漂浮式光伏发电系统材料在海洋环境中的腐蚀效应分析

徐姗姗，姚敬华，黄东亚

(1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所厦门材料研究院，厦门 361101；2. 中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳 471023)

0 引言

能源是经济发展的先决条件，在过去几十年，全球可再生能源技术发展迅速，太阳能以清洁、安全、取之不尽等显著优势，成为发展最快的可再生能源之一。尤其是中国的光伏产业，目前已占据全球70%以上的市场份额。

光伏发电系统一般安装在地面或屋顶。地面光伏发电系统的建设需要占用大量土地，而日本、韩国、印度尼西亚等国家的土地资源有限，因此，漂浮式光伏发电系统就有了开发需求。漂浮式光伏发电系统是指可以安装在海洋、湖泊、水库、渔场等水体上的光伏发电系统。目前，漂浮式光伏发电系统在美国、英国、日本等国家都已有应用案例，而中国在该领域的启动较晚，在2015年才开始有小规模示范项目启动，主要分布在安徽、天津、山东等地区。根据全球行业分析公司(Global Industry Analysts)发布的研究报告，预计2026年漂浮式光伏电站的累计装机容量将达到4.8 GW，年复合增长率大于30%。

中国现有的漂浮式光伏发电系统示范项目一般建设在面积较小的内陆水域，采用“渔光互补”的模式，工况环境相对简单。因此，此类漂浮式光伏发电系统的设计方案及配套设施对于复杂工况，尤其是海洋环境的适应性较差，这也限制了其在海洋环境下的大规模应用。本文基于建设在内陆水域的漂浮式光伏发电系统设计及材料选用，对漂浮式光伏发电系统材料在海洋环境下应用时的腐蚀效应进行分析，为开发利用海上光伏资源提供借鉴。

1 海洋腐蚀环境及其分区

相比于淡水环境，海洋环境是一个复杂、恶劣的自然腐蚀环境，在这样的环境下建设漂浮式光伏发电系统将面临更多问题。比如：1)海水及海面附近空气中均含有大量的盐类，其含盐量根据地域、温度不同而不同。在高浓度的腐蚀离子长期作用下，漂浮式光伏发电系统及其所用材料的使用寿命将受到严重影响。2)海洋中约有20万种生物，1500多种细菌，每mL海水中最多可含100万个细菌。漂浮式光伏发电系统的浮体材料长期浸泡在海水环境中，藻类、贝类等生物会在其表面大量附着、生长，进而造成其自重发生改变，影响其在海水中的稳性。3)与内陆水域相比，海洋中的风浪更大，对漂浮式光伏发电系统及其所用材料的力学性能提出了更高的要求。

根据海工设施所处区域的不同，可得海洋腐蚀环境分为5个区带，分别是海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区[1]。漂浮式光伏发电系统在海水平面漂浮，主要处于海洋大气区和浪花飞溅区，其部分浮体处于海水全浸区。受空气中海盐微粒的影响，海洋大气区以盐雾腐蚀为主；受长期光照引起的高温及海水飞溅造成的干湿交替环境的影响，浪花飞溅区形成了最苛刻的腐蚀环境；受海水中溶解氧、盐度及生物因素的共同作用，在海水全浸区会面临腐蚀及生物污损问题。国内外的科学研究均表明：海洋中的浪花飞溅区的腐蚀速率最快，是海水全浸区的3～10倍[1]。

在腐蚀离子、生物污损、疲劳荷载、高温、干湿交替等多重环境因素的长期作用下，漂浮式光伏发电系统的应用效果及其服役寿命会受到影响。材料性能是装备性能的基础，因此，对漂浮式光伏发电系统各部分所用材料在海洋环境下的腐蚀效应进行分析研究是其大规模推广应用的基础，具有重大的科研意义。

2 漂浮式光伏发电系统结构及各部分主体材料

漂浮式光伏发电系统由上部结构和下部结构组成。上部结构包括光伏组件及电气系统，下部结构包括浮体、锚泊系统。漂浮式光伏发电系统结构示意图如图1所示。

图1 漂浮式光伏发电系统的结构示意图Fig. 1 Structural diagram of floating PV power generation system

2.1 光伏组件

目前，建设于内陆水域的漂浮式光伏发电系统使用的光伏组件与建设于陆地的光伏发电系统使用的相同，即均为常规的晶体硅光伏组件，未进行环境适应性改进。光伏组件主要由边框、光伏玻璃、封装材料、太阳电池、背板、接线盒组成，具体结构如图2所示。除太阳电池外，其余均暴露在海洋环境下。

图2 光伏组件的结构示意图Fig. 2 Structural diagram of PV module

常规晶体硅光伏组件的边框一般采用铝合金材质，对铝合金表面进行处理是提升其环境适应性和延长使用寿命的重要手段。根据不同的使用环境及要求，需采用不同的表面处理工艺。常用的铝合金表面处理工艺有微弧氧化、等离子喷涂、阳极氧化、喷漆等，也可采用多种工艺复合处理，达到增强防护的效果。

光伏玻璃是无机非金属材质，其本身有较好的防腐性能，一般通过对光伏玻璃表面镀膜来提高其透光率。

封装材料最常采用聚合物基粘结剂乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，用于阻隔太阳电池与外部环境接触。若封装材料失效，则会影响内部太阳电池的使用寿命。

背板主要起到密封作用，用于保护太阳电池，其类型主要有玻璃背板、含氟背板等。

2.2 电气系统

光伏发电系统的电气系统通常包括汇流箱、逆变器、电缆等。汇流箱的箱体材质一般为钢板、铝板或工程塑料。对于建设在海上的漂浮式光伏发电系统的电气系统，除需考虑其结构形式、防雷、防冻等内容外，还需重点考核其的耐盐雾及耐湿热交变性能，确保其长期在高温、高湿、高盐雾、强降水、强雷电、强台风环境下性能的稳定性、可靠性。并防止其因表面损坏等造成漏电而引起安全事故。

2.3 浮体材料

与建设在陆地的光伏发电系统不同，漂浮式光伏发电系统的各部件需由浮体材料支撑。目前，在国内外的漂浮式光伏发电系统示范应用案例中，淡水环境下一般采用高密度聚乙烯(HDPE)作为浮体材料，通过中空吹塑制成，具体如图3所示。此种材料大量用于燃气管道，具有耐磨性好、吸水率低、环保可回收等优点。浮体材料是漂浮式光伏发电系统的关键支撑部件，但目前其在结构设计、材料抗风浪及耐老化性能、浮体可靠性及寿命评价等方面均存在较多的技术问题尚未解决，其可靠性、寿命、经济性是制约漂浮式光伏发电系统大规模应用的主要原因。

图3 HDPE浮体材料Fig. 3 HDPE floating material

2.4 锚泊系统

为保证漂浮式光伏发电系统在水面上的位置相对固定，需要采用锚泊系统进行牵制。由于锚泊系统在海洋环境中的应用非常广泛，其所用材料的环境适应性问题与传统海工设施一致。

3 海洋环境对不同材料及材料间连接部位的腐蚀效应作用机理

根据漂浮式光伏发电系统所采用的材料的组成成分不同，其一般可分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料4类。在海洋环境下，多重因素都会造成材料腐蚀，从而对其性能产生影响，主要影响因素可分为3类：物理因素、化学因素及生物因素。其中，物理因素包括光照、温度、风荷载、波浪荷载等；化学因素包括水分、氯离子浓度、氧含量、腐蚀性气体等；生物因素包括微生物、贝类、藻类等[2]。因材料种类、环境因素不同，海洋腐蚀环境对材料性能的作用机理也有所不同。下文根据材料种类不同，分析海洋腐蚀环境对漂浮式光伏发电系统各部件的腐蚀效应作用机理。

3.1 金属材料

光伏组件的边框、汇流箱等的箱体均属于金属材料，一般为铝合金、不锈钢等材质。从其所处环境来说，光伏组件边框和汇流箱等电器类的箱体都未浸泡在海水中，因此，此类部件以海洋大气腐蚀及浪溅区腐蚀为主。

金属材料在海洋大气环境中的腐蚀效应作用机理是：在光照作用下，海洋大气中的水汽含量升高，在金属表面形成一层液膜。海洋大气中的海盐微粒溶于液膜，产生电化学反应，引起金属腐蚀[3]。海洋大气环境随着海域及离岸距离的不同而存在一定差异。不同海域的温湿度、辐照度、盐度、污染物含量等不同，这些环境因素及其耦合作用对材料的腐蚀程度差异很大[4]。海水飞溅对金属材料的腐蚀原理与上述腐蚀原理类似，不同的是，海水中Cl-浓度更高，点蚀更为严重。同时，干湿交替及光照引起的高温也会加速腐蚀效应。

以铝合金为例，其在海洋大气环境中受到的电化学腐蚀程度主要取决于合金的成分。铝合金在大气中能够形成致密的氧化膜。铝合金在海洋大气环境中的电化学腐蚀反应式如式(1)～式(2)所示：

海洋大气环境中的Cl-吸附在氧化膜表面或穿过钝化膜与金属基体接触，与Al3+相互作用形成AlCl3，导致钝化膜被破坏，形成点蚀。根据牌号不同，铝合金含有不同比例的Fe、Cu等成分，由于各类铝合金的金属成分不同且各合金间存在腐蚀电位差，因此，不同牌号的铝合金在海洋大气环境中的耐腐蚀性不同。

常用的金属材料防腐技术有表面处理技术(有机涂层、金属涂层)和阴极保护技术。针对建设于海上的漂浮式光伏发电系统中金属材料的海洋大气环境腐蚀，一般需先依据ISO 12944-2:2017对项目所在地海域的环境因素进行具体分析，从而对其腐蚀等级进行界定，并制定相应的防腐蚀方案。

3.2 有机高分子材料

封装材料聚合物基粘结剂EVA、接线盒外壳材料、HDPE浮体材料均为有机高分子材料。从其所处环境来看，EVA长期暴露于光照下；接线盒处于海洋大气环境中，无暴晒；浮体材料上部处于暴晒环境下，下部与海水接触，处于水面以下。因此，EVA和浮体材料均存在长期暴露于紫外线照射下发生老化的问题。接线盒存在湿热、盐雾环境下的老化问题；浮体材料水面以下部分也存在由于生物污损造成的浮体材料自身重量变大、荷载变化等问题。

不同环境因素下有机高分子材料老化机理不同：长时间光照或高温作用会引起高分子链的运动加剧，分子的能量突破临界值，引起高分子链的断裂或降解，形成自由基[2]。在有氧环境中，自由基和高能态分子发生氧化反应，生成羰基和氢过氧化物，进而引发光化学反应，导致制品出现龟裂、分化、强度下降等老化现象。而且由于高分子链上存在亲水基团，水分子渗透到高分子材料结构内部，造成分子链间膨胀或与亲水基团作用，分子结构被破坏，导致老化。此外，盐雾、机械力等均会加剧老化过程。

以HDPE为例，在日光照射下其会发生光氧化，为自由基链式反应，其机理[5]如式(3)～式(10)所示。其中：R·表示碳自由基；H·表示氢自由基；ROO·表示过氧化自由基；ROOH表示氢过氧化物。

链引发：

链增长：

链支化：

在氢过氧化物浓度较高时，则：

在氢过氧化物浓度较低时，则：

链终止：

高分子材料老化是制约其应用的关键问题[5]。高分子材料常见的抗老化措施包括物理防护、结构改性、添加抗老化剂等。高分子材料的抗老化性能直接决定了其使用寿命。光伏发电系统的使用寿命是计算其投资收益比的关键参数，因此应用于海上的漂浮式光伏发电系统中所使用的高分子材料，尤其是浮体材料的抗老化性能提升及评价技术、寿命预测技术，是其后续开发应用中需关注的重点。

浮体材料与海水直接接触，其水面以下部分需要进行防污处理。常用的海洋防污技术包括物理清除技术、电解防污技术、生物防治技术及外加防污材料等，可根据具体应用场景，如渔光互补、风光互补等选取适合的方案。

3.3 无机非金属材料

光伏玻璃属于无机非金属材料。无机非金属材料自身具有良好的防腐性能，但在海洋环境下，空气中的灰尘、海水飞溅形成的盐渍、海鸟粪便等异物都会在光伏玻璃表面聚集，降低光伏组件的发电量。如果不能及时对污染物进行清理，会形成局部热斑，可能破坏整个光伏组件。

相比于地面光伏发电系统，建设于海上的漂浮式光伏发电系统的巡检、清理难度更大、成本更高。若运维不及时，则会严重影响漂浮式光伏发电系统的使用寿命。因此，除了在材料表面采用自清洁涂层等方式进行改善外，需开发更智能化的运维方案，提升运维效率，保障漂浮式光伏发电系统的稳定、高效运行。

3.4 材料间连接部位

除了各类材料的防腐外，复杂环境下异种材料间的连接结构腐蚀也是海洋工程装备应用中的难题，同时还是进行海洋装备可靠性评估的重点。

漂浮式光伏发电系统各部件间的连接形式有胶接(如边框与光伏玻璃、边框与背板、接线盒与背板之间的连接)、螺接或铆接(如光伏组件与浮体材料、浮体材料间的连接等)。针对胶接部位，需强化EVA胶黏剂的耐候性。针对螺接或铆接的部位，由于浮体在海面上随风浪摆动，处于长周期疲劳损耗状态，连接部位材料的疲劳损伤及寿命是考核其耐候性的关键。连接部位材料的可靠性及使用寿命，除了与材料自身的性能相关外，还取决于连接部位的结构设计。可通过柔性连接或增大浮体尺寸等方式，降低耦合应力及疲劳对材料性能的影响。

4 结论

本文对漂浮式光伏发电系统在海洋环境中的腐蚀效应进行了分析。由于此类光伏发电系统材料在海洋环境下的耐候性及使用寿命制约了其应用场景。因此，应将漂浮式光伏发电系统材料在实海环境下的腐蚀效应及选材标准进行系统性的研究、测试及分析，为应用于海上的漂浮式光伏发电系统的推广应用提供技术支撑。