सौर पैनलों का समुद्री जल संक्षारण: तंत्र, परीक्षण मानक और शमन रणनीतियाँ

परिचय

नवीकरणीय ऊर्जा की ओर वैश्विक दबाव ने तटीय और अपतटीय वातावरण में फोटोवोल्टिक (पीवी) प्रतिष्ठानों के तेजी से विस्तार को प्रेरित किया है। दुनिया भर में फ्लोटिंग पीवी क्षमता 2023 के अंत तक लगभग 5.9 गीगावॉट तक पहुंच गई और 2030 तक 10 गीगावॉट से अधिक होने का अनुमान है। ऑफशोर पीवी भूमि आधारित प्रणालियों पर विशिष्ट लाभ प्रदान करता है, जिसमें पैनलों पर पानी के शीतलन प्रभाव के कारण भूमि के उपयोग की बाधाओं से बचना और उच्च ऊर्जा उपज शामिल है। हालाँकि, समुद्री जल क्षरण तंत्र का एक सेट पेश करता है जो मूल रूप से सौर मॉड्यूल के स्थायित्व और प्रदर्शन को खतरे में डालता है, जिसका सामना स्थलीय प्रतिष्ठानों को शायद ही कभी करना पड़ता है।

समुद्री जल के तंत्र-प्रेरित क्षरण

कांच का संक्षारण और ऑप्टिकल नुकसान

पीवी मॉड्यूल का फ्रंट कवर ग्लास समुद्री जल के संपर्क में आने वाला पहला अवरोध है। प्रायोगिक अध्ययनों से पता चला है कि नकली समुद्री जल में विसर्जन के 98 दिनों के बाद, पीवी ग्लास का संप्रेषण 91.46% से घटकर 70.35% हो जाता है। यह नाटकीय ऑप्टिकल क्षरण एक अनुक्रमिक जमाव प्रक्रिया द्वारा संचालित होता है: सबसे पहले मैग्नीशियम नमक की परतें बनती हैं और कांच की सतह के स्थानीय क्षरण को तेज करती हैं, उसके बाद कैल्शियम {8} नमक की परतें बनती हैं, जो कांच के चल रहे विघटन के साथ मिलकर ऑप्टिकल नुकसान को और बढ़ा देती हैं और मॉड्यूल आउटपुट को कम कर देती हैं।

धात्विक घटकों का विद्युत रासायनिक संक्षारण

समुद्री जल आयनिक प्रजातियों से समृद्ध है -Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻-जिनके सोखने या मॉड्यूल में प्रवेश से इलेक्ट्रोकेमिकल संक्षारण प्रक्रिया शुरू होती है। धात्विक इलेक्ट्रोड, विशेष रूप से सिल्वर (Ag) और कॉपर (Cu), संभावित बदलाव और आयन प्रसार के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं, जो दोनों ही दीर्घकालिक स्थिरता से समझौता करते हैं। तटीय क्षेत्रों में, प्राथमिक विफलता मोड धातु संपर्कों और वेल्ड पर होने वाला इलेक्ट्रोकेमिकल और गैल्वेनिक संक्षारण है, क्योंकि पैनल में नमी की घुसपैठ धातु संपर्कों के ऑक्सीकरण और इनकैप्सुलेंट सामग्रियों के क्षरण को तेज करती है।

इस प्रक्रिया की एक विशेष रूप से दृश्यमान अभिव्यक्ति मॉड्यूल सतहों पर अंधेरे रेखाओं या पानी के निशान का गठन है। नमक से भरी नमी सौर सेल धातुकरण में उपयोग किए जाने वाले सिल्वर पेस्ट पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए एक इलेक्ट्रोलाइट वातावरण प्रदान करती है, जिससे सिल्वर ऑक्साइड का निर्माण होता है जो दृश्यमान काली रेखाओं के रूप में दिखाई देता है, जो मॉड्यूल की उपस्थिति और विद्युत प्रदर्शन दोनों को ख़राब करता है।

एनकैप्सुलेंट और जंक्शन बॉक्स भेद्यता

नमक से नमी के लंबे समय तक संपर्क में रहने से फ्रेम, जंक्शन बक्से और कांच की सतहों जैसे महत्वपूर्ण मॉड्यूल भागों का क्षरण होता है जिससे प्रदर्शन में कमी आती है और मॉड्यूल सेवा जीवन में कमी आती है। यदि किसी वितरण बॉक्स, टर्मिनल या इन्वर्टर में नमक की धुंध या वाष्प घुस जाती है, तो अंततः जमा होने के कारण उसमें जंग लग जाती है। इसलिए, समुद्री अनुप्रयोगों के लिए जंक्शन बक्से को नमक और नमी प्रतिरोधी होने के लिए IP68 सील किया जाना चाहिए।

त्वरित गिरावट दरें

तटीय परिस्थितियों में बाइफेशियल मॉड्यूल के क्षेत्र अवलोकन अच्छी तरह से एनकैप्सुलेटेड मॉड्यूल के लिए प्रति वर्ष लगभग 0.36% और 0.75% के बीच प्रभावी वार्षिक गिरावट दर की रिपोर्ट करते हैं। हालाँकि, अपतटीय पीवी मॉड्यूल पर नमक संचय अतिरिक्त 0.05% से 0.13% तक गिरावट दर को तेज करता है, संभावित रूप से मॉड्यूल जीवनकाल को 3 से 5 साल तक कम कर देता है। खराब डिज़ाइन वाले इनकैप्सुलेशन वाले चरम मामलों में, रियर {9} साइड पोटेंशियल {{10} प्रेरित गिरावट के कारण स्थानीयकृत बैक {{11} बिजली की हानि 30% से अधिक हो गई है।

उद्योग परीक्षण मानक

नमक धुंध संक्षारण प्रतिरोध को नियंत्रित करने वाला प्राथमिक अंतरराष्ट्रीय मानक IEC 61701 है, जो NaCl और MgCl₂ जैसे क्लोराइड यौगिकों वाले नमक धुंध से संक्षारण के लिए पीवी मॉड्यूल के प्रतिरोध को निर्धारित करने के लिए परीक्षण अनुक्रमों का वर्णन करता है। सबसे गंभीर परीक्षण स्तर -स्तर 6-56 दिनों में आठ परीक्षण चक्र शामिल हैं। प्रत्येक 7-दिवसीय चक्र में नमक स्प्रे के चार चरण होते हैं जो 93% आर्द्रता के साथ 35 डिग्री पर दो घंटे तक चलते हैं, इसके बाद नियंत्रित आर्द्रता के साथ 40 डिग्री पर भंडारण होता है। यह कठोर प्रोटोकॉल बिजली उत्पादन में गिरावट, जमीन की निरंतरता, गीला रिसाव वर्तमान, इन्सुलेशन प्रतिरोध और उपस्थिति का मूल्यांकन करता है।

2020 में जारी आईईसी 61701 के तीसरे संस्करण में महत्वपूर्ण अपडेट पेश किए गए: परीक्षण विधियों को संक्षिप्त किया गया और आईईसी 61215 और आईईसी 61730 के नए संस्करणों के साथ संरेखित किया गया, और यह मार्गदर्शन करने के लिए एक मानक अनुबंध जोड़ा गया कि कौन सी परीक्षण विधियां विभिन्न अनुप्रयोगों पर लागू होती हैं। कुछ निर्माताओं ने स्वेच्छा से मानक की आवश्यकताओं को पार कर लिया है, 168 दिनों तक नमक धुंध साइक्लिंग परीक्षण का आयोजन किया है {{6}उच्चतम मानक स्तर की अवधि से तीन गुना अधिक {{7}और केवल 1% की बिजली हानि प्राप्त की है।

शमन और सुरक्षा रणनीतियाँ

उन्नत ग्लास कोटिंग्स

अग्रणी पीवी निर्माताओं ने समुद्री वातावरण के लिए विशेष ग्लास कोटिंग्स विकसित की हैं। एक उल्लेखनीय दृष्टिकोण एक सघन SiO₂ आधार परत को उच्च {{1}संचारण विरोधी {{2}प्रतिबिंबित सतह परत के साथ जोड़कर नियोजित करता है; आधार परत प्रभावी ढंग से जल वाष्प और क्लोराइड आयन प्रवेश को रोकती है जबकि सतह परत स्वयं सफाई क्षमता प्रदान करती है और 94% से ऊपर संप्रेषण बनाए रखती है। ऐसे मॉड्यूल पारंपरिक आवश्यकताओं से कहीं अधिक, IEC 61701 नमक धुंध स्तर 8 परीक्षण पास कर चुके हैं। टेम्पर्ड सब्सट्रेट, डबल परत नैनो कोटिंग, परमाणु परत जमाव, सुपरहाइड्रोफोबिक सेल्फ क्लीनिंग और एज सीलिंग के संयोजन वाली एक एकीकृत सुरक्षा प्रक्रिया को मॉड्यूल के जीवनकाल को 25 साल से अधिक बढ़ाने के लिए दिखाया गया है, डबल परत लेपित ग्लास के साथ नमक स्प्रे सहनशीलता 1,100 घंटे से अधिक है।

फ़्रेम और संरचनात्मक सुरक्षा

मानक स्थलीय पीवी मॉड्यूल के एल्यूमीनियम फ्रेम आमतौर पर AA10 विनिर्देशन के लिए एनोडाइज्ड होते हैं। समुद्री वातावरण के लिए, इसे AA20 (20-25 μm मोटाई) में अपग्रेड किया जाना चाहिए, जिसे तटीय सौर परियोजनाओं के लिए अनिवार्य समुद्री ग्रेड मानक माना जाता है। फ़्रेम की एनोडाइज्ड परत को AA10 से AA20 तक अपग्रेड करने से संक्षारण प्रतिरोध में नाटकीय रूप से सुधार होता है और लंबे समय तक एक्सपोज़र के तहत संरचनात्मक विश्वसनीयता बढ़ जाती है। जिंक {{10}मैग्नीशियम-एल्यूमीनियम स्टील कोटिंग्स को भी C5-M समुद्री वातावरण में उपयोग के लिए प्रमाणित किया गया है, जिसमें 3% मैग्नीशियम सामग्री कम मैग्नीशियम सामग्री वाले कोटिंग्स की तुलना में जंग के खिलाफ कहीं अधिक प्रभावी सुरक्षा प्रदान करती है।

स्वयं-हीलिंग और एंटी-यूवी कम्पोजिट कोटिंग्स

कोटिंग प्रौद्योगिकी में हाल की प्रगति ने समुद्री पीवी उपकरणों के लिए स्व-उपचार क्षमताएं पेश की हैं। सहक्रियात्मक इलेक्ट्रोस्पिनिंग और इलेक्ट्रोस्प्रेइंग के माध्यम से निर्मित एक मिश्रित कोटिंग ने प्रदर्शित किया कि नमक स्प्रे परीक्षण के दौरान, जंग लगा क्षेत्र खाली एपॉक्सी कोटिंग्स की तुलना में काफी छोटा था, जिसमें इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा परिमाण के दो आदेशों से खाली एपॉक्सी से अधिक थी। क्षतिग्रस्त क्षेत्रों की स्वत: चिकित्सा थोड़े समय के भीतर पूरी हो गई, और 300 घंटे के त्वरित उम्र बढ़ने के परीक्षण के बाद, कोटिंग ने अपने भौतिक रासायनिक गुणों और सुरक्षात्मक प्रदर्शन को बरकरार रखा।

संरचनात्मक संक्षारण और यांत्रिक प्रभाव

पीवी मॉड्यूल के अलावा, ऑफशोर फ्लोटिंग पीवी सिस्टम के संरचनात्मक घटकों को गंभीर संक्षारण चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। समुद्री संक्षारण महत्वपूर्ण टी जोड़ों की भार वहन क्षमता को लगभग 33% से 45% तक कम कर देता है। कठोरता में गिरावट 59.76% तक पहुँच जाती है, जबकि ऊर्जा अपव्यय क्षमता 54.6% से घटकर 62.5% हो जाती है। हालाँकि, संशोधित एपॉक्सी ग्लास {{11} फ्लेक कोटिंग्स और ग्राफीन जिंक कोटिंग्स प्रभावी रूप से टी जोड़ों की रक्षा करते हैं, कोटिंग विफलता के बिना लगभग अपरिवर्तित भार वहन क्षमता बनाए रखते हैं।

आर्थिक निहितार्थ

समुद्री पीवी प्रतिष्ठानों में संक्षारण की लागत काफी है। फ्लोरिडा अटलांटिक तट से 200 मीटर की दूरी पर स्थित 5 मेगावाट के सौर फार्म को अपने पहले वर्ष में 5% दक्षता में गिरावट का सामना करना पड़ा, रखरखाव की लागत सालाना 15,000 डॉलर प्रति मेगावाट तक पहुंच गई। उचित संक्षारण प्रतिरोधी विनिर्देशन सामग्री लागत के अग्रिम बिल में 5-10% जोड़ता है, सामग्री की लागत लगभग 2-4 डॉलर होती है, लेकिन यह प्रीमियम फ्रेम संक्षारण को रोककर स्वयं के लिए भुगतान करता है, अन्यथा पूर्ण मॉड्यूल प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है। चीन में, पूरे उद्योग में संक्षारण लागत 4 ट्रिलियन युआन आंकी गई है, जो सकल घरेलू उत्पाद का 3.34% है, जबकि प्रभावी संक्षारण संरक्षण इन नुकसानों में से 25% से 40% की भरपाई कर सकता है।

निष्कर्ष

समुद्री जल के कारण संक्षारण तेजी से विकसित हो रहे अपतटीय और तटीय फोटोवोल्टिक बाजार के सामने आने वाली महत्वपूर्ण कठिनाइयों में से एक है। समस्या की प्रकृति को समझाने के एक से अधिक तरीके हैं। यहां विभिन्न प्रकार के क्षरण देखे जाते हैं - कांच का क्षरण, उपकरण के धातु भागों पर कार्य करने वाली विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएं, इनकैप्सुलेटिंग सामग्री का कमजोर होना और साथ ही उपकरण की संरचना का कमजोर होना। उद्योग बहु-परत ग्लास कोटिंग्स और धातु आवरणों के लिए उन्नत एनोडाइजेशन का उपयोग करके नई सुरक्षा प्रौद्योगिकियों को विकसित करके चुनौती को पूरा करता है। उद्योग को IEC 61701 जैसे संक्षारण परीक्षण में अंतर्राष्ट्रीय मानकों द्वारा सहायता प्रदान की जाती है। जैसे-जैसे अपतटीय परियोजनाओं की मात्रा बढ़ती है, सौर ऊर्जा संयंत्रों की प्रभावशीलता के लिए विश्वसनीय, सस्ते संक्षारण संरक्षण का प्रावधान महत्वपूर्ण हो जाता है।