نیروگاه خورشیدی شناور

نیروگاه خورشیدی شناور

در اﯾﻦ مقاله به تعریفی از ساختار و مکانیسم عملکرد نیروگاه خورشیدی شناور (FPV) و تأثیرات محیطی آن، همراه با ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ موردی که ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از دادهﻫﺎی ﺗﺠﺮﺑﯽ از ﯾﮏ آزﻣﺎﯾﺶ ﻣﯿﺪاﻧﯽ واﻗﻊ در ﻣﻨﻄﻘﻪای ﺑﺎ ﺷﺮاﯾﻂ آب و ﻫﻮاﯾﯽ ﻣﺪﯾﺘﺮاﻧﻪ ای اﻧﺠﺎم ﺷﺪه اﺳﺖ می پردازیم و مراحل ساخت یک نیروگاه خورشیدی شناور را با هم بررسی میکنیم و از استاندارد تجهیزات آن خواهیم گفت.

مسائل کمبود زمین و افزایش نگرانی عمومی در مورد احداث نیروگاه خورشیدی، انگیزه ای برای یافتن مکان های جایگزین برای نصب سیستم های فتوولتائیک شناور ( (FPVاست. سیستم‌های FPV از اشغال کردن زمین‌های بزرگ که یکی از ویژگی‌های اصلی سیستم‌های فتوولتائیک روی زمین است، اجتناب می‌کنند. همچنین از افزایش قیمت زمین جلوگیری می کنند و پارامترهای عملکرد اصلی سیستم را بهبود می بخشند. صرف نظر از علاقه روزافزون بسیاری از شرکت های انرژی در سراسر جهان، این سیستم در اولین قدم های خود می باشد. نگرانی هایی در خصوص استفاده از مناسب ترین فناوری، مزایای ارائه شده و مزایای مربوط به کاربرد آنها در مخازن نیروگاه های آبی (HPP) وجود دارد.

اولین واحد FPV در سال ۲۰۰۷ در آیچی ژاپن نصب شد. شامل دو واحد شناور با ظرفیت نصب شده ۱۰ کیلووات ، جایی که برای اولین مورد، خنک کردن پنل ها با آب تست شد. اولین نیروگاه خورشیدی شناور تجاری دارای ظرفیت kWp 175 بود که در کالیفرنیا ساخته شده است. در سال های اخیر ظرفیت نصب شده FPV در سراسر جهان، به ویژه در آسیا افزایش قابل توجهی داشته است. ظرفیت نصب شده FPV در سال ۲۰۱۶ برابر ۱۰۲ مگاوات و در سپتامبر ۲۰۲۱ تا ۳۰۱۶ مگاوات رسید. همچنین، کاربرد آن‌ها فرصت‌های تکنولوژیکی را برای به دست آوردن سیستم‌های هیبریدی متشکل از ترکیبی بین FPV و نیروی آبی ایجاد کرد. اولین نصب این نوع سیستم های هیبریدی با موفقیت در ژوئن ۲۰۱۷ در سد آلتو راباگائو (پرتغال) افتتاح شد، جایی که ظرفیت نصب شده FPV برابر ۲۲۰ کیلووات بود.

در آلبانی دو پروژه بزرگ وجود دارد که کاربرد سیستم های FPV را در مخازن آب نیروگاه های آبی پیش بینی می کند. اولین مورد توسعه یافته توسط OceanAs Energy و پیاده سازی شده توسط Statkraft است، با ظرفیت کل نصب شده ۲ مگاوات. البته تاکنون فاز اول ۰٫۵ مگاوات بر روی مخزن آب نیروگاه آبی بانجا نصب و به بهره برداری رسیده است. پروژه دوم اولین پروژه FPV متوسط در آلبانی و منطقه بالکان غربی است. این نیروگاه بر روی مخزن نیروگاه برق آبی Vau i Dejës نصب خواهد شد. ظرفیت نصب شده این FPV برابر ۱۲٫۹ مگاوات خواهد بود.

در ادامه به برخی از مهمترین ویژگی‌های نیروگاه خورشیدی شناور اشاره می‌شود:

ساختار و مکانیسم عملکرد:

نیروگاه خورشیدی شناور از پنل‌های خورشیدی تشکیل شده است که بر روی یک سازه شناور قرار می‌گیرند. این سازه می‌تواند در قالب یک پلتفرم دریایی یا یک سازه شناور دیگر باشد. پنل‌ها به کمک سلول‌های خورشیدی انرژی خورشیدی را به شکل الکتریکی تبدیل کرده و به شبکه برق منتقل می‌کنند.

امروزه فناوری های شناور مختلفی مورد توجه قرار گرفته است. یک مورد مربوط به فناوری شناور مبتنی بر غشای نازک پلیمری است، که توسط OceanSun As در Skaftå نروژ ساخته شده است که با ظرفیت نصب شده  kW_p 6.48 میباشد. قطر شناور ۲۰ متر و اندازه گیری ها مربوط به یک دوره ۶ ماهه است. مشخص شد که در این مدت نسبت عملکرد از ۰٫۹۴۶ تا ۱ متغیر بوده است.

کاربرد سیستم‌های FPV بر روی مخازن آب نیروگاه‌ها توسط نویسندگان مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. دانش در مورد FPV و عملکرد آنها بسیار مهم است. بسیاری از کارهای مربوط به کاربرد FPV بر روی آب های مختلف با هدف گسترش امکان استفاده انبوه از این واحدها در سراسر جهان است. بسیاری از محققان چندین پارامتر اصلی FPV را تخمین زده اند: تولید انرژی، نسبت عملکرد، بازده سیستم، ضریب ظرفیت و غیره.

به طور کلی، کار تحقیقاتی عمدتاً بر روی فناوری‌های مختلف شناور متمرکز بوده است. مقالات مختلفی به مطالعات موردی در حوزه فناوری‌های مختلف که در سیستم‌های نصب شده عمدتاً در ژاپن، چین، پرتغال، ایتالیا، هند، استرالیا و غیره استفاده می‌شوند، اشاره کرده اند که به درک روشن از نصب این نیروگاه ها پرداخته اند و چشم‌اندازی را در رابطه با مزایای مرتبط و پتانسیل فنی برای عملیات هیبریدی بین FPV + HPP ارائه می‌دهد. البته در این مقاله به صورت کلی به ویژگی های نیروگاه خورشیدی شناور می پردازم و در مقالات آتی به صورت تخصصی برخی از این مطالعات موردی را بررسی خواهم کرد.

مزایای نیروگاه خورشیدی شناور

1. سطح بیشتر برای جذب نور خورشید:

با قرار گرفتن پنل‌های خورشیدی بر روی سطح آب، نیروگاه خورشیدی شناور دارای سطح بزرگ‌تری برای جذب نور خورشید است. این امر منجر به تولید بیشتر انرژی می‌شود.

2. کاهش نیاز به زمین:

نیروگاه‌های خورشیدی شناور نیاز به زمین کمتری دارند و این امکان را فراهم می‌کنند که در مناطقی با محدودیت‌های زمینی نصب شوند.

3. خنک‌کننده طبیعی:

آب به عنوان یک خنک‌کننده طبیعی برای پنل‌های خورشیدی عمل می‌کند و از افزایش دما در پنل‌ها جلوگیری می‌کند که این امر به بهبود بهره‌وری و کاهش ریسک افت عملکرد منجر می‌شود.

4. استفاده در محیط‌های آبی:

نیروگاه خورشیدی شناور می‌تواند در دریاها، دریاچه‌ها، مخازن آبی و حتی در تالاب‌ها نصب شود، که این امکان را فراهم می‌کند که در مناطق مختلف با شرایط محیطی مختلف استفاده شود.

5. کاهش تبخیر آب:

با توسعه نیروگاه‌های خورشیدی شناور در مناطق خشک و دارای مشکل کم‌آبی، این نیروگاه‌ها می‌توانند به عنوان یک راهکار برای کاهش تبخیر آب های سطحی در محیط‌ عمل کنند.

نیروگاه خورشیدی شناور به عنوان یک راهکار نوین و پایدار برای تولید انرژی در سطح آبها شناخته می‌شود و می‌تواند به توسعه پایدار و کاهش وابستگی به منابع انرژی آلاینده کمک کند.

نیروگاه خورشیدی شناور با توجه به مزایا و ویژگی‌های فوق می‌تواند یک راهکار مستقیم و کارآمد برای تولید انرژی پاک و مستدام در مناطق مستعد آبی باشد.

مراحل ساخت یک نیروگاه خورشیدی شناور

ساخت یک نیروگاه خورشیدی شناور یک فرآیند پیچیده است که از چند مرحله اصلی تشکیل شده است. در ادامه، به طور خلاصه به مراحل ساخت نیروگاه خورشیدی شناور اشاره میکنیم:

1. طراحی سیستم:

در این مرحله، یک تیم مهندسی به طراحی کلی سیستم می‌پردازد. این شامل انتخاب موقعیت مناسب در آب، ابعاد و شکل شناور، نوع و مکان قرارگیری پنل‌های خورشیدی و سایر جزئیات فنی است.

2. مهندسی سازه:

پس از طراحی، مهندسین به محاسبات دقیق برای سازه شناور و پنل‌های خورشیدی می‌پردازند. این شامل انتخاب مواد مقاوم در برابر آب، مقاومت در برابر شرایط جوی، و سازه‌های نگهدارنده پنل‌ها می‌شود.

3. ساخت سازه:

پس از تایید نقشه‌ها، سازه‌های شناور و دیگر قطعات سازه تولید می‌شوند. این شامل ساخت قسمت‌های مختلف سازه شناور، پنل‌های خورشیدی، سیستم نگهداری و دیگر تجهیزات است.

4. نصب و اجرای زیرساخت:

پس از تولید قطعات، نیروگاه به موقعیت مورد نظر در آب منتقل می‌شود. سپس، سازه شناور در آب نصب و ثابت می‌شود، که شامل نصب پایه‌ها، اتصال سازه‌ها به پایه‌ها، و سایر اجزاء زیرساختی باشد.

5. نصب تجهیزات الکتریکی:

پس از نصب سازه شناور، پنل‌های خورشیدی و تجهیزات الکتریکی نصب و به یکدیگر متصل می‌شوند. این شامل نصب تراکم‌سنج‌ها، تبدیل‌کننده‌های برق یا همان اینورترهای خورشیدی، سیم‌کشی و سایر تجهیزات است.

6. آزمایش و بهره‌برداری:

پس از نصب تجهیزات، نیروگاه خورشیدی شناور به آزمایش‌های لازم می‌پردازد تا اطمینان حاصل شود که همه قسمت‌ها به درستی عمل می‌کنند. سپس، به بهره‌برداری نیروگاه پرداخته می‌شود.

ساخت یک نیروگاه خورشیدی شناور نیاز به همکاری تخصصی تیم‌های مهندسی، محیط‌زیستی و ساخت و نصب دارد. این فرآیند با توجه به مشکلات مکانیکی و محیطی، مراحل مختلفی دارد و نیاز به پایش دقیق و مدیریت مناسب دارد.

استانداردها و تجهیزات یک نیروگاه خورشیدی شناور

تجهیزات نیروگاه خورشیدی شناور باید با استانداردها و مقررات مرتبط با انرژی خورشیدی و ایمنی در محیط آبی تطابق داشته باشند. در زیر به برخی از استانداردها و تجهیزاتی که معمولاً در یک نیروگاه خورشیدی شناور مورد استفاده قرار می‌گیرند، اشاره می‌شود:

1. استانداردهای الکتریکی:

– IEC 61215 و IEC 61646 :

این استانداردها برای ماژول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند و شامل مشخصات مکانیکی و الکتریکی ماژول‌ها، آزمایش‌های محیطی، و روش‌های اندازه‌گیری کارایی هستند.

–  : IEC 61730

این استاندارد برای ایمنی تجهیزات الکتریکی در محیط‌های مختلف اعم از خشک، مرطوب، گازها و مایعات، مشخصات مکانیکی و الکتریکی را مشخص می‌کند.

2. استانداردهای زیست‌محیطی:

–  : ISO 14001مدیریت محیط زیست.

استاندارد مدیریت محیط زیست که شرایط و نیازهای مدیریت محیط زیست را تعیین می‌کند و سیستم مدیریت محیط زیست در یک سازمان را معرفی می‌کند.

– : ISO 50001 مدیریت انرژی.

این استاندارد برای مدیریت انرژی است و روش‌ها و مراحل اجرای یک سیستم مدیریت انرژی را تعیین می‌کند.

3. استانداردهای مختص انرژی خورشیدی:

– : IEC 62108

این استاندارد برای تجهیزات انرژی خورشیدی با سلول‌های کنسانتره به کار می‌رود و شامل مشخصات الکتریکی و مکانیکی این تجهیزات است.

–  : IEC 61853

این استاندارد برای اندازه‌گیری کارایی ماژول‌های خورشیدی و شرایط محیطی آنها استفاده می‌شود.

4. استانداردهای ایمنی در محیط آبی:

– ISO 12217-1 و  : SO 12217-2

این استانداردها برای ایمنی اسکله‌ها و سازه‌های شناور در محیط‌های آبی مختلف استفاده می‌شوند.

–  : ISO 6185

این استاندارد برای تجهیزات رزینی و لاستیکی در محیط آبی استفاده می‌شود و شرایط و آزمایش‌های لازم را مشخص می‌کند.

5. استانداردهای ساختاری و مکانیکی:

– : ISO 12215-5 برای طراحی سازه‌های شناور از این استاندارد در محیط آبی استفاده می‌شود.

– : ISO 19901-6 این استاندارد برای طراحی سازه‌های دریایی استفاده می‌شود.

6. استانداردهای کیفیت مواد سازه‌های شناور:

–  : ASTM D1141استانداردی است که برای آزمایش مقاومت به آب باید اعمال شود.

– : ASTM D638 استانداردی برای آزمایش مقاومت مکانیکی مواد.

7. استانداردهای سیستم کنترل و نظارت:

–  : IEC 61724 استانداردی برای نظارت و کنترل سیستم‌های انرژی خورشیدی.

–  : IEC 61850 استانداردی برای کنترل و اتوماسیون تجهیزات.

برای هر نیروگاه خورشیدی شناور، لازم است که تمام تجهیزات و سازه‌ها با استانداردهای مشخص مطابقت داشته باشند تا اطمینان حاصل شود که عملکرد بهینه را دارند و همچنین ایمنی و استحکام سازه تضمین شود.

سازه‌های نیروگاه خورشیدی شناور

سازه‌های شناور که اختصاصا در نیروگاه‌های خورشیدی شناور مورد استفاده قرار می‌گیرند، باید توانمندی مقاومت در برابر عوامل محیطی آبی و شرایط جوی را داشته باشند. این سازه‌ها معمولاً به‌صورت پلتفرم‌های شناور یا سازه‌های دیگر طراحی می‌شوند. در ادامه به برخی از ویژگی‌های اصلی این سازه‌های شناور اشاره میکنم:

1. مقاومت در برابر مواد آبی:

سازه‌های شناور باید از موادی ساخته شوند که در برابر آب و رطوبت مقاوم باشند. استفاده از مواد ضدزنگ، مقاوم در برابر خوردگی، و مواد آبگریز می‌تواند به ماندگاری و عمر طولانی‌تر این سازه‌ها کمک کند.

جنس و آلیاژ مورد استفاده در سازه‌های شناور نیروگاه‌های خورشیدی معمولاً بستگی به محیط و شرایط کاری دارد. در بسیاری از موارد، از موادی با مقاومت مکانیکی بالا، مقاوم در برابر آب و خوردگی، و قابلیت مقاومت در مقابل شرایط جوی مختلف استفاده می‌شود. فولاد استنلس یک جنس با مقاومت خوب در برابر خوردگی و اکسیداسیون است. این ویژگی‌ها این فلز را به یک انتخاب مناسب برای سازه‌های شناور در محیط آبی می‌کنند.

همچنین آلومینیوم به دلیل وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی، و مقاومت مکانیکی، معمولاً در سازه‌های شناور استفاده می‌شود. این مواد ممکن است به صورت آلیاژهای خاصی نیز مورد استفاده قرار گیرند.

البته امروزه از فیبرگلاس یا مواد کامپوزیت با ماتریس پلیمری و تقویت‌کننده‌های فیبری برای سازه‌های شناور استفاده میکنند. این مواد خاصیت سبک بودن و مقاومت در برابر خوردگی را دارند.

پلی‌ایتیلن با فشار بالا (HDPE) نیز می‌تواند به عنوان یک جنس مناسب برای سازه‌های شناور باشد. این ماده به خوبی در برابر آب و شرایط محیطی مقاوم است.

هر یک از این مواد دارای ویژگی‌ها و مزایای خاصی هستند و انتخاب بین آن‌ها به ویژگی‌های محیطی، اقتصادی و فنی هر پروژه بستگی دارد که مشاوران آرا نیرو با بررسی فاکتورهای هر پروژه بهترین آن را برای پروژه درنظر میگیرند. استفاده از آلیاژهای خاص، ترکیبات مهندسی، و تکنولوژی‌های نوین می‌توانند به بهبود عملکرد و استحکام سازه‌های شناور کمک کنند.

2. مقاومت مکانیکی:

به علت تأثیرات جوی و امواج آب، سازه‌های شناور باید دارای مقاومت مکانیکی مناسب باشند. این شامل استفاده از سازه‌هایی با توان تحمل کافی در برابر امواج و نیروهای جوی مختلف می‌شود.

3. ستون‌ها و پایه‌ها:

ستون‌ها و پایه‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. این عناصر معمولاً زیر پلتفرم قرار می‌گیرند و باید دارای استحکام و استقامت مناسبی باشند تا سازه را به خوبی در آب حمل و نگهداری کنند.

4. سیستم مهاربندی:

مهمترین بخش‌های سازه‌های شناور، سیستم مهاربندی است که برای اتصال پنل‌های خورشیدی به سازه به‌کار می‌رود. این سیستم باید بسیار مستحکم، پایدار، و قابل تنظیم باشد تا بهترین عملکرد و استحکام برای پنل‌ها فراهم شود. سازه‌های شناور ممکن است با امواج، جریانات آب، و شرایط هوایی مختلف مواجه شوند. بنابراین، مهم است که سیستم مهاربندی بتواند به انعطاف‌پذیری مورد نیاز پاسخ دهد و از آسیب به سازه جلوگیری کند.

در صورت نیاز به تعمیرات یا حمل و نقل سازه، سیستم مهاربندی باید قابلیت قفل و رها کردن سریع را داشته باشد تا فرآیند این کارها را آسان‌تر کند.

5. سیستم تعلیق:

به عنوان یک سازه در محیط آبی، سیستم تعلیق برای مدیریت حرکات افقی و عمودی سازه اساسی است. این سیستم باید قابل تنظیم بوده و توانایی جذب نیروهای ناشی از امواج و جذب انحرافات را داشته باشد.

سیستم تعلیق در سازه‌های شناور از انواع مختلف ساختارها بهره می‌برد. انتخاب ساختار به ویژگی‌های خاص پروژه و شرایط محیطی و اقلیمی وابسته است. در ادامه به برخی از ساختارهای استفاده شده در سیستم‌های تعلیق سازه های نیروگاه خورشیدی شناور اشاره میکنم:

1. تعلیق بازویی (Boom Suspension)

در این سیستم، از بازوهای متصل به سازه استفاده می‌شود که از پایه‌های سازه به آب فرو می‌رود. این بازوها قابل تنظیم هستند و امکان تنظیم ارتفاع سازه را فراهم می‌کنند. این ساختار از انعطاف پذیری بالا برخوردار است.

2. تعلیق بالنی (Buoyancy Suspension)

در این روش، از بالن‌های قرار گرفته زیر سازه استفاده می‌شود. بالن‌ها با ایجاد تراز سازه را در ارتفاع مشخص نگه می‌دارند. این ساختار معمولاً در سیستم‌های تعلیقی با نیروی بالا استفاده می‌شود.

3. تعلیق کابلی (Cable Suspension)

در این روش، از کابل‌های متصل به سازه به عنوان نقاط تعلیق استفاده می‌شود. این کابل‌ها می‌توانند به نقاط ثابت زیر آب یا به اجسام انعطاف‌پذیر دیگر متصل شوند.

6. سیستم مانور و جابجایی:

معمولاً سازه‌های شناور باید توانایی مانور و جابجایی داشته باشند تا بتوانند به‌طور دقیق به جایگاه مورد نظر حرکت کرده و به بهره‌وری بهتری دست یابند.

7. سیستم ارتباطی:

برخی از سازه‌های شناور ممکن است نیاز به سیستم ارتباطی با سایر تجهیزات یا مراکز کنترل داشته باشند تا بتوانند به‌طور دقیق نظارت شوند و اطلاعات را انتقال دهند.

سازه‌های شناور در نیروگاه‌های خورشیدی شناور نقش اساسی در استحکام و کارایی سیستم ایفا می‌کنند و باید با استانداردها و نیازهای محیط زیستی و فیزیکی مطابقت داشته باشند.

نویسنده: مهدی پارساوند

اختصارات:

FPV; Floating Photovoltaic

FPVS; Floating Photovoltaic Systems

HPP; Hydro Power Plant