Introducció
L'empenta global cap a les energies renovables ha impulsat una ràpida expansió de les instal·lacions fotovoltaiques (PV) en entorns costaners i offshore. La capacitat fotovoltaica flotant a tot el món va assolir aproximadament els 5,9 GW a finals de 2023 i es preveu que superi els 10 GW l'any 2030. La FV offshore ofereix diferents avantatges respecte als sistemes terrestres-, inclosa l'evitació de les restriccions d'ús- del sòl i uns rendiments energètics més elevats a causa de l'efecte de refrigeració de l'aigua als panells. Tanmateix, l'aigua de mar introdueix un conjunt de mecanismes de degradació que amenacen fonamentalment la durabilitat i el rendiment dels mòduls solars d'una manera que les instal·lacions terrestres poques vegades es troben.
Mecanismes de la degradació-de l'aigua de mar induïda
Corrosió del vidre i pèrdues òptiques
El vidre de la coberta frontal d'un mòdul fotovoltaic és la primera barrera exposada a l'aigua de mar. Els estudis experimentals han demostrat que després de 98 dies d'immersió en aigua de mar simulada, la transmitància del vidre fotovoltaic disminueix del 91,46% al 70,35%-una pèrdua de més de 21 punts percentuals. Aquesta dramàtica degradació òptica és impulsada per un procés de deposició seqüencial: primer es formen les capes de sal de magnesi-i acceleren la corrosió local de la superfície del vidre, seguida de les capes de sal de calci-que, juntament amb la dissolució del vidre en curs, agreugen encara més les pèrdues òptiques i redueixen la producció del mòdul.
Corrosió electroquímica de components metàl·lics
L'aigua de mar és rica en espècies iòniques-Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-l'adsorció o penetració de les quals en el mòdul inicia processos de corrosió electroquímica. Els elèctrodes metàl·lics, especialment la plata (Ag) i el coure (Cu), són molt susceptibles als canvis potencials i a la difusió d'ions, que comprometen l'estabilitat-a llarg termini. A les regions costaneres, el mode de fallada principal és la corrosió electroquímica i galvànica que es produeix als contactes metàl·lics i les soldadures, ja que la infiltració d'humitat al panell accelera l'oxidació dels contactes metàl·lics i la degradació dels materials encapsulants.
Una manifestació especialment visible d'aquest procés és la formació de línies fosques o marques d'aigua a les superfícies dels mòduls. La humitat carregada de sal-proporciona un entorn d'electròlits per a les reaccions electroquímiques a la pasta de plata utilitzada en la metal·lització de cèl·lules solars, donant lloc a la formació d'òxid de plata que apareix com a línies negres visibles, degradant tant l'aspecte com el rendiment elèctric del mòdul.
Vulnerabilitat de l'encapsulant i la caixa de connexió
L'exposició llarga a la humitat de la sal condueix a la corrosió de peces importants del mòdul, com ara marcs, caixes de connexió i superfícies de vidre, que provoca una disminució del rendiment i una reducció de la vida útil del mòdul. Si una caixa de distribució, terminal o inversor s'infiltra per boira o vapor de sal, finalment s'oxida a causa dels dipòsits. Per tant, les caixes de connexió per a aplicacions marines han de tenir un segellat IP68 perquè siguin a prova de sal i humitat.
Taxes de degradació accelerades
Les observacions de camp de mòduls bifacials en condicions costaneres informen de taxes de degradació anuals efectives entre aproximadament el 0,36% i el 0,75% anual per a mòduls ben-encapsulats. Tanmateix, l'acumulació de sal als mòduls fotovoltaics en alta mar accelera la taxa de degradació entre un 0,05% i un 0,13% addicional, reduint potencialment la vida útil del mòdul de 3 a 5 anys. En casos extrems amb un encapsulament mal dissenyat, la degradació induïda del potencial-lateral posterior-ha provocat pèrdues de potència posterior-localitzades que superen el 30%.
Normes de proves de la indústria
L'estàndard internacional principal que regula la resistència a la corrosió de la boira salina és IEC 61701, que descriu seqüències de prova per determinar la resistència dels mòduls fotovoltaics a la corrosió de la boira salina que contenen compostos de clorur com NaCl i MgCl₂. El nivell de prova més greu-Nivell 6: implica vuit cicles de prova durant 56 dies. Cada cicle de 7 dies consta de quatre etapes d'esprai de sal que duren dues hores a 35 graus amb un 93% d'humitat, seguides d'emmagatzematge a 40 graus amb humitat controlada. Aquest protocol rigorós avalua la degradació de la sortida de potència, la continuïtat del sòl, el corrent de fuga humit, la resistència d'aïllament i l'aspecte.
La tercera edició de l'IEC 61701, publicada el 2020, va introduir actualitzacions importants: els mètodes de prova es van condensar i es van alinear amb les noves edicions de l'IEC 61215 i IEC 61730, i es va afegir un annex normatiu per guiar quins mètodes de prova s'apliquen a diferents aplicacions. Alguns fabricants han superat voluntàriament els requisits de l'estàndard, realitzant proves de cicle de boira salina fins a 168 dies-tres vegades la durada del nivell estàndard més alt-i aconseguint una pèrdua de potència de només un 1%.
Estratègies de mitigació i protecció
Revestiments de vidre avançats
Els principals fabricants fotovoltaics han desenvolupat recobriments de vidre especialitzats per a entorns marins. Un enfocament notable empra una capa base densa de SiO₂ combinada amb una capa superficial antireflectant d'alta-transmissió; la capa base bloqueja eficaçment la penetració del vapor d'aigua i dels ions clorur, mentre que la capa superficial proporciona una capacitat d'auto-neteja i manté la transmitància per sobre del 94%. Aquests mòduls han superat les proves de nivell 8 de boira salina IEC 61701, superant amb escreix els requisits convencionals. S'ha demostrat que un procés de protecció integrat que combina substrat temperat, recobriment nano-de doble-capa, deposició de capa atòmica, auto-neteja superhidrofòbica i segellat de vores allarga la vida útil del mòdul més enllà dels 25 anys, amb un vidre recobert de doble{-capa que demostra una tolerància a l'esprai de sal superior a 1,10 hores.
Marc i protecció estructural
Els marcs d'alumini dels mòduls fotovoltaics terrestres estàndard solen anoditzar-se segons l'especificació AA10. Per als entorns marins, s'ha d'actualitzar a AA20 (20-25 μm de gruix), que es considera l'estàndard de grau-marí obligatori per als projectes solars costaners. L'actualització de la capa anoditzada del marc d'AA10 a AA20 millora dràsticament la resistència a la corrosió i millora la fiabilitat estructural sota exposició prolongada. Els recobriments d'acer de zinc-magnesi-alumini també s'han certificat per utilitzar-los en entorns marins C5-M, amb un contingut de magnesi del 3% que proporciona una defensa molt més eficaç contra la corrosió que els recobriments amb un contingut de magnesi més baix.
Recobriments compostos auto-curatius i anti-UV
Els avenços recents en la tecnologia de recobriment han introduït capacitats d'auto{0}}curació per als equips fotovoltaics marins. Un recobriment compost fabricat mitjançant electrospinning i electrospray sinèrgics va demostrar que, durant les proves d'esprai de sal-, l'àrea corroïda era substancialment més petita que en els recobriments epoxi en blanc, amb una impedància electroquímica superior a la de l'epoxi en blanc en dos ordres de magnitud. L'auto-curació de les regions danyades es va aconseguir en un període curt i, després d'una prova d'envelliment accelerat de 300 hores, el recobriment va preservar les seves propietats fisicoquímiques i el seu rendiment protector.
Corrosió estructural i impacte mecànic
Més enllà del mòdul fotovoltaic en si, els components estructurals dels sistemes fotovoltaics flotants en alta mar s'enfronten a greus reptes de corrosió. La corrosió marina redueix la capacitat de càrrega-de les juntes en T-crítiques entre un 33% i un 45%. La degradació de la rigidesa arriba fins al 59,76%, mentre que la capacitat de dissipació d'energia disminueix un 54,6% fins al 62,5%. Tanmateix, els recobriments d'escates de-vidre-epoxi modificats i els recobriments de zinc de grafè protegeixen eficaçment les juntes en T-, mantenint gairebé inalterada la capacitat de càrrega- sense fallar el recobriment.
Implicacions econòmiques
El cost de la corrosió a les instal·lacions fotovoltaiques marines és substancial. Una granja solar de 5 MW situada a 200 metres de la costa atlàntica de Florida va patir una caiguda d'eficiència del 5% en el seu primer any, amb costos de manteniment que van assolir els 15.000 dòlars anuals per MW. Les especificacions resistents a la corrosió-adequades afegeixen entre un 5 i un 10% als costos inicials de la factura-de-materials-aproximadament entre 2 i 4 $ per mòdul-, però aquesta prima es compensa en evitar la corrosió del marc que, d'altra manera, requeriria la substitució completa del mòdul. A la Xina, els costos de corrosió-de la indústria s'han estimat en 4 bilions de iuans, que representen el 3,34% del PIB, mentre que la protecció efectiva contra la corrosió pot recuperar entre el 25% i el 40% d'aquestes pèrdues.
Conclusió
La corrosió a causa de l'aigua de mar és una de les dificultats importants a què s'enfronta el mercat fotovoltaic costaner i marí en ràpida evolució. Hi ha més d'una manera d'explicar la naturalesa del problema. Aquí s'observen diferents tipus de degradació - corrosió del vidre, processos electroquímics que actuen sobre les parts metàl·liques del dispositiu, debilitament del material d'encapsulació i debilitament de l'estructura del propi dispositiu. La indústria assoleix el repte desenvolupant noves tecnologies de protecció mitjançant recobriments de vidre multi-i anodització avançada per a les carcasses metàl·liques. La indústria compta amb l'assistència d'estàndards internacionals en proves de corrosió com IEC 61701. A mesura que augmenta el volum de projectes offshore, la provisió d'una protecció contra la corrosió fiable i barata esdevé crucial per a l'eficàcia de les plantes d'energia solar.
