渠顶光伏组件户外静水浸泡金属释放：饮用水输水渠道水质证据与风险筛查

《Water》：Metal Leaching from Canal-Top Photovoltaic Modules Under Outdoor Static Water Immersion: Experimental Evidence and Water-Quality Implications for a Drinking-Water Transfer Canal

　　

在饮用水输水渠道上方建设太阳能走廊（光伏，photovoltaic, PV）可将可再生能源发电与节地、节水相结合，但组件与水的直接接触引发了金属释放和水质安全方面的疑问。研究人员开展了双季节户外静水浸泡实验，所用商业晶体硅组件包括隆基（LONGi）P型、隧穿氧化层钝化接触（tunnel oxide passivated contact, TOPCon）和叉指背接触（interdigitated back contact, IBC）组件以及正泰（CHINT）TOPCon组件，涵盖完整与破损状态。秋季（8 d）仅检出As和Ni（0.22–0.35和0.53–2.60 μg/L）；As在12–24 h内趋于稳定，而Ni逐渐升高，Pb、Cd和苯酚仅在检出限附近零星检出。春季（66 d），Cu、Fe、Mn、Zn、As和Ni以μg/L水平释放（最大值分别为105、48、6.6、5.9、1.0和2.4 μg/L），Cd、Cr(VI)和Hg未检出。Cu占主导，超过GB 3838-2002 I类限值（10 μg/L），但仍远低于II类限值和饮用水限值（1.0 mg/L）。Fe、Mn和Zn在6 d内达到峰值，而Cu在8–17 d出现独特的腐蚀驱动二次释放阶段，直至24 d后才稳定。在单一水池测试中，破损程度并未单调控制释放；完整组件池的Cu、Mn和Ni最高，指向暴露的含铜部件腐蚀。将实测通量按350 m³/s渠道流量（1 km走廊）缩放，得到稳态增量：按活动期平均释放速率约为10^?4 μg/L，按最大观测间隔速率情景约为4 × 10^?3 μg/L，二者均远低于法规限值，支持在受试条件下所测分析物水质风险较低，但需置于本有限研究的背景下理解。

研究背景与问题。光伏（photovoltaic, PV）容量过去十年快速扩张，地面电站土地足迹加剧了土地资源竞争。将PV部署于水面（水库、湖泊和池塘的漂浮光伏）以及灌溉或输水渠道的渠顶光伏，可在发电的同时缓解土地约束并产生协同效益；渠顶覆盖可减少蒸发、抑制水生杂草并冷却组件、提高能量产出。中国正在考虑更具影响的用途：在长距离开放渠道输水工程（long-distance open canal water transfer project, LDWTP）上建设PV走廊，该工程向沿线5800多万人输送饮用水，2016—2019年平均水质指数为90.39，2018—2020年主渠18种重金属低于GB 3838-2002 I类限值。由于渠道输送饮用水源水，任何置于水上或接触水的设施都必须证明不损害水质。现有过水PV环境文献主要关注遮光、蒸发、热分层、溶解氧及浮游生物、底栖和移动物种等物理生物效应；浸出文献多基于退役组件的实验室强浸出（破碎、酸性提取、翻滚搅动），较真实现场接触更严苛；长期浸泡研究显示金属可随年份释放，且强烈依赖溶液化学和切割或破损边缘；晶体硅组件浸出物水生毒性研究识别Al和Ag为主要生态毒理可疑物，毒性依赖组件和部件类型。据作者所知，尚无研究量化完整商业晶体硅组件在户外自然温度水浸泡下的金属释放，也无渠顶PV跨饮用水输水渠道的实证评估。为此，研究人员开展两季户外静水浸泡，比较完整与破损组件、不同损伤程度，筛查饮用水和地表水标准，并将释放通量缩放至真实输水渠道。结论是所测溶解分析物在测试条件下水质风险低，但需规范易腐蚀含铜部件、及时清除破损组件和碎片、将Cu、As和Ni纳入常规监测；未测的微塑料、有机浸出物、Ag、Al需单独评估，筛查级结论需重复统计设计实验确认。其意义在于为渠顶PV饮用水渠道应用提供直接实验证据和筛查框架。

关键技术方法（≤250字）。开展两季户外静水浸泡。秋季6池各放1块完整或破损LONGi P型、TOPCon、IBC组件，另设2个自来水空白桶；春季5池各放1块CHINT TOPCon组件（20%、10%、5%破损及完整）和1块LONGi IBC破损组件（20%面积），春季组件来自项目现场；每处理单池、无重复，空白池中途泄漏。采样12次和22次。金属用ICP-MS（电感耦合等离子体质谱），Hg用冷原子吸收，Cr(VI)用二苯碳酰二肼分光光度法，苯酚用连续流动分析；多参数仪测水温、EC（电导率）、DO（溶解氧）、浊度、TDS（总溶解固体）。按降雨蒸发重建体积，计算净浸出质量与间隔释放速率；对照GB 5749-2022、GB 3838-2002、WHO和EU标准计算HQ（危害商），并按ΔC=(n×L×F)/Q缩放至350 m³/s渠道。

研究结果。3.1 Phase 1（秋季，8 d浸泡）：浓度时间序列。通过秋季8 d静水浸泡，水温暖（27.9–31.8 °C降至19.1–22.0 °C），DO近饱和，EC 313–444 μS/cm，TDS 220–265 mg/L，浊度≤3 NTU；仅As和Ni持续检出。As为0.24–0.35 μg/L且基本恒定，空白为0.22–0.32 μg/L，模块增量≤0.1 μg/L；Ni在破损P型池2#、N型TOPCon池3#完整和4#破损升高至1.69、2.60和2.48 μg/L（192 h），完整P型、IBC和空白池<0.7 μg/L；Pb零星0.11–0.57 μg/L，Cd一次0.08 μg/L，苯酚0.43–0.50 μg/L，均近检出限且无时间趋势。As和Ni释放速率首12 h最大，之后As近零，Ni小正速率维持2#–4#渐升；破损仅略高于完整。结论：秋季仅As、Ni可检出，As多为源水背景，Ni渐升。

3.2 Phase 2（春季，66 d浸泡）：浓度时间序列。通过春季66 d浸泡，水温升至26.8–33.3 °C，DO高，EC和TDS随蒸发浓缩上升，浊度<1.2 NTU；十种金属中Cu、Fe、Mn、Zn、As、Ni在所有池检出，Pb仅严重破损池1#零星检出，Cd、Cr(VI)、Hg低于检出限。Cu从背景0.61–1.43 μg/L升至336–408 h的53.4–105.0 μg/L，完整池4#最高105.0，其次中度2#60.9、严重1#58.5、轻度3#53.4、破损IBC 5#33.1。Fe前6 d波动最大48.1 μg/L（2# 24 h），后降至2.7–3.3；Mn达6.6 μg/L（2# 96 h）；Zn、As、Ni峰值5.9、1.0、2.4 μg/L（1#、5#、4#）；Zn约45 d后多数低于检出限。所有检出浓度至少低于GB 5749-2022饮用水限值1–3个数量级，唯一例外是Cu相对GB 3838-2002 I类限值：Cu在72 h至1248 h（52 d）所有池超10 μg/L，但低于II类1000 μg/L和饮用水限值。结论：春季六种金属以μg/L释放，Cu主导并超I类但低于II类和饮用水限值。

3.3 Phase 2：浸出质量与释放速率。通过体积校正和M=V×C、间隔速率计算，瞬时净浸出质量每池为Fe 1.52–89.07 mg、Mn 0.83–12.54 mg、Cu 1.17–194.5 mg、Zn 1.24–11.01 mg、As 0.67–1.87 mg、Ni 1.03–4.50 mg；这些是每次采样净池负荷（溶解态存量），非累积释放，下游实际接收还取决于交换和冲刷，批量池不能复现。Cu和Fe主导质量释放，As、Ni最小；除Cu外各元素质量轨迹初始脉冲后下降或稳定，Cu质量继续增加至中期（峰值400–800 h）。释放速率前4 d最高：Fe在48 h内?81.6至+57.1 mg/h波动（释放-再吸附），Mn、Zn、As在24–144 h趋近零；Ni多数池约24 h趋近，但完整池4# Ni缓慢增至576 h最大2.35 μg/L；Cu唯一明显二次释放阶段（8–17 d达1.28 mg/h），最长活跃期，约576 h（24 d）后稳定。五个单池中，Fe、Mn、Cu速率范围在5#破损IBC最宽，Zn在1#严重，As、Ni在3#轻度；这些描述性观察不能与池特异性变异分离，但符合元素特异性释放动态不受损伤程度单调控制。结论：Cu具有延迟二次释放，损伤-释放非单调。

3.4 合规筛查与筛查级危害商。通过浓度与标准比较及HQ计算，两活动所有浓度满足GB 5749-2022和GB 3838-2002 II类；对GB 5749-2022最大HQ为Cu 0.11（105.0 μg/L vs 1000 μg/L）、Fe 0.16（48.1 vs 300 μg/L）、Mn 0.07、Ni 0.12（对20 μg/L扩展指标）、As 0.10、Zn<0.01；对更严I类地表水限值，仅Cu超基准（HQ最高10.5对10 μg/L），其他低于。用活动期平均每组件日Cu释放约2.9 mg/d（66 d 194.5 mg），假设1 km走廊1000组件，LDWTP设计流量350 m³/s，稳态Cu增量0.97×10^?4 μg/L，约I类限值10^?5、饮用水限值10^?7，其他元素更小；最大观测间隔速率情景（4.81 mg/h即115 mg/d）增量3.8×10^?3 μg/L，约I类4×10^?4、饮用水4×10^?6；线性缩放至10 km走廊最大间隔速率情景贡献约4×10^?2 μg/L Cu，仍约I类0.4%。不能排除更高瞬态释放；水工程材料累积释放按系统寿命评估。结论：筛查合规，缩放增量远低于法规限值。

讨论部分总结。元素来源方面，Cu主导释放与铜带、接线盒、连接器和电缆等位于玻璃/EVA封装外、直接暴露且电化学活跃的含铜部件一致；Fe、Mn、Zn来自铝边框合金和玻璃中Fe₂O₃，边框为最外层永久湿润金属面，解释早期Fe脉冲；Ni微量来自铜带和不锈钢连接件，后者更可能；As为源水背景而非模块；Pb为接线盒Sn-Pb焊料但封装于盒内，与严重破损池零星近检出限一致；Cd、Hg在现代晶体硅组件材料清单（bill of materials, BOM）中基本缺失；苯酚无主要模块聚合物来源，EVA、POE、PET/PVDF、PPO中抗氧剂强分配于聚合物基质，零星近检出限，封装降解产物主要是乙酸和酮而非苯酚。释放动态方面，观察到两阶段特征：0–4 d表面控制快速释放，随后近零净速率；Fe振荡指示释放与再吸附，可能以Fe氧氢氧化物沉淀并清除其他痕量金属。Cu慢积累、8–17 d二次释放、24 d后稳定，最可能由暴露Cu部件表面钝化逐步破坏、溶解氧驱动、轻度矿化自来水中的腐蚀控制而非溶解控制解释；与“weak spots”和暴露内层优先浸出及Tavolacci et al.发现接线盒/电缆浸出物主导一致。概念模型将阶段1归为表面控制，阶段2归为腐蚀控制且元素选择；Cu延迟峰与湿气侵入、氧化膜破坏（碱浸出和EVA水解乙酸局部酸化）、Al框与Cu电偶耦合（Al阳极先腐蚀保护Cu，框钝化后负载转向Cu）一致，24 d后再钝化（碳酸铜沉淀和Fe氧氢氧化物共沉淀）。但电偶序列仍为工作假设：无直接电化学测量，pH未监测；替代解释包括Fe氧氢氧化物Cu解吸、微生物吸收释放、制造缺陷局部点蚀。季节和损伤效应方面，两季水温可比，As稳定春季稍长（24 h vs 12 h），Ni秋季8 d渐升未平台、春季多数池约24 h趋零而完整池缓慢增至576 h峰；速率范围略宽，提示温度对早期溶解动力学有 modest 控制。单池中完整池Cu、Mn、Ni最高，严重池Fe、Zn最高；每处理单池，描述性观察不能与池变异分离，非确定处理效应；无单调损伤-释放关系重要且反直觉，提示边缘金属部件腐蚀更多由电化学微环境控制而非层压板裂纹面积，破损玻璃表面可能吸附清除释放金属；管理上完整组件也应监测。缩放与启示方面，池浓度来自近停滞小体积批量配置，对浓度保守；真实渠道连续更新。停滞消除平流稀释、全浸最大化湿润面积（≈5.4 m²双面），渠顶仅间歇湿润；反作用为流动水更新DO可加速腐蚀释放、渠道水化学不同；测试停滞全浸条件对浓度保守但不延伸至释放通量。LDWTP设计流量350 m³/s、年调水9.5 km³，密集PV走廊约1000组件/km、1 km，Cu增量10^?4量级，其他更小；最大间隔速率情景3.8×10^?3 μg/L，仍低于最严基准三个数量级以上；10 km约4×10^?2 μg/L，<1% I类。该筛查与项目报告一维水动力水质模拟一致，圣维南（Saint-Venant）建模为该渠道既定实践；方程假设完全混合、不解析弥散和输运损失，属筛查级估计，待试点走廊现场验证。池中Cu超I类归因于批量配置，正常流动渠道连续平流稀释使增量远低；但外推筛查未现场验证，停滞或混合差渠段局部升高不能排除。Cu仍需关注：唯一接近基准，且Guo et al.基线研究估计Cu即使当前背景可影响8.5%藻类群落，额外Cu输入应最小化。措施包括：接线盒、连接器和电缆采用水接触兼容材料或全封装；及时清除坠落或破损组件和施工碎片；将Cu、As、Ni纳入渠顶PV段常规监测；支撑结构尽量置于湿润周界外，仅面板下表面近水面。LONGi模块通过韩国KSC 8561认证（含自来水浸出测试），但短期认证不能捕捉延迟腐蚀控制Cu释放。局限方面，研究使用静态自来水池而非流动渠道水、单一气候地点、两家供应商和型号、每处理单池无重复（三次分析仅为分析重复）、分析物有限（金属和苯酚；微塑料、乙酸和其他有机降解产物未测；仅溶解金属，颗粒和胶体未单独评估）；春季空白池泄漏无连续并发空白，秋季空白桶8 d无金属累积，外部输入小；Cu峰初始背景仅约1%，假设未知背景需第17天供应≈10 μg/L才能解释10%峰Cu（≈0.6 μg/(L·d)），秋季空白无可测累积限制类似输入<0.006 μg/(L·d)，低两个数量级；EC/TDS上升符合质量守恒，浓度变化主要归因模块但不能完全排除未知背景小贡献。多参数仪无pH电极，pH未记录，腐蚀指数不能算；降雨仅体积核算未化学核算，雨水酸度和UV降解未模拟；PVC涂层聚酯池可能释放添加剂，但稳定空白反对；全浸相对渠顶保守，浓度高估渠道侧，但保守性不一定延伸至释放通量；8和66 d相对25–30年寿命短，结果表征初始浸泡动力学非寿命释放；渠顶PV将严格在线监测维护，落水模块会检测清除，测试窗口近似实际暴露时长；约900 m PV走廊在Beijuma River Discharge Channel运行两年多无模块落水，无原位验证机会，主输水渠道未建走廊，缩放依赖池实验和项目一维水动力水质模拟。未来应：在流动水代表渠道化学中重复；测全谱有机浸出物和微塑料包括颗粒胶体金属；试点走廊后验证一维模型；在中国指示物种扩展含Cu部件浸出物水生生态毒理并加Ag、Al（Ag在铜带中0.0014%）；开展重复中宇宙、连续空白和pH监测以统计检验处理效应。

结论翻译。两季户外静水浸泡使用代表性渠顶部署商业晶体硅PV组件，表明：（1）仅Cu、Fe、Mn、Zn、As和Ni以μg/L水平释放，Cd、Cr(VI)和Hg低于检出限，Pb和苯酚仅近方法检出限零星检出；（2）Cu为优势浸出元素（最大105 μg/L），超过GB 3838-2002 I类基准（10 μg/L），但低于II类和饮用水限值一个数量级；（3）释放具有时间限制：As在12–24 h稳定，Fe/Mn/Zn在6 d内稳定，Cu在8–17 d独特二次释放阶段后24 d稳定，Ni在秋季8 d内渐升未达平台；（4）在单池测试中，金属释放与模块损伤非单调相关，完整组件池Cu、Mn、Ni最高，提示边缘含铜部件腐蚀而非层压板破损控制长期释放；（5）缩放至渠道设计流量后，即使最大观测间隔释放速率，PV走廊浓度增量仍比法规基准低数个数量级（Cu约3.8×10^?3 μg/L）。对于所测溶解分析物、测试停滞浸泡条件和初始8–66 d暴露期，研究人员得出结论：正常运行时渠顶PV部署于饮用水输水渠道水质风险低，前提是易腐蚀Cu部件正确选型、破损模块和碎片及时清除、Cu、As、Ni纳入常规监测；未测成分（如微塑料、有机浸出物、Ag、Al）需单独评估后结论才能推广。该筛查级结论应通过重复、统计设计的实验确认。