葉修邦 / 工研院材化所
隨著綠電潮流爆發，太陽能發電裝置成長逐年創下歷史新高。2016年政府拍板推動「5+2」產業創新計畫後，首波示範太陽能發電廠陸續落成，迄今運轉約5到7年，許多材料上的問題也相繼顯現。由於耐重與抗風壓等結構強度需求，加上應對台灣海島型長年高濕高鹽之腐蝕環境，太陽能發電廠普遍使用熱浸鍍鋅鋼材製品作為模組固定用支架，預期服役年限應滿足太陽能面板20~25年以上壽命。然而實際上僅僅不到5年的時間，多數電廠支架已產生規模不等的鏽蝕，造成太陽能運營業者非預期性支出。本文將針對太陽能支架所面臨的環境、鏽蝕發生機制與種類進行介紹，並說明塗料防鏽原理與如何應用。
【內文精選】
防蝕支架材料知多少
1. 犧牲陽極鍍層鋼鐵支架
由於生產費用、製造速度與後加工等需求，以太陽能支架應用而言，最普遍使用的犧牲陽極鍍層鋼鐵材質為熱浸鍍鋅鋼。由於鋅金屬氧化電位低(-0.76 V)，相較鐵(-0.44 V)更容易被氧化，將鋅(或其他氧化電位低於鐵材的金屬)與鐵材結合使用，可以讓鋅取代鐵材被氧化腐蝕，達到犧牲防鏽的目的；此外鋅金屬在乾燥環境下自然氧化為安定的氧化鋅，對鋼材可形成額外的防護。
(2) 切邊、打孔與銲接處的鋅–鐵交界處是防蝕破口
儘管以熱浸鍍鋅法可有效提升鐵材抗蝕能力，但鋅只能防護所接觸之鐵材相當狹小的範圍，其為鋅保護長度(Protection Distance; PD)所涵蓋的面積，一旦鍍鋅耗損，或局部區域失去鋅層保護，鐵材會開始生鏽形成紅棕色的三氧化二鐵水合物(Fe2O3·nH2O)，這便是核心結構腐蝕的開始。鋅的保護長度依所處環境不同而異，在一般高腐蝕自然環境中為0.8 mm以下(圖二)。
圖二、鍍鋅對鐵材的保護長度 (a)鍍鋅於不同環境中的防護長度；(b)鍍鋅對於鋼鐵防護長度示意，超過防護長度區域將部分或完全失去鋅材犧牲防蝕的效果
3. 塗裝碳鋼支架
未經陰極防蝕處理的碳鋼材亦可以透過重防蝕塗裝達到相當的防鏽性。而由於其防鏽性能完全取決於防蝕塗裝材料與工藝技術，若塗裝材料對鋼材的附著性、水氧氣阻隔性或耐光照性不足，亦會造成塗膜裂化導致鋼材快速鏽蝕。
腐蝕修補塗料
1. 遮蔽型塗料
遮蔽型塗料可透過塗料組成份分子間作用力(如：疏水性長鏈段)、塗料填充物(如：雲母粉)、樹脂與交聯劑化學反應(二液反應型塗料)等方式，提升水氣與氧氣穿透塗層抵達金屬材料的困難度。以雲母粉遮蔽型塗料為例，由於雲母陶瓷材料為片狀且具有高阻隔性，於塗料乾燥固化之後形成堆疊結構，阻擋水分、氧氣或氯離子等腐蝕因子。而金屬鏽蝕無非水氧氣參與產生化學反應，故此類型防鏽塗料能共通地對各式金屬皆達到良好的防蝕處理。
太陽能支架腐蝕修補測試標準與其他衍生議題
除了材料耐環境腐蝕性評估，因應太陽能與民生、環境永續共存的發展趨勢，所選用防蝕材料更應考量自身與溶出物可能帶來的風險。例如，鋅氧化物雖對人體毒性很低，對水生物卻具有高毒性，致死濃度小於0.1 mg/L；抑或塗料可能溶出危害成分，如：六價鉻鈍化填料之生殖毒性、傳統環氧樹脂雙酚A (Bisphenol A;BPA)環境賀爾蒙特性等議題，若能於發展初期納入評估，將可有效降低風險成本。工研院材料與化工研究所應用化學研究組具有長年的防腐蝕塗料檢測經驗，業者能於商業決策前先行提出諮詢，以獲得多面向的建議參考。
工研院太陽能支架腐蝕修補塗料
為提升國內太陽能支架壽命，實現長壽綠電穩健發展，工研院材化所研發AP23S鈍化耐候塗料、AL10S鋁防蝕塗料與TNF-120鏽轉化塗料等自乾型修補塗裝系統(圖十一)。塗料無鋅、鉻、鉛等八大重金屬成分，且無BPA，可直接塗裝於鍍鋅表面，延長鋅層消耗時間達三倍以上。已鏽蝕碳鋼經塗裝後，通過ASTM B117連續鹽霧500小時測試不產生紅鏽且塗膜無變化，具有出色的防蝕性能。經ASTM G154 UVB-3131,000小時測試塗膜耐日照性，塗膜光澤度保持率達95%以上，評估可長期應用於戶外日照環境。塗料耐候防蝕性能優異，並可搭配工研院自研發之鏽轉化底漆使用，大幅減少鏽蝕支架前處理流程。相關材料已規劃於台西近海地區C5環境、麥寮、澎湖地區等CX環境進行實際場域曝曬試驗---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一、工研院自乾型修補塗裝系統
★本文節錄自《工業材料雜誌》427期，更多資料請見下方附檔。