從台灣氣候談太陽能支架設計

 

刊登日期:2019/1/5
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台灣太陽能電站發展將近十年,早期電站所使用的支架與配件在這幾年問題層出不窮,根究其原因就是所參考的大氣腐蝕數據在台灣的環境無法確實適用。台灣許多電站設置的環境位在C5~CX等級,而國人喜歡引用的日規(JIS)卻不能完全適用於台灣環境,這是忽略了空氣污染的結果。歷年來,公共工程建設也常引用國外大氣腐蝕數據進行評估與設計,結果常有未及設計年限就已鏽蝕損壞的情形。
 
本文將從以下大綱,針對台灣氣候來討論太陽能支架與配件如何防蝕與設計。
‧台灣的大氣環境
‧耐腐蝕測試方法與常見的支架材料
 1. Salt Spray Testing與Cyclic Corrosion Testing測試比較
  (1) Salt Spray Testing–ASTM B117
  (2) Cyclic Corrosion Testing–JASO M609
 2. 常見的三種鋼材
  (1) 熱浸鍍鋅鋼材
  (2) 鎂鋁鋅鋼材
  (3) 55%鍍鋁鋅鋼材
‧螺絲與電位差
‧結論
 
【內文精選】
台灣的大氣環境
台灣當地的氣候屬於高溫、高溼與高鹽分的海島型氣候,常見的金屬材料在這樣的環境中很容易腐蝕劣化;加上近代工業快速發展,伴隨產生大量工業污染物,且急劇成長的車輛所排放的高腐蝕性廢氣,更促使台灣地區成為一高腐蝕性的大氣環境。
 
金屬材料的大氣腐蝕(Atmospheric Corrosion)環境分為五個等級(表一),這五個指標是依據ISO 9223(大氣腐蝕性分類)、ISO 9224(各腐蝕環境中腐蝕率指標值)、ISO 9225(污染量量測方法)、ISO 9226(標準試片腐蝕率量測方法)四項標準規範,在選定之量測地點去量測一年期之標準試片腐蝕率、潤濕時間及總污染量,再根據結果,對照各層級之腐蝕率指標值,即可得到該處的腐蝕環境分類。
 
從圖一可以看出我們常見到的工程規範書中提到熱浸鍍鋅要防蝕20年需要鍍鋅達600 g/m2,這數值是從日本JIS規範中的重工業地區需求所制定,但是若以台灣的大氣腐蝕環境C5等級需求,熱浸鍍鋅最少需要達到650 g/m2;許多業者更常常忽略熱浸鍍鋅達到600 g/m2時所需要的鋼材厚度要6 mm以上,小於6 mm的厚度無法鍍足600 g/m2,這點也是目前太陽能電站最常遇到的困擾—鍍層不足而鏽蝕。
 
圖一、(a)美國;(b)日本;(c)台灣熱浸鍍鋅材料於大氣腐蝕環境下之耐久年限比較
圖一、(a)美國;(b)日本;(c)台灣熱浸鍍鋅材料於大氣腐蝕環境下之耐久年限比較
 
耐腐蝕測試方法與常見的支架材料
1. Salt Spray Testing (SST)與Cyclic Corrosion Testing (CCT)測試比較
(2) Cyclic Corrosion Testing–JASO M609
CCT是一種模擬酸雨暴露的測試循環,為日本汽車標準組織(JASO)改進在汽車腐蝕性方面的測試方法M609。相較於SST(鹽水噴霧試驗),CCT(腐蝕循環試驗)為更貼近大自然環境的一種測試標準,實際上大自然並不存在類似SST試驗之嚴苛條件,故JIS規範已明定,使用於鍍製鋼材之耐蝕試驗方法是採用比較接近大自然環境的CCT取代SST。由圖四我們可以發現,在SST與CCT的試驗中,鋼材的表現特性截然不同,但為何有如此大的差異表現呢?接下來我們探討常見的三種鋼材。
 
2. 常見的三種鋼材
(1) 熱浸鍍鋅鋼材
我們常從規範中看到「模組支架用之鋼料材質須符合CNS 2473 SS400或A36或SM400或以上等級並經熱浸鍍鋅處理,其鍍鋅層附著量不得低於600 g/m2」,但這個規範也常常因為鋼材的厚度不足而無法達到效果。如表二所示,若要達到規範中600 g/m2需求,其鍍層換算需要85 μm,但我們再從表三來看,若要滿足85 μm的厚度必須有6.4 mm的材料才能達到這標準,這也是為何目前太陽能電站在戶外時,常因為鋼材厚度不足而無法達到耐蝕20年進而損壞的主要因素。
(2) 鎂鋁鋅鋼材
近年來,台灣的太陽能電站大量使用了鎂鋁鋅合金這種材料,這材料的抗蝕能力優於熱浸鍍鋅。目前在台灣常見的有日系新日鐵住金的SuperDyma與韓系浦項鋼鐵的PosMAC等材料。
 
日系的SuperDyma在以往的鋅(Zn)鍍敷添加鋁(Al)、鎂(Mg)、矽(Si),這些添加元素的複合效果提高了耐腐蝕性。切割端面周邊部的鍍敷成分溶出後,形成主要由氫氧化鋅(Zn(OH)2)、鹼性氯化鋅(ZnCl2·4Zn(OH)2)及氫氧化鎂(Mg(OH)2)等組成的緻密保護皮膜,達到切割面的修復與抗蝕,如圖五鋼材斷面修復過程所示。
 
圖五、日本新日鐵住金SuperDyma鋼材斷面修復過程
圖五、日本新日鐵住金SuperDyma鋼材斷面修復過程
 
韓系的PosMAC塗鍍層中的Mg促成穩定狀態的緊密化合物Simonkolleite →Zn5(OH)8Cl2·H2O(氯水鋅礦化物)。發生切割端面同時,上部鍍鋅層溶解後包覆截面,可促進穩定的化合物成長,之後截面以氯水鋅礦化物包覆之後…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:李喆龍/映發科技股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」385期,更多資料請見下方附檔。

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