海上光伏的腐蚀破坏与防护措施

刘骁，贾志军,2

（1.国能江苏新能源科技开发有限公司，南京 210000；2.北京低碳清洁能源研究院，北京 100010）

引言

在国家“碳达峰，碳中和”目标政策的支撑下，新能源迎来了高速发展的新周期，太阳能光伏作为清洁能源重要形式得到了快速发展。陆地光伏项目的高速持续开发，导致可开发利用的土地空间变得有限并趋于饱和[1]。因此，必须将新能源的开发转向更宽广、更深远的空间。海上光伏因其可利用空间广、系统温控条件好和日照时间长等优势，成为可持续能源发展的重要方向。

海上光伏可有效利用海洋面积，充分利用太阳能资源，实现大规模发电，解决了陆地上可再生能源利用空间有限的问题，有助于保护自然资源和生态环境；其次，海洋环境相对稳定，热量扩散效果好，能够降低光伏组件的温度，提高发电效率；最后，海上光伏的建设可以促进区域经济发展，创造就业机会，并为当地提供可靠的清洁能源[2]。综上所述，海上光伏发电具有利用空间大、效率高、环境适应性强等优势，对实现可持续发展和低碳经济具有重要意义。

但是，由于海洋环境的腐蚀性因素，给生产运维工作带来了新的挑战，尤其是光伏组件桁架及桩基材料的腐蚀成为制约其大规模发展和应用的关键。因此，为对海上光伏的腐蚀问题有全面的理解，本文对海上光伏系统的相关类型进行分类，分析其在海洋环境下的腐蚀机理，系统性介绍腐蚀防护解决方案。

1 海上光伏的结构

海上光伏发电系统是指在海洋环境中建设的太阳能发电系统。与陆地光伏发电系统相比，海上光伏发电系统具有光照资源更丰富、占地面积小等优势，因此在近年来得到了广泛关注和应用。海上光伏发电系统的主要结构包括浮台结构、锚定结构以及电力传输结构等几个部分[3]。

浮台结构是海上光伏发电系统的基础。通常有两种类型的浮台结构，，一种是浮筏式浮台，由浮筏组成的平台上布置光伏组件；另一种是桩式浮台，利用钢制或混凝土制作的桩柱支撑光伏组件。选择浮台类型需要考虑海况、水深等环境因素。锚定结构的任务是保证浮台的稳定性，常见的有重锚、弹簧锚等不同形式。

光伏组件布置在浮台上，组成海上光伏电站的主体。光伏组件大多采用单晶或多晶硅材料制成，以模块或板的形式安装。电路设备室则安置在浮台上，完成光伏电能的转换、变频、控制等功能。电缆通过电缆桥将每一浮台产生的直流电连接成集电回路，再通过下水电缆向岸边输送。

2 海上光伏的腐蚀问题

化学和电化学腐蚀是海上光伏项目面临的主要腐蚀形式，主要的腐蚀来源包括海水、海风及其中的盐分[4,5]。海水中含有大量的溶解盐分，如氯离子和钠离子等，这些离子都具有很强的腐蚀性。同时，海水还富含氧气，能促进电化学腐蚀的发生。海风带来的海水飞溅也会加剧光伏组件表面的腐蚀。长期暴露在这样恶劣的海洋环境中，光伏组件很容易发生表面腐蚀，导致其功能和使用寿命受到影响。

生物污损是海上光伏面临的另一种破坏形式，主要来源于海洋生物对光伏板面和连接线的附着[6]。在海洋环境中，各种海洋生物如海藻、贝类、甲壳类动物等，都可能会在光伏板面上附着生长。一些动物如贝类还可能会啃咬光伏板面和连接线，从而造成物理损伤。这些生物附着会导致光伏板表面受阻，影响光传输效率，严重降低光伏系统的发电效率。同时，生物附着也可能会导致连接线的老化和断裂，从而影响整个系统的正常运行。

机械损伤也是海上光伏项目面临的重要破坏形式，主要来源于海浪，风暴以及船只碰撞和鱼网缠绕带来的机械影响。海浪的冲击力很大，长期的冲击会导致光伏模块和支架等设备的部件发生变形或者断裂。同时，强风还可能会吹倒光伏浮体上的设备。一旦发生这类天气灾害事件，光伏项目就存在着大面积设备受损的风险。再者，海上光伏项目还可能面临船只碰撞和鱼网缠绕等第二方破坏。例如，船只航行过程中因操作不当可能会与海上光伏浮体发生碰撞。同时，渔民的鱼网也可能会缠绕在光伏浮体上，给设备带来损害。这类人为因素给光伏项目增加了隐患。

3 海上光伏的防护措施

3.1 防腐材料选择

支架是光伏系统中的重要结构部件，直接支撑整个光伏阵列系统。一般来说，支架材料需要具备高强度、抗腐蚀性能以及长期使用的稳定性。目前，不锈钢是最主流的支架材料选择。不锈钢具有优异的机械性能和抗海水腐蚀能力，且成本相对较低。但是，低碳不锈钢的抗腐蚀性能依然无法满足超长期使用的需求。新型高锰不锈钢因具有更高的抗腐蚀潜能，正在成为新的研发方向。

其次，电缆是光伏系统中另一重要部件。海上电缆直接暴露在海水环境中，防腐要求极高。目前，海水电缆主要采用聚乙烯为外套材料，内芯采用铜或铝作为导体材料。聚乙烯材料的高密度可以有效阻隔海水，大大延长电缆的使用年限。此外，给电缆外层镀锌或不锈钢也可以进一步提高其防腐性能。

最后，光伏模组作为发电的关键部件，其玻璃和封装材料的选择也同样重要。一般采用低铅玻璃，可以有效阻隔紫外线和海水的侵蚀。同时，采用聚硅橡胶或聚氯乙烯作为模组封装材料，也具有很好的防水防腐性能。此外，给模组表面镀锌也可以增加其海水中使用的年限。

3.2 表面处理

目前，主流的表面处理技术包括电镀、氧化膜法和涂层法等。电镀法通过在材料表面镀上一层更耐腐蚀的金属来阻隔海水，但成本较高。氧化膜法利用热处理或电化学方法在表面形成一层稳定的氧化膜，如铝表面形成的氧化铝膜，可以很好地防止腐蚀。涂层法利用各种聚合物涂层包裹材料表面，常见的有环氧涂层和聚氨酯涂层等。开发具有自清洗功能的超疏水和超亲水涂层技术可以有效控制生物污损。这些技术均能有效延长材料的使用寿命。

3.3 定期维护和清洁

海上光伏发电系统长期承受海浪和风沙等恶劣环境的侵蚀，光伏组件表面容易积聚各种污垢，这将导致光伏效率下降。定期进行维护和清洁工作可以有效清除组件表面污垢，恢复光伏发电效率，保证系统长期稳定运行。

维护工作主要包括组件和结构体的检查。需要检查光伏组件是否有破损，支架是否有腐蚀等问题。此外也需要检查电路和连接线路是否有问题，监测仪表是否正常运行。一旦发现任何异常，需要及时排除故障。

清洁工作是海上光伏发电系统维护的重要内容。由于海上环境影响，光伏组件表面很容易积聚各种污垢，如海盐、浮游生物等。如果长期不清洁，这些污垢将严重影响光伏发电效率。所以需要定期组织人员进行清洁工作。

清洁方法主要有机械清洁和高压清洁两种。机械清洁使用软刷或清洁布手工清洁组件表面。高压清洁使用高压水枪将组件表面冲洗干净。选择合适的清洁方法需要结合当地环境条件，确保清洁效果好而不损坏组件。

3.4 结构设计优化

从结构材料选择来看，海上光伏结构主要采用钢结构或混凝土结构。钢结构体质轻、成本低，但是容易腐蚀;混凝土结构耐久性好，但是重量大、制造和安装难度大。一种较好的选择是采用复合材料，如钢混凝土复合结构。它利用混凝土的高强度和钢材的高强性，同时也减轻了整体重量。此外，在结构表面采用防腐蚀材料也能有效延长使用寿命。

在结构形式上，浮动式和固定式是两种主流形式。浮动式结构适用于水深较浅的海域，但是结构复杂、安装难度大；固定式结构直接固定在海底，适用于水深较深的区域，但是海底土壤条件要求高。一种较好的选择是采用半浮动半固定式混合结构，即在海底设置部分固定点，同时上部采用浮动设计，这样可以在一定程度上利用海底固定点的稳定性，又保留浮动结构的优势。

在风载荷和波浪载荷方面，应充分考虑不同海域的风速和波高条件，合理设置结构间距，采用流线型设计可以有效减小风载荷，同时增加结构的刚度也有利于减小波浪对结构的影响。此外，在架设过程中应注意防风设计，避免强风对施工安全的影响。

3.5 状态监测和预测性维护

与陆地光伏相比，海上光伏系统存在着更多的环境风险，例如风浪、海水腐蚀等，这给光伏组件和系统的运行管理带来了更大挑战。所以，对海上光伏系统进行状态监测和预测性维护对于提高其可靠性和可持续运行至关重要。

首先，需要在海上光伏发电系统上设置全面的监测系统，对关键部件如光伏组件、变压器、开关柜等进行实时监测。可以通过环境传感器监测海水温度、风速等外界环境参数，通过电参数传感器监测组件输出电流、电压等电参数，通过机械传感器监测组件连接件的应力变形等机械参数。这些监测数据通过遥控系统实时传回岸上控制中心，用于判断系统运行状态。其次，需要对监测数据进行深度学习和大数据分析，建立系统各关键部件的运行模型。通过对历史运行数据的学习，可以识别出不同部件的异常运行迹象，并给出预警。

此外，还需要根据环境条件对系统进行预测性维护。例如在风速大于等级8 级风或海水腐蚀严重时期等不利条件下，主动关闭部分光伏组件，避免受损。通过环境条件和运行数据的综合分析，可以预测哪些部件在未来一定时间内存在失效风险，提前进行更换或维修，实现系统的预测性维护。最后，需要定期对整个系统进行全面检修，清洗光伏组件表面，检测接触件是否老化，更换有问题的部件。通过全面和精细的状态监测与预测性维护，可以有效提高海上光伏系统的可靠性和可持续运行能力。

3.6 制定科学的应急预案

制定风暴来袭的应急停机预案，必要时可以将光伏板组垂直放置，减少风力对面积的作用。需要定期组织应急演练，检查应急预案的科学性和操作性。只有做好风险防范工作，海上光伏才能长期稳定运行，为我国清洁能源发展贡献力量。

4 总结

为了确保海上光伏设备的正常运行和延长使用寿命，采取有效的防腐蚀措施和运行维护至关重要。通过选择耐腐蚀材料、表面处理、定期维护和清洁、结构设计优化以及状态监测和预测性维护等措施，可以有效地降低海上光伏设备的腐蚀风险，提高设备的稳定性和使用寿命。随着科技的不断发展，期待有更多创新的方法来解决海上光伏的腐蚀问题，以推动可再生能源的可持续发展。