少海鹽顆粒和海浪對組件表面與建筑結(jié)構(gòu)的沖刷和磨損，降低腐蝕破壞。

光伏組件表面可以利用防護(hù)罩提供防護(hù)，防護(hù)罩的選取要求為具有較強(qiáng)的物理強(qiáng)度、較高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時不影響透光性，在條件允許的情況下，也應(yīng)具有溫度控制、紫外線控制方面的附屬功能，以提升太陽能電池板等重點(diǎn)元器件的使用壽命。在此要求下，鋼化玻璃、熱固性塑料、具有透光性的改性材料可滿足一般需要。

3"模擬分析

以某近海海上光伏系統(tǒng)為例，通過參數(shù)代入法，對新式材料、涂層防護(hù)與防護(hù)設(shè)施防護(hù)工作進(jìn)行模擬，分別代入時間參數(shù)、水汽影響參數(shù)、海水沖擊參數(shù)與金屬附屬參數(shù)，所有參數(shù)均結(jié)合既往資料進(jìn)行計算，獲取固定值后，直接代入計算機(jī)模型。評估新技術(shù)應(yīng)用后光伏系統(tǒng)各部分的腐蝕情況，與該平臺此前的工作資料進(jìn)行對比，包括腐蝕發(fā)生區(qū)域比例、腐蝕處理難度、腐蝕等級。模擬結(jié)果如表2所示。

從表2結(jié)果可以看出，在應(yīng)用新技術(shù)的情況下，海上光伏系統(tǒng)的腐蝕發(fā)生區(qū)域比例為1.3%，低于此前常規(guī)模式下的4.9%。腐蝕處理難度較小；在腐蝕等級方面，兩個級別比較接近，都屬于較低水平。這表明新式材料、涂層防護(hù)與防護(hù)設(shè)施防護(hù)有助于提升海上光伏系統(tǒng)的防腐蝕能力。

4""結(jié)語

綜上所述，海上光伏遭受腐蝕破壞后，經(jīng)濟(jì)壓力加大、工作能力受限，需要加強(qiáng)腐蝕控制，提升防護(hù)水平。目前，海上光伏面臨的腐蝕破壞包括混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕、金屬部件腐蝕、太陽能電池板表面腐蝕、接插件腐蝕等，其形成原因略有差別。基于防護(hù)目的，主張選用新式材料進(jìn)行光伏工作系統(tǒng)建設(shè)、應(yīng)用涂層防護(hù)技術(shù)提供支持、增設(shè)防護(hù)設(shè)施、綜合應(yīng)用輔助性手段控制腐蝕問題。結(jié)合模擬成果可知，上述措施具有一定的時效性，可在未來工作中加以運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

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[3]"董建業(yè)，黃凱龍，許立，等.海上固定式光伏薄壁型鋼桁架耐腐蝕性研究[J].涂層與防護(hù)，2024，45（1）：8-12，27.

[4]"趙通.海上油田平臺供電系統(tǒng)弧光高阻故障保護(hù)方法研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2023.

[5]"許康，盧勝強(qiáng)，沈明，等.海洋環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)在漂浮式光伏電站的應(yīng)用[J].化工管理，2023（31）：120-123.