خورشید روی آب

طبق اعلام ناسا، فتوولتائیک شناور به عنوان یک فناوری کلیدی در کربن‌زدایی اقتصادها تا سال 2050 در نظر گرفته می‌شود. یک مطالعه جدید در مجله نیچر نیز محاسبه کرد که پنل‌های خورشیدی شناور روی مخازن آبی می‌توانند سه برابر کل اتحادیه اروپا برق تولید کنند و پوشش 30 درصد از سطح 115 هزار مخزن جهان با انرژی خورشیدی می‌تواند سالانه 9434 تراوات‌ساعت برق تولید کند؛ این بیش از سه برابر تولید انرژی اتحادیه اروپاست که در سال 2021 به 44 /2785 تراوات‌ساعت رسیده بود.

فتوولتائیک شناور (FPV)، پنل‌های خورشیدی هستند که بر روی ساختاری شناور بر روی بدنه‌ای از آب، معمولاً یک مخزن یا دریاچه مانند مخازن آب آشامیدنی، دریاچه‌های معدن، کانال‌های آبیاری یا حوضچه‌های باطله (استخرهای باطله مخلوطی از آب، ماسه، خاک رس و قیر باقی‌مانده از فرآیند جداسازی روغن از ماسه و خاک رس هستند) نصب می‌شوند. آنها درست مانند سلول‌های فتوولتائیک معمولی هستند که از نور خورشید، برق تولید می‌کنند. تنها تفاوت آنها این است که بر روی آب شناور هستند- و به آنها لقب «فلوتوولتائیک» (floatovoltaics) نیز داده می‌شود. تعداد کمی از این سیستم‌ها در چین، فرانسه، هند، ژاپن، کره جنوبی، بریتانیا، سنگاپور و ایالات متحده وجود دارند.

کمتر از یک درصد از تاسیسات خورشیدی جهان در حال حاضر شناور هستند، اما طبق مطالعه نیچر، آنها «پتانسیل بسیار زیادی» دارند. با توجه به نزدیکی بیشتر مخازن به مراکز جمعیتی و پتانسیل توسعه سیستم‌های برق محلی، متوجه می‌شویم که 6256 شهر در 124 کشور، از جمله 154 کلانشهر، می‌توانند با نیروگاه‌های محلی FPV (فتوولتائیک شناور) در زمینه برق، خودکفا شوند.

گفته می‌شود که این سیستم‌ها نسبت به فتوولتائیک (PV) در خشکی مزایایی دارند. سطوح آب ممکن است هزینه کمتری نسبت به هزینه زمین داشته باشند و قوانین و مقررات کمتری برای سازه‌هایی که بر روی پهنه‌های آبی -غیرتفریحی- ساخته شده‌اند وجود دارد. برخلاف اکثر نیروگاه‌های خورشیدی مستقر بر روی زمین، آرایه‌های شناور از دید عموم پنهان هستند. FPVها مناطق قابل سکونت و تولیدی را اشغال نمی‌کنند و می‌توانند در محیط‌های تخریب‌شده مستقر شوند و درگیری‌های کاربری زمین را کاهش دهند. آنها می‌توانند بازده بالاتری نسبت به پنل‌های PV در خشکی به دست آورند زیرا آب، پنل‌ها را خنک می‌کند؛ پنل‌ها می‌توانند دارای یک پوشش مخصوص برای جلوگیری از زنگ‌زدگی یا خوردگی باشند. سلول خورشیدی شناور همچنین می‌تواند از تبخیر آب جلوگیری کند. بر اساس این مطالعه، نصب این پنل‌ها باعث صرفه‌جویی در مصرف آب برای تامین 300 میلیون نفر در سال می‌شود.

پیشگام توسعه

نخستین تاسیسات خورشیدی شناور در آیچی، ژاپن، در سال 2007 ساخته شد. آمریکا، دانمارک، فرانسه، ایتالیا و ژاپن نخستین کشورهایی بودند که اختراعات خورشیدی شناور را ثبت کردند. در ایتالیا نخستین پتنت (حق امتیاز) ثبت‌شده در زمینه پنل‌های PV شناور بر روی آب، به فوریه 2008 بازمی‌گردد.

در می 2008، یک کارخانه نوشابه در اوکویل، کالیفرنیا، با نصب 994 پنل PV خورشیدی با ظرفیت کل 477 کیلووات، و شناور کردن آنها در حوضچه آبیاری کارخانه، نخستین سیستم شناور ولتائیک جهان را ابداع کرد. بعد از آن چندین مزرعه PV شناور کاربردی ساخته شد. همچنین اکنون مزارع شناور مقاوم در برابر آب شور نیز برای استفاده در اقیانوس ساخته می‌شوند. بازار این فناوری انرژی‌های تجدیدپذیر از سال 2016 به سرعت رشد کرده است. 20 نیروگاه اول با ظرفیت چندده کیلووات بر ثانیه بین سال‌های 2007 تا 2013 ساخته شدند. توان نصب‌شده در سال 2020 به سه گیگاوات رسید، با پیش‌بینی 10 گیگاوات تا سال 2025.

نخستین سیستم شناور 14 کیلووات بر ثانیه در فوریه 2011 بر روی یک دریاچه معدن در Piolenc، در ووکلوس فرانسه نصب شد. یک نیروگاه یک‌مگاواتی در جولای 2013 در اوکگاوا، ژاپن و یک نیروگاه 200 کیلووات بر ثانیه در پایان سپتامبر 2014 در یک مخزن آبیاری در مزرعه شیپلندز، در شهرستان برکشایر، غرب لندن راه‌اندازی شد. پروژه‌های نیروگاهی در کره جنوبی و تایلند در حال توسعه هستند. نیروگاه هواینان، که در می 2017 در چین افتتاح شد، بیش از 800 هزار مترمربع را در دریاچه معدن سابق اشغال کرده که قادر به تولید حداکثر 40 مگاوات است.

ویژگی‌های فنی

دلایل مختلفی که برای این توسعه این فناوری وجود دارد، عبارت‌اند از:

عدم اشغال زمین: مزیت اصلی نیروگاه‌های PV شناور این است که هیچ زمینی را، به جز سطوح محدود لازم برای اتصالات برق و شبکه، اشغال نمی‌کنند. قیمت آنها با نیروگاه‌های مستقر بر روی زمین قابل مقایسه است، اما این پنل‌های شناور راه خوبی برای جلوگیری از مصرف زمین فراهم می‌کنند.

نصب و راه‌اندازی: نیروگاه‌های PV شناور نسبت به نیروگاه‌های زمینی فشرده‌تر هستند، مدیریت آنها ساده‌تر و ساختن و از کار انداختن آنها نیز آسان است. نکته اصلی این است که هیچ سازه ثابتی مانند پایه‌های مورد استفاده برای یک کارخانه زمینی وجود ندارد، بنابراین نصب آنها می‌تواند کاملاً برگشت‌پذیر باشد.

حفظ آب و کیفیت آن: پوشش جزئی حوضه‌های آب می‌تواند تبخیر آب را کاهش دهد. این اتفاق به شرایط آب‌وهوایی و درصد سطح پوشش داده‌شده بستگی دارد. در آب‌وهوای خشک مانند بخش‌هایی از هند، این یک مزیت مهم است زیرا حدود 30 درصد، از تبخیر سطح پوشیده‌شده جلوگیری می‌کند. این مزیت ممکن است در استرالیا بیشتر باشد و اگر از حوضه برای اهداف آبیاری استفاده شود، این یک ویژگی بسیار مفید است. حفاظت FPV از آب قابل توجه است و می‌تواند برای محافظت از دریاچه‌های طبیعی در آستانه ناپدید شدن و دیگر منابع آب شیرین استفاده شود.

افزایش راندمان پنل به دلیل خنک کردن: اثر خنک‌کننده آب‌های اطراف پنل PV، به افزایش انرژی منجر می‌شود که از پنج تا 15 درصد متغیر است. خنک‌کننده طبیعی را می‌توان با یک لایه آب روی پنل‌های PV یا با غوطه‌ور کردن آنها (به اصطلاح SP2 یا پنل خورشیدی فتوولتائیک غرق‌شده) افزایش داد.

ردیابی: سکوهای شناور بزرگ را می‌توان به راحتی به صورت افقی و عمودی چرخاند تا جهت خورشید را ردیابی کند (شبیه به گل آفتابگردان). آرایه‌های خورشیدی متحرک انرژی کمی مصرف می‌کنند و به دستگاه‌های مکانیکی پیچیده مانند نیروگاه‌های PV مستقر در زمین نیاز ندارند. تجهیز یک نیروگاه PV شناور به سیستم ردیابی، هزینه اضافی کمی دربر دارد در حالی که افزایش انرژی در این حالت می‌تواند 15 تا 25 درصد باشد.

کنترل محیط: شکوفه‌های جلبکی1 که یک مشکل جدی در کشورهای صنعتی است، ممکن است از این طریق کاهش یابد. پوشش جزئی حوضه‌ها و کاهش تابش نور بر روی رسوب بیولوژیک درست زیر سطح آب، می‌تواند این مشکل را حل کند. FPV یک وسیله بالقوه سودآور برای کاهش تبخیر آب در بدنه‌های آب شیرینِ در معرض خطر جهان فراهم می‌کند. به عنوان مثال، مطالعه موردی دریاچه مید نشان داد اگر 10 درصد از دریاچه با FPV پوشانده شود، به اندازه کافی آب و الکتریسیته برای لاس‌وگاس و رنو تولید می‌شود. با پوشش 50درصدی، FPV بیش از 127 تراوات‌ساعت برق خورشیدی پاک و 22 /633 میلیون مترمکعب صرفه‌جویی در آب ایجاد می‌کند، که سالانه برق کافی برای بازنشستگی 11 درصد از نیروگاه‌های آلاینده زغال‌سنگ در ایالات متحده و تامین آب برای بیش از پنج میلیون آمریکایی را فراهم می‌کند.

با وجود موارد گفته‌شده، سلول‌های خورشیدی شناور چندین چالش را پیش‌روی طراحان قرار می‌دهد:

ایمنی الکتریکی و دوام اجزای سیستم: این سیستم به دلیل کار بر روی آب در تمام طول عمر خود، نیاز به افزایش قابل توجه مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت شناورسازی طولانی‌مدت دارد، به ویژه هنگامی که روی آب شور نصب می‌شود.

امواج: سیستم PV شناور (سیم‌ها، اتصالات فیزیکی، شناورها، پنل‌ها) باید بتواند در برابر بادهای تقریباً شدیدتر (نسبت به خشکی) و امواج سنگین، به‌ویژه در تاسیسات خارج از ساحل یا نزدیک به ساحل مقاومت کند.

پیچیدگی تعمیر و نگهداری: به عنوان یک قاعده کلی، انجام فعالیت‌های عملیاتی و نگهداری در آب دشوارتر از خشکی است.

چشم‌انداز FPV

تعداد پروژه‌های فتوولتائیک شناور در سطح جهانی در حال افزایش است. به عنوان مثال، کره جنوبی در حال توسعه یک نیروگاه خورشیدی شناور است که انتظار می‌رود بزرگ‌ترین نیروگاه در جهان باشد. به گزارش پایگاه خبری صنعت انرژی، این پروژه در مناطق جزرومدی سمنگیوم در سواحل غربی کره جنوبی 1 /2 گیگاوات برق تولید خواهد کرد که برای تامین انرژی یک میلیون خانه کافی است.

پرتغال بزرگ‌ترین پارک خورشیدی شناور اروپا را در خود جای داده است. این دریاچه روی مخزن آلکووا، بزرگ‌ترین دریاچه مصنوعی اروپا شناور است و حدود یک‌سوم برق مورد نیاز شهرهای مجاور را تامین می‌کند. این مزرعه خورشیدی شناور دارای 12 هزار پنل خورشیدی و به اندازه چهار زمین فوتبال است.

در هند، یک نیروگاه انرژی خورشیدی شناور 600 مگاواتی بر روی رودخانه نارمادا در ایالت مادهیا پرادش در حال ساخت است. این نیروگاه که گفته می‌شود بزرگ‌ترین نیروگاه خورشیدی شناور جهان است، تا سال 2023، 600 مگاوات برق تولید خواهد کرد. به گزارش پایگاه خبری انرژی خورشیدی آسیایی SolarQuarter، ایالت مرکزی هند در حال حاضر 5500 مگاوات انرژی از منابع تجدیدپذیر تولید می‌کند و می‌خواهد تا سال 2030 به این میزان 20 هزار مگاوات دیگر اضافه کند. مزرعه عظیم خورشیدی شناور سنگاپور در مخزن «تِنگه» به اندازه 45 زمین فوتبال است و 122 هزار پنل خورشیدی شناور دارد. این نیروگاه پنج تصفیه‌خانه سنگاپور را تامین می‌کند و بخشی از هدف جزیره برای چهار برابر کردن تولید انرژی خورشیدی تا سال 2025 است.

در ایالات متحده، بزرگ‌ترین پروژه خورشیدی شناور در کالیفرنیا قرار دارد. مزرعه خورشیدی شناور هلدزبورگ دارای 11600 پنل خورشیدی است و می‌تواند 8 /4 مگاوات برق تولید کند که برای تامین هشت درصد از نیاز برق هلدزبورگ کافی است.

بزرگ‌ترین نیروگاه خورشیدی شناور آلمان بر روی یک دریاچه بلااستفاده در معدنی در شهر هالتن اَم سی ساخته شده است و سالانه 1100 تن در انتشار دی‌اکسیدکربن صرفه‌جویی می‌کند. از زمان تهاجم روسیه به اوکراین، آلمان و سایر کشورهای اروپایی تمرکز خود را بر انرژی‌های تجدیدپذیر افزایش داده‌اند تا به کاهش وابستگی خود به نفت و گاز روسیه کمک کنند.

سیشل، کشور جزیره‌ای در شرق آفریقا، قرار است بزرگ‌ترین نیروگاه خورشیدی شناور آب شور جهان را بسازد. به گزارش خبرگزاری سیشل، یک شرکت فرانسوی انرژی‌های تجدیدپذیر کار ساخت این نیروگاه را در منطقه شرقی پروویدنس در بزرگ‌ترین جزیره این کشور، ماهه، آغاز کرده است. این نیروگاه دارای سیستم‌های انرژی خورشیدی فتوولتائیک پنج‌مگاواتی خواهد بود. با این پروژه، این کشور وابسته به گردشگری، با جمعیت 99 هزار نفر، قصد دارد یک قدم به هدف انتشار صفر خود نزدیک‌تر شود.

در حالی که به نظر می‌رسد چین و هند در حال حاضر بزرگ‌ترین نیروگاه‌های خورشیدی شناور را در اختیار دارند، سایر کشورها به سرعت در حال پیشی گرفتن از این دو کشور و در حال ساخت پروژه‌های عظیمی در این زمینه هستند. به گزارش بی‌بی‌سی نیوز، اکنون مهندسان و دانشمندان شروع به توسعه راه‌هایی برای قرار دادن مزارع خورشیدی روی سطح اقیانوس کرده‌اند تا برق را به مکان‌های دورافتاده‌ای مانند کشور جزیره‌ای اندونزی که بیش از یک میلیون نفر در آن به برق دسترسی ندارند، بیاورند. 

پی‌نوشت:

1- شکوفه جلبکی، افزایش یا تجمع سریع جلبک‌ها در سیستم‌های آب شیرین یا آب دریاست که اغلب با تغییر رنگ آب ناشی از رنگدانه‌های جلبک تشخیص داده می‌شود.