海上光伏腐蝕防護系統(tǒng)性解決方案

徐初琪，董建業(yè)，彭 儒，胡思塹，黃凱龍

（1.中國船舶集團公司第七二五研究所廈門雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門 361101；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250013）

0 引言

近年來，隨著全球碳減排進程的加速，可持續(xù)發(fā)展的清潔能源成為了主角。而在碳達峰、碳中和目標的支撐和推動下，綠色能源行業(yè)更是迎來了迅速發(fā)展的新周期，光伏市場也迎來愈加火熱的行情。

陸上光伏系統(tǒng)一般安裝在地面或屋頂，對于地面光伏系統(tǒng)來說，項目的實施需要占用大量土地。我國在西部沙漠、戈壁地區(qū)已建成規(guī)?；夥a業(yè)，在發(fā)電的同時實現(xiàn)了防風固沙和生態(tài)修復。而在我國中東部地區(qū)，土地資源和相關政策限制正在成為制約光伏規(guī)?；l(fā)展的關鍵因素。多個部門針對農田和涉水涉林等新能源用地出臺了相關政策，嚴格管控光伏電站項目建設，而中東部光伏項目又主要以農光、漁光互補類型為主，這嚴重影響了光伏產業(yè)的發(fā)展。

海上光伏顧名思義是指在海面上建立的光伏電站。它與陸上光伏最大的不同就在于它不占用農業(yè)用地，只利用現(xiàn)有的海面建立發(fā)電站。海上光伏具有天然的環(huán)境優(yōu)勢，水面開闊沒有遮擋物，日照較長且能充分利用水面反射光，可以顯著提升發(fā)電量。同時，還可以將海上光伏與海洋漁業(yè)、灘涂養(yǎng)殖等相結合，形成能源與資源的充分利用。據(jù)測算，我國大陸海岸線長1.8 萬公里，可以安裝海上光伏的海域面積約71 萬平方公里，按照1/1 000 的比例估算，安裝海上光伏裝機規(guī)模超過70 GW。海上光伏已經(jīng)成為一種新的能源利用方式和資源開發(fā)模式［1］。

海洋環(huán)境與內陸湖泊環(huán)境差異主要體現(xiàn)在海洋大氣和海水中均含有大量的腐蝕離子Cl-，這是導致金屬腐蝕的主要成分。本研究對現(xiàn)有海上光伏的腐蝕環(huán)境進行分區(qū)，針對不同區(qū)域的腐蝕特點，設計相應的腐蝕防護方案，為海上光伏的結構全壽命周期提供安全保障。

1 海洋腐蝕環(huán)境與分區(qū)

與淡水環(huán)境相比，海洋環(huán)境是一個復雜、惡劣的自然腐蝕環(huán)境。海上光伏處于腐蝕嚴重的海洋大氣環(huán)境之中，不僅有著腐蝕問題，而且還會受到物理性的撞擊，如船舶靠泊和其它漂浮物的撞擊等，以及海洋生物（海洋動物、貝類、植物類等）的附著腐蝕影響［2］。

1.1 腐蝕規(guī)律

海洋環(huán)境的腐蝕情況可以分成五大區(qū)：海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)（水位變動區(qū)）、全浸區(qū)和海泥區(qū)。按ISO 12944—2：2017《涂料和清漆 用防護涂料系統(tǒng)對鋼結構件進行的防腐蝕保護 第2 部分：環(huán)境分類》海洋大氣區(qū)處于C5 或者CX 的腐蝕級別，飛濺區(qū)、潮差區(qū)和全浸區(qū)海水接觸，處于Im4 的腐蝕級別。

無論是在海洋環(huán)境下長鋼尺的掛片試驗，還是實際的生產實踐中，海洋環(huán)境下的鋼結構腐蝕具有很強的規(guī)律性。圖1 是鋼樁在美國Kure Beach（基爾海濱）中暴露5 a 后的腐蝕示意圖，圖中顯示飛濺區(qū)是金屬腐蝕最嚴重的區(qū)域。

1.2 海洋大氣腐蝕

海洋大氣與內陸大氣有著明顯的不同。海洋大氣濕度大，易在鋼鐵表面形成水膜；海洋大氣中鹽分多，積存鋼鐵表面與水膜一起形成導電良好的液膜電介質，是形成電化學腐蝕的有利條件，因此海洋大氣比內陸大氣對鋼鐵的腐蝕程度要高4～5 倍。

1.3 飛濺區(qū)的腐蝕

海洋飛濺區(qū)的腐蝕除了來自海鹽含量、濕度、溫度等大氣環(huán)境影響因素外，還要受到海浪的飛濺，飛濺區(qū)的下部還要受到海水短時間的浸泡。飛濺區(qū)的腐蝕離子Cl-含量要遠遠高于海洋大氣區(qū)，浸潤時間長，干濕交替頻繁。碳鋼在飛濺區(qū)的腐蝕程度遠大于其它區(qū)域。在飛濺區(qū)，碳鋼會出一個腐蝕峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距離有所不同。腐蝕最嚴重的部位是在平均高潮以上的飛濺區(qū)，這是因為氧氣在這一區(qū)域供應最充分，氧的去極化作用促進了鋼鐵的腐蝕，與此同時，浪花的沖擊嚴重地破壞保護膜，使腐蝕加速。

1.4 潮差區(qū)的腐蝕

高潮位到低潮位的區(qū)域稱為潮差區(qū)。在潮差區(qū)的鋼鐵表面經(jīng)常與飽和了空氣的海水相接觸，使鋼鐵的腐蝕加劇。此外，在冬季有流冰的海域，潮差區(qū)的鋼鐵設施還會受到浮冰的撞擊。

1.5 全浸區(qū)的腐蝕

平均低潮線以下的位置為海水全浸區(qū)。鋼管樁的中下部位長期浸泡在海水中，鋼鐵的腐蝕會受到溶解氧、流速、鹽度、污染物和海生物等因素的影響，其中溶解氧對鋼鐵腐蝕起著主導作用。

1.6 海泥區(qū)的腐蝕

海泥區(qū)位于全浸區(qū)以下，主要由海底沉積物構成。海底沉積物的物理性質、化學性質和生物性質隨海域和海水深度的不同而不同。海泥實際上是飽和了海水的土壤，它是一種比較復雜的腐蝕環(huán)境，既有土壤的腐蝕特點，又有海水的腐蝕行為。海泥中含有的硫酸鹽還原菌，會在缺氧環(huán)境下生長繁殖，從而對鋼材造成較嚴重的腐蝕。

1.7 海生物的影響

海生物的污損對碳鋼的腐蝕影響較大。污損海生物能阻礙氧氣向腐蝕表面擴散，從而對鋼鐵的腐蝕有一定的保護作用。但是由于污損層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用，使鋼鐵表面形成缺氧環(huán)境，這有利于硫酸鹽還原菌的生長。

在腐蝕離子、生物污損、疲勞載荷、高溫、干濕交替等多重環(huán)境因素的長時間作用下，海上光伏系統(tǒng)的服役壽命必然會受到嚴峻的挑戰(zhàn)。

2 海上光伏的類型

海上光伏主要分為樁基式和漂浮式兩大類，現(xiàn)階段海上光伏以樁基式為主（灘涂、潮間帶），海上漂浮式光伏建設尚還處在從0 到1 的過程［3］。

2.1 樁基式海上光伏

樁基式海上光伏也稱“架高式海上光伏”，常適用于水位較淺、無場地沉陷等地質災害、水位變化較小的水面場地，如水產養(yǎng)殖池、鹽場排淡池等。架高式水面光伏電站的光伏支架基礎一般采用預應力鋼筋混凝土管樁或者小直徑的鋼管樁，通常建設在水深小于5 m 的水域。其基礎形式采用預應力高強混凝土（PHC）管樁或鋼管樁加熱鍍鋅+防腐涂料體系的鋼支架的組合，樁頂高度高于水位0.4 m 以上；為方便船只通行，光伏組件下端離最高水位1 m 以上，組件采用最佳傾角安裝。此類電站多采用“漁光互補”的建設模式，即利用水產養(yǎng)殖集中地區(qū)的池塘海洋資源，開發(fā)建設光伏發(fā)電項目，采用將海洋發(fā)電與水下養(yǎng)殖相結合的模式，實現(xiàn)多產業(yè)的互補發(fā)展。樁基式海上光伏也是目前最主流的方式，中國目前的海上光伏主要都在近岸。

2.2 漂浮式海上光伏

漂浮式海上光伏是指借助浮體材料與錨固系統(tǒng)使光伏組件、逆變器等發(fā)電設備漂浮在海洋上進行發(fā)電，適用于水深大于5 m、受臺風影響不大的水域。漂浮式海上光伏主要分為浮管式和浮箱式兩大類。其中，浮管式包括高密度聚乙烯（HDPE）浮管+支架、薄壁鋼管+管內填充物+外防腐涂料+外防腐橡膠+支架、不銹鋼+管內填充物+支架等形式；浮箱式包括HDPE 標準浮箱、HDPE 浮箱+支架、不銹鋼浮箱+支架、高強復合混凝土浮箱+支架等形式。

漂浮式水上光伏是通過浮體支撐組件于水面上，錨固系統(tǒng)被應用于固定裝置。

3 海上光伏面板支撐構件的腐蝕防護系統(tǒng)性解決方案

由前述可知，支撐海上光伏面板組件的管樁、衍架等構件所處的海洋環(huán)境幾乎涵蓋了腐蝕嚴重的大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)和全浸區(qū)，因此，其支撐構件的腐蝕防護需要采用系統(tǒng)性方案設計。

3.1 樁基的防腐蝕方案

3.1.1 鋼管樁

表1 為鋼管樁的防腐蝕方案。

表1 鋼管樁的防腐蝕方案Table 1 Anti-corrosion scheme of steel pipe pile

3.1.2 預應力高強混凝土管樁

表2 為預應力高強混凝土管樁的防腐蝕方案。

表2 預應力高強混凝土管樁的防腐蝕方案Table 2 Corrosion prevention scheme of PHC pipe pile

3.2 桁架及相關附件的防腐蝕方案

表3 為桁架及相關附件的防腐蝕方案。

表3 桁架及相關附件的防腐蝕方案Table 3 Corrosion prevention schemes of trusses and related accessories

表3 桁架及相關附件的防腐蝕方案已成功在國能聊城水上光伏項目（圖3）、國家電投海陽HG34 近海樁基式海上光伏關鍵技術研究及示范項目（圖4）中應用。

圖3 國能聊城水上光伏項目Figure 3 Guoneng Liaocheng aquatic photovoltaic project

圖4 國家電投海陽HG34 近海樁基式海上光伏項目Figure 4 Haiyang HG34 offshore pile foundation offshore photovoltaic project of State Power Investment Corporation

在雙碳背景下，開發(fā)利用清潔型可再生能源是我國的必經(jīng)之路。光伏技術是新能源發(fā)展的重要領域，且具有發(fā)展?jié)摿Υ?、綜合效益高、生態(tài)環(huán)境友好等特點，光伏技術的發(fā)展和應用勢必會貫穿整個未來能源發(fā)展的過程，成為未來聯(lián)合產業(yè)發(fā)展的重中之重。傳統(tǒng)陸上光伏的弊端隨著規(guī)模擴大逐漸顯露，為打破此瓶頸，海上光伏成為新亮點。海上光伏相關構件的腐蝕防護又是海上光伏大規(guī)模應用的保證，通過本文的相關腐蝕類型分析，提出不同區(qū)域的防腐蝕措施，為海上光伏全壽命周期提供安全保障。