Корозія рамок сонячних модулів

Гарантований термін експлуатації фотоелектричних модулів становить не менше 25 років. При цьому конструкція всієї сонячної електростанції, а не тільки основного і найдорожчого її компонента, повинна бути розрахована на аналогічний термін служби. У цій статті ми розглянемо вплив гальванічної корозії на опорні конструкції і рамки сонячних модулів і визначимо методи, які дозволяють мінімізувати цей вплив. Якщо деякі видимі — невеликі, буквально косметичні, ефекти корозії, що з’являються на зовнішній стороні конструкції, можна ігнорувати, то сильні пошкодження, що впливають на загальну цілісність конструкції, вимагають найпильнішої уваги.

Гальванічна корозія: причини появи і фактори, що їй сприяють в сонячних електростанціях

Гальванічна (електрохімічна) корозія — це результат електрохімічної реакції. Для появи гальванічної корозії необхідна наявність чотирьох складових — анод, катод, електроліт і провідник (струмопровідна доріжка) між двома металами. Гальванічний ланцюг виникає, коли за допомогою електроліту метал-анод починає емітувати електрони, які спрямовуються до металу-катода. Гальванічний елемент, створений двома різнорідними металами і електролітом, працює тільки в одному напрямку, тому анод з часом зношується (розпадається).

У реальних сонячних електростанціях анод і катод формується з таких металів, як нержавіюча сталь, мідь і алюміній, при цьому в якості електроліту найчастіше виступає звичайна вода. Чи стане гальванічна реакція серйозною проблемою для фотоелектричної установки залежить від безлічі факторів. При цьому довгострокові наслідки корозії можуть варіюватися від просто непривабливого зовнішнього вигляду до розпаду опорних стійок або кріплень.

Чим далі розташовані один від одного метали в таблиці електрохімічних потенціалів, тим сильніше буде протікати між ними електрохімічна реакція, тим інтенсивніше буде гальванічна корозія. Саме тому основне правило протидії гальванічної корозії полягає в підборі металів, які максимально близько розташовані один до одного в гальванічному ряду. При цьому один і той же метал може виступати і в ролі анода, і в ролі катода, наприклад, сталь буде анодом для нержавіючої сталі і латуні, а катодом — для алюмінію і цинку. Іншими словами, сталь піддається корозії, коли поруч знаходиться латунь або нержавіюча сталь. І в той же час сталь стає причиною корозії цинку або алюмінію, при цьому для обох випадків необхідна наявність електроліту і струмопровідної доріжки.

Кожен метал має стандартний електричний потенціал, який характеризує здатність емітувати або приймати електрони при взаємодії з іншими металами при наявності електроліту. Насправді ж гальванічна система дуже динамічна, вона не може бути строго, точно і однозначно описана, спираючись на наявні дані. Фактична реакція, яка протікає між двома металами в природному середовищі, залежить від безлічі факторів, у тому числі головними можна вважати концентрацію електроліту, рівень рН, температуру, вологість і т.д. При цьому інженери-хіміки попереджають, що використання гальванічної шкали — не дуже вірний спосіб для визначення сумісності металів. Точніше кажучи, ця шкала відповідає дійсності тільки при ідеальних умовах, в реальності ж, після утворення на поверхні металу навіть невеликого оксидного шару з’являється фактично новий матеріал зі своїми властивостями. Який може як повторювати електрохімічні характеристики вихідного матеріалу, так і мати характеристики, які істотно відрізняються від «рідного» металу.

У загальному випадку, чим більша різниця потенціалів між двома металами (чим далі вони розташовані один від одного за гальванічною шкалою), тим сильніше протікає гальванічна реакція, а значить — більше швидкість виникнення і розвитку корозії. Якщо потенціал малий, то реакція буде незначною.

Зовнішнє середовище так само впливає на перебіг реакції. Візьмемо, наприклад, вологу, яка виступає в якості електроліту і забезпечує протікання електрохімічної реакції. Строго кажучи, чим вище вологість, тим інтенсивніше реакція, тим вище швидкість корозії. Наявність домішок в атмосфері (хлориди в морському повітрі і двоокис сірки та сполук азоту в промислових районах) так само впливають на протікання реакції. Домішки осідають на поверхню металу і, вступаючи в реакцію з водою і киснем, прискорюють емісію електронів з поверхні металу. Слід зазначити, що інтенсивні зливи насправді виступають як сповільнювачі корозії, регулярно змиваючи бруд і домішки з поверхні металів.

Рекомендації щодо запобігання корозії

Для профілактики і боротьби з корозією, необхідно:

• Використовувати тільки один матеріал для виготовлення електрично ізольованих систем або компонентів всюди, де це можливо.
• При зварюванні металів або створення конструкцій з різних металів вибирати такі, які максимально близько розташовані один до одного за гальванічною шкалою або вибирати гальванично сумісні метали.
• Необхідно ізолювати різнорідні метали завжди, де це можливо, наприклад, використовуючи прокладки. Дуже важливо, щоб ізоляції була не порушена.
• Наносити захисне фарбування на елементи конструкції. При цьому необхідно підтримувати захисне покриття (фарбування) в хорошому стані, особливо це важливо для матеріалу, який виступає в якості анода.
• Необхідно уникати різьбових з’єднань, особливо серед металів, далеко розташованих за гальванічною шкалою.
• При проектуванні конструкції передбачити можливість швидкої та легкої заміни елементів, які виступають в якості анода. Крім того, їх можна зробити більш товстими — це дозволить збільшити термін служби.

Як же реалізувати ці поради на практиці при проектуванні і монтажі сонячних електростанцій? Перш за все, слід пам’ятати, що гальванічна система, як говорилося вище, працює при наявності чотирьох складових: катод, анод, електроліт і проводить шляху. Контролюючи всі складові, можна зменшити швидкість корозії.

Ідеальний варіант — це видалити з системи або катод, або анод, використовуючи тільки один матеріал для створення конструкції. Контролювати утримання електроліту (фактично — вологи) дуже важко і дуже непрактично. Хоча істотне зниження вологості значно знижує ймовірність виникнення і розвитку корозії. Саме тому сонячні електростанції, що встановлюються в пустелях, практично не схильні до корозії. Але контролювати вологість на великих площах практично неможливо. Тому єдиний економічно виправданий варіант — це підбір металів, близько розташованих поруч на гальванічній шкалі. Також необхідно вибирати захисні покриття, які оптимально підходять для умов навколишнього середовища, зменшувати площу контакту між різнорідними металами або фізично їх ізолювати.

Захисне покриття (фарбування) матеріалів

Нанесення захисного покриття (фарбування) — найпростіший, але при цьому — досить ефективний спосіб захисту металоконструкцій від негативного впливу навколишнього середовища. Правильно нанесене покриття, цілісність якого регулярно підтримується, значно погіршує умови для виникнення і подальшого розвитку корозії.

Якщо говорити про алюміній, який активно використовується для створення несучих конструкцій і рамок сонячних батарей, то для підвищення корозійної стійкості матеріалу використовують анодування (точніше кажучи — анодне оксидування), тобто створення на поверхні алюмінію міцного тонкого поверхневого пасивного шару, який перешкоджає виникненню корозії.

У деяких випадках використовують нанесення одного шару металу для захисту іншого. Наприклад, оцинковане залізо, при якому цинкове покриття вступає в реакцію з навколишньою атмосферою, створюючи шар оксиду цинку і карбонат цинку, тим самим захищаючи шар сталі під ним. Нанесення цинкового шару, який хоч і руйнується з часом, дозволяє захистити інші, більш структурно важливі метали.

На тривалість захисту, що забезпечується цинкуванням, впливає декілька факторів — вологість, наявність двоокису сірки, температура, рівень солей в атмосфері, але найголовніше — товщина нанесеного шару. Чим товстіший шар — тим більший час він гарантовано захищає метал, на який він завдано. Мінімально рекомендована товщина цинкового покриття для сталевих опорних конструкцій, які використовуються в сонячних електростанціях — 0,75 мл, така товщина покриття забезпечить термін служби близько 25 років.

При цьому покриття вимагає регулярного відновлення, особливо якщо воно нанесено на такий анодний матеріал, як сталь. Якщо цинкове покриття виявилося порушеним, утворивши тим самим струмопровідну доріжку, необхідно відновити його за допомогою холодної оцинковки. Вона являє собою подобу фарби і наноситься тонким шаром за допомогою валика, кисті, розпилювача або зануренням. Так як випадкові подряпини (пошкодження покриття) практично неминучі при монтажі установок, після закінчення робіт необхідно уважно оглянути поверхню і за допомогою холодної оцинковки зафарбувати подряпини і відколи. Дуже часто виробники металевих конструкцій, які використовуються для монтажу фотоелектричних систем, рекомендують відповідну фарбу для відновлення захисного покриття.

Контактна площа поверхні

Ще одним важливим фактором є і площа, на якій взаємодіють анод і катод. Наприклад, якщо площа катода невелика в порівнянні з анодом, то розчин виявляється дуже насичений електронами, швидкість протікання реакції не буде значною, як наслідок — низький рівень корозії.

Зовсім інша картина утворюється в тих випадках, коли площа металу-катода виявляється значно більше площі металу-анода. Найбільш показовий приклад — сталеві кріпильні елементи, які використовуються для кріплення мідних листів. У цьому випадку метал-катод (мідь) значно домінує над металом-анодом, він здатний швидко поглинути все електрони, які виходять з анода. Навіть оцинковані кріпильні елементи не суттєво впливають на ситуацію — вони все одно досить швидко виходять з ладу. Саме тому на етапі проектування необхідно уникати моментів, коли невелика кількість металу-анода взаємодіє з великою кількістю (площею) металу-катода. Використання ізоляції.

Відмінний варіант забезпечити фізичне і електричне поділ потенційно проблемних матеріалів. Наприклад, в будівництві для монтажу покрівельних покриттів із сталевого листа вже давно використовують оцинковані гвинти з гумовою шайбою. Це дозволяє забезпечити досить надійну ізоляцію, усунувши контакт металів, який може запустити гальванічний процес корозії.

Вибір кріплення

Це один з головних виборів, який вам належить зробити. Перш за все, кріпильний елемент не повинен бути виготовлений з металу, який виступить в ролі анода по відношенню до інших елементів конструкції. Не варто використовувати і болтове кріплення — як показує практика, воно дуже сильно схильне до корозійного впливу. Останнім часом все активніше в конструкціях сонячних електростанцій використовуються кріплення, виготовлені з нержавіючої сталі. Перспективними виглядають розробки на основі полімерних матеріалів, з часом вони можуть стати альтернативою кріпильних пристосувань з нержавіючої сталі, звівши до мінімуму ймовірність гальванічної реакції між елементами конструкції і кріпленням.

При виборі кріплення завжди необхідно враховувати місце кріплення, а також уважно ознайомитися зі специфікацією, складеної виробником фотоелектричних модулів, і строго слідувати цим вимогам. При цьому у різних виробників ці вимоги можуть істотно відрізнятися, наприклад, REC Solar для запобігання виникненню гальванічного корозії, радить використовувати кріплення з нержавіючої сталі, але при цьому допускає використання кріплення з оцинкованої сталі. Sharp Solar для інсталяції власної продукції рекомендує виключно кріплення з нержавіючої сталі. Cooper B-Line рекомендує використовувати для своїх алюмінієвих конструкцій кріплення з нержавіючої сталі.

При цьому завжди слід мати на увазі і такий важливий параметр, як вартість кріплень, наприклад, кріплення з нержавіючої сталі дорожче, ніж аналогічне, але виготовлене з оцинкованої сталі. Використання нержавіючої сталі, звичайно, підвищує термін служби конструкції, але при цьому істотно позначається на зростанні її вартості. Тому можливе комбінування різних матеріалів, щоб отримати оптимальне співвідношення вартість / довговічність.

Підбираючи сонячні панелі, завжди звертайте увагу на якість і матеріали, з яких виготовлені рамки. Це особливо важливо для нашої кліматичної зони з досить високою вологістю, осінніми та весняними дощами і сніжними зимами. Через гальванічну корозію термін служби устаткування може скоротитися до 10-12 років.

Ще однією причиною виникнення корозії може стати неякісна обробка металу — в «нечистому» металі, з великим відсотком домішок, гальванічна реакція протікає швидше, ніж в однорідній речовині. Причиною корозії може стати і неякісно виконане анодування алюмінію — цим часто грішать невеликі виробники з Азії, прагнучи максимально знизити виробничі витрати.