مقدمة
أدى التوجه العالمي نحو الطاقة المتجددة إلى التوسع السريع في المنشآت الكهروضوئية (PV) في البيئات الساحلية والبحرية. وصلت القدرة الكهروضوئية العائمة في جميع أنحاء العالم إلى ما يقرب من 5.9 جيجاوات بحلول نهاية عام 2023 ومن المتوقع أن تتجاوز 10 جيجاوات بحلول عام 2030. توفر الطاقة الكهروضوئية البحرية مزايا متميزة مقارنة بالأنظمة الأرضية-، بما في ذلك تجنب قيود استخدام الأراضي-وزيادة إنتاجية الطاقة بسبب تأثير تبريد الماء على الألواح. ومع ذلك، فإن مياه البحر تقدم مجموعة من آليات التحلل التي تهدد بشكل أساسي متانة وأداء الوحدات الشمسية بطرق نادرًا ما تواجهها المنشآت الأرضية.
آليات مياه البحر-التدهور المستحث
تآكل الزجاج والخسائر البصرية
يعتبر زجاج الغطاء الأمامي للوحدة الكهروضوئية هو الحاجز الأول الذي يتعرض لمياه البحر. أظهرت الدراسات التجريبية أنه بعد 98 يومًا من الغمر في مياه البحر المحاكية، تنخفض نفاذية الزجاج الكهروضوئي من 91.46% إلى 70.35%-خسارة تزيد عن 21 نقطة مئوية. يرجع هذا التدهور البصري الدراماتيكي إلى عملية ترسيب متتابعة: تتشكل طبقات ملح المغنيسيوم- أولاً وتؤدي إلى تسريع التآكل المحلي لسطح الزجاج، تليها طبقات ملح الكالسيوم- التي تؤدي، جنبًا إلى جنب مع ذوبان الزجاج المستمر، إلى زيادة تفاقم الخسائر البصرية وتقليل مخرجات الوحدة.
التآكل الكهروكيميائي للمكونات المعدنية
مياه البحر غنية بالأنواع الأيونية-Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻- التي يؤدي امتصاصها أو اختراقها إلى الوحدة إلى بدء عمليات التآكل الكهروكيميائي. الأقطاب الكهربائية المعدنية، وخاصة الفضة (Ag) والنحاس (Cu)، معرضة بشكل كبير للتحولات المحتملة وانتشار الأيونات، وكلاهما يضر بالاستقرار على المدى الطويل-. في المناطق الساحلية، يكون وضع الفشل الأساسي هو التآكل الكهروكيميائي والكلفاني الذي يحدث عند نقاط التلامس واللحامات المعدنية، حيث يؤدي تسرب الرطوبة إلى اللوحة إلى تسريع أكسدة التلامسات المعدنية وتدهور المواد المغلفة.
من المظاهر المرئية بشكل خاص لهذه العملية تكوين خطوط داكنة أو علامات مائية على أسطح الوحدات. توفر الرطوبة المحملة بالملح - بيئة إلكتروليتية للتفاعلات الكهروكيميائية على معجون الفضة المستخدم في تعدين الخلايا الشمسية، مما يؤدي إلى تكوين أكسيد الفضة الذي يظهر كخطوط سوداء مرئية، مما يؤدي إلى تدهور مظهر الوحدة والأداء الكهربائي.
ثغرة أمنية في التغليف وصندوق التوصيل
يؤدي التعرض الطويل للرطوبة الناتجة عن الملح إلى تآكل أجزاء الوحدة المهمة مثل الإطارات وصناديق التوصيل والأسطح الزجاجية مما يؤدي إلى انخفاض الأداء وتقصير عمر خدمة الوحدة. إذا تم اختراق صندوق التوزيع أو المحطة الطرفية أو العاكس بواسطة ضباب الملح أو بخاره، فإنه يصدأ في النهاية بسبب الرواسب. لذلك، يجب أن تكون صناديق التوصيل للتطبيقات البحرية مختومة بمعيار IP68 لتكون مقاومة للملح والرطوبة.
معدلات التدهور المتسارعة
تشير الملاحظات الميدانية للوحدات ثنائية الجانب في ظل الظروف الساحلية إلى معدلات تدهور سنوية فعالة تتراوح بين حوالي 0.36% و0.75% سنويًا للوحدات المغلفة جيدًا-. ومع ذلك، فإن تراكم الملح على الوحدات الكهروضوئية البحرية يسرع معدل التحلل بنسبة إضافية تتراوح بين 0.05% إلى 0.13%، مما قد يقلل من عمر الوحدة بمقدار 3 إلى 5 سنوات. في الحالات القصوى التي تتسم بتغليف سيئ التصميم، أدى التدهور الناجم عن احتمال -الجانب الخلفي-إلى فقدان الطاقة الخلفية المحلية-بنسبة تتجاوز 30%.
معايير اختبار الصناعة
المعيار الدولي الأساسي الذي يحكم مقاومة التآكل بالضباب الملحي هو المواصفة IEC 61701، التي تصف تسلسلات الاختبار لتحديد مقاومة الوحدات الكهروضوئية للتآكل الناتج عن الرذاذ الملحي المحتوي على مركبات الكلوريد مثل NaCl وMgCl₂. مستوى الاختبار الأكثر خطورة-المستوى 6 - يتضمن ثماني دورات اختبار على مدار 56 يومًا. تتكون كل دورة مدتها 7 أيام من أربع مراحل من رش الملح لمدة ساعتين عند 35 درجة مع رطوبة 93%، يليها التخزين عند 40 درجة مع رطوبة يمكن التحكم فيها. يقوم هذا البروتوكول الصارم بتقييم تدهور خرج الطاقة، واستمرارية الأرض، وتيار التسرب الرطب، ومقاومة العزل، والمظهر.
قدمت الطبعة الثالثة من IEC 61701، الصادرة في عام 2020، تحديثات مهمة: تم تكثيف طرق الاختبار ومواءمتها مع الإصدارات الجديدة من IEC 61215 وIEC 61730، وتمت إضافة ملحق معياري لتوجيه طرق الاختبار التي تنطبق على التطبيقات المختلفة. لقد تجاوزت بعض الشركات المصنعة متطلبات المعيار طوعًا، حيث أجرت اختبارات دورة الرذاذ الملحي لمدة تصل إلى 168 يومًا-ثلاثة أضعاف مدة أعلى مستوى قياسي-وحققت فقدان الطاقة بنسبة 1% فقط.
استراتيجيات التخفيف والحماية
طلاءات زجاجية متقدمة
طورت الشركات الرائدة في مجال الطاقة الكهروضوئية طلاءات زجاجية متخصصة للبيئات البحرية. يستخدم أحد الأساليب الملحوظة طبقة أساسية كثيفة من SiO₂ مدمجة مع طبقة سطحية عاكسة عالية -مضادة للنفاذية-؛ تمنع الطبقة الأساسية بشكل فعال اختراق بخار الماء وأيونات الكلوريد بينما توفر الطبقة السطحية إمكانية التنظيف الذاتي -وتحافظ على نفاذية أعلى من 94%. لقد اجتازت هذه الوحدات اختبار IEC 61701 لرذاذ الملح من المستوى 8، وهو ما يتجاوز بكثير المتطلبات التقليدية. لقد ثبت أن عملية الحماية المتكاملة التي تجمع بين الركيزة المقسى، وطلاء -طبقة النانو- المزدوجة، وترسيب الطبقة الذرية، والتنظيف الذاتي فائق المقاومة للماء، وختم الحواف، تعمل على إطالة عمر الوحدة إلى أكثر من 25 عامًا، مع -طبقة مزدوجة من الزجاج المطلي مما يوضح تحمل رذاذ الملح بما يتجاوز 1,100 ساعة.
الإطار والحماية الهيكلية
عادةً ما يتم تأكسد إطارات الألومنيوم الخاصة بالوحدات الكهروضوئية الأرضية القياسية وفقًا لمواصفات AA10. بالنسبة للبيئات البحرية، يجب ترقية هذا إلى AA20 (سُمك 20-25 ميكرومتر)، والذي يعتبر معيار الدرجة البحرية الإلزامية -لمشاريع الطاقة الشمسية الساحلية. تعمل ترقية الطبقة المؤكسدة للإطار من AA10 إلى AA20 على تحسين مقاومة التآكل بشكل كبير وتعزيز الموثوقية الهيكلية في ظل التعرض لفترات طويلة. تم أيضًا اعتماد طلاءات الزنك-المغنيسيوم- المصنوعة من الألومنيوم للاستخدام في البيئات البحرية C5-M، حيث يوفر محتوى المغنيسيوم بنسبة 3% دفاعًا أكثر فعالية ضد التآكل من الطلاءات ذات المحتوى المنخفض من المغنيسيوم.
الطلاءات-المعالجة الذاتية والمضادة-للأشعة فوق البنفسجية
لقد أدت التطورات الحديثة في تكنولوجيا الطلاء إلى توفير-قدرات الإصلاح الذاتي للمعدات الكهروضوئية البحرية. أظهر الطلاء المركب الذي تم تصنيعه من خلال الغزل الكهربائي والرش الكهربائي التآزري أنه أثناء اختبار رش الملح -، كانت المنطقة المتآكلة أصغر بكثير من تلك الموجودة في الطلاءات الإيبوكسي الفارغة، مع تجاوز المعاوقة الكهروكيميائية للإيبوكسي الفارغ بمقدار أمرين من حيث الحجم. تم تحقيق الشفاء الذاتي- للمناطق المتضررة خلال فترة قصيرة، وبعد اختبار التعتيق المتسارع لمدة 300 ساعة، حافظ الطلاء على خصائصه الفيزيائية والكيميائية وأدائه الوقائي.
التآكل الهيكلي والأثر الميكانيكي
وبعيدًا عن الوحدة الكهروضوئية نفسها، تواجه المكونات الهيكلية للأنظمة الكهروضوئية العائمة البحرية تحديات تآكل شديدة. يؤدي التآكل البحري إلى تقليل قدرة تحمل الحمولة -لمفاصل T-الحرجة بحوالي 33% إلى 45%. تصل نسبة تدهور الصلابة إلى 59.76%، بينما تنخفض قدرة تبديد الطاقة بنسبة 54.6% إلى 62.5%. ومع ذلك، فإن طلاءات رقائق الإيبوكسي-الزجاجية- المعدلة وطلاءات جرافين الزنك تحمي المفاصل T-بشكل فعال، مما يحافظ على قدرة تحمل الحمل-غير المتغيرة تقريبًا دون فشل الطلاء.
الآثار الاقتصادية
تكلفة التآكل في المنشآت الكهروضوئية البحرية كبيرة. عانت مزرعة للطاقة الشمسية بقدرة 5 ميجاوات تقع على بعد 200 متر من ساحل فلوريدا الأطلسي من انخفاض الكفاءة بنسبة 5٪ في عامها الأول، مع وصول تكاليف الصيانة إلى 15000 دولار لكل ميجاوات سنويًا. تضيف المواصفات المقاومة للتآكل-5% إلى 10% إلى الفاتورة المقدمة-من-تكلفة المواد-حوالي 2–4 دولار أمريكي لكل وحدة-ولكن هذه القسط يدفع تكاليفه عن طريق منع تآكل الإطار الذي قد يتطلب استبدال الوحدة بالكامل. في الصين، قُدرت تكاليف التآكل على مستوى الصناعة-بحوالي 4 تريليون يوان، وهو ما يمثل 3.34% من الناتج المحلي الإجمالي، بينما يمكن للحماية الفعالة من التآكل استرداد 25% إلى 40% من هذه الخسائر.
خاتمة
يعد التآكل الناجم عن مياه البحر أحد الصعوبات الكبيرة التي يواجهها سوق الطاقة الكهروضوئية البحرية والساحلية سريعة التطور. هناك أكثر من طريقة لشرح طبيعة المشكلة. تظهر هنا أنواع مختلفة من التحلل - تآكل الزجاج، والعمليات الكهروكيميائية التي تؤثر على الأجزاء المعدنية للجهاز، وإضعاف المواد المغلفة بالإضافة إلى إضعاف هيكل الجهاز نفسه. تواجه الصناعة هذا التحدي من خلال تطوير تقنيات حماية جديدة باستخدام طبقات زجاجية متعددة-وأكسدة متقدمة للأغلفة المعدنية. يتم مساعدة الصناعة من خلال المعايير الدولية في اختبار التآكل مثل IEC 61701. ومع زيادة حجم المشاريع البحرية، يصبح توفير حماية موثوقة ورخيصة من التآكل أمرًا بالغ الأهمية لفعالية محطات الطاقة الشمسية.
