استخدام مزارع كهرباء فلوريدز في خزانات المياه من أجل الاستحقاقات المزدوجة

مقدمة

إن تضخيم المزارع الشمسية - المعروفة أيضا بنظم الطفولية الضوئية العائمة - يمثل قطاعا متزايدا بسرعة من صناعة الطاقة المتجددة، حيث أن هذه المنشآت، من خلال تركيب ألواح شمسية على منابر المياه المزودة مباشرة بأجهزة المياه مثل الخزانات والبحيرات والثبات، تولد الكهرباء النظيف، وتوفر في الوقت نفسه فوائد إضافية لإدارة موارد المياه، وهذا المفهوم جذاب بشكل خاص في المناطق التي تتجهض فيها الأرض أو ترتفع فيها.

ما هي مزارع سولار فلورج؟

وتتكون مزرعة شمسية عائمة من وحدات فولتية مجهزة على هيكل مزدهر - مصنوعة عادة من بوليثيلين عالي الكثافة أو خرسانة معززة - تطفو على سطح جسم مائي، ويرتكز النظام على شبكة البحيرات أو خط الساحل لمنع الانجراف بسبب الرياح وتيار المياه.

ويمكن تركيب شبكات من الطاقة الفلكية على مجموعة واسعة من أجساد المياه، بما في ذلك خزانات من صنع الإنسان تستخدم للري، أو إمدادات مياه الشرب، أو توليد الطاقة الكهرمائية؛ وبحيرات المحار؛ وأحواض معالجة المياه المستعملة؛ وحتى المناطق الساحلية القريبة من الشاطئ؛ وتتراوح مستويات النظم من منشآت صغيرة تعمل على الكيلوتات بالنسبة للمجتمعات النائية إلى محطات متعددة المعادن تتخلل مئات الهكتارات.

الفوائد المزدوجة لفلوريس

تعزيز كفاءة الطاقة من خلال التبريد الاختراقي

ومن أكثر مزايا التعويم التي تُذكر في الشمس تأثير التبريد الذي توفره هيئة المياه، وتفقد الألواح المحتوية على حرارة تشغيلها ارتفاعاً أعلى من 25 درجة مئوية؛ وتشهد الألواح الأرضية النموذجية انخفاضاً في ناتج الطاقة بنسبة تتراوح بين 0.4 و0.5 في المائة في كل درجة مئوية، وتستفيد الألواح المتطايرة، على النقيض، من التبريد المتصاعد للماء المحيط، مما يجعلها أكثر برودة من الدراسات الأرضية.

حفظ المياه والحد من الإجلاء

وتفقد الخزانات، ولا سيما في المناطق القاحلة وشبه القاحلة، كميات كبيرة من المياه إلى التبخر كل سنة، وتزيد الطيفات الشمسية من سطح الماء، وتخفض الإشعاع الشمسي إلى الماء، وبالتالي تخفض معدلات التبخر، وتشير البحوث إلى أن درجة التغطية )منطقة السطح التي تغطيها الألواح( والظروف المناخية المحلية تحدد حجم المدخرات: إذ أن نسبة التغطية التي تبلغ ٣٠-٥٠ في المائة يمكن أن تقلل من التبخر السنوي

استغلال الأراضي على النحو الأمثل والحد من المنافسة في الأراضي

وتحتاج المزارع الشمسية ذات النطاق الأرضي المزروعة إلى مساحات كبيرة من الأراضي المسطحة والمشمسة، التي كثيرا ما تتنافس مع الزراعة أو الحراجة أو التنمية الحضرية، وتضع في الأفق الشمس هذا الصراع كليا باستخدام أسطح المياه القائمة، وتبنى العديد من الخزانات لمراقبة الفيضانات أو الري أو الطاقة الكهرمائية، وتتوفر فيها كميات محدودة من المواد الفولطية في هذه المياه، ويمكن لمطوري المشاريع أن يتجنبوا تكاليف حيازة الأراضي(ز).

صيانة نوعية المياه ومراقبة النجاة

كما أن التظليل الذي توفره الألواح الشمسية العائمة يؤثر على نوعية المياه في الخزانات، فالضوء الشمسي هو المحرك الرئيسي لنمو النباتات؛ وبخفض التغل الخفيف، يمكن أن تثبط صفائف الفول السوداني من تذبذب دورة المياه، بما في ذلك التحلل الضاري للسيان، كما أن انخفاض مستويات الطيور يؤدي إلى انخفاض تكاليف العلاج لإمدادات مياه الشرب وانخفاض خطر التلوث بالصور التكسينية.

مساهمة الطاقة المتجددة والحد من الكربون

فمثل جميع المواد الشمسية، تنتج الطاقة الشمسية العائمة الكهرباء التي لا تُنتج انبعاثات مباشرة خلال التشغيل، إذ إن إنتاج الوقود الأحفوري من خلال تفكيك توليد الوقود الأحفوري يسهم في تحقيق أهداف الطاقة المتجددة الوطنية والأهداف العالمية لتخفيض الكربون، ويزيد من تحسين تكلفة الكهرباء المُنَطَّة مقارنة بالنظم الأرضية في كثير من المناخات، ومع تحسن مستويات التصنيع وتقنيات التركيب، فإن تكلفة كل قطعة من مصادر الطاقة الكهربائية التقليدية لا تزال تتناقص، مما يجعلها قادرة على المنافسة بشكل متزايد مع المصادر التقليدية.

الاعتبارات التقنية والتحديات المتعلقة بالتصميم

نظم الانقسام والتنقل

ومن أهم الجوانب الهندسية للشمس العائمة نظام المرساة، حيث يعاني الخزان من مستويات مائية متغيرة - بسبب التدفقات الموسمية أو الغرق أو الخفض التشغيلي - ويجب أن يستوعب نظام التعبئة الرأسي للمنبر العائم دون ضغط مفرط على الكابلات أو الرؤوس أو الألواح، وتشمل أساليب الدمج المستقرة نظما لعمق الكابلات والأوعية لخيارات العميقة الحافظات.

مدة المواد ومقاومة الكور

ويجب أن تصمد هياكل التقلبات في الهواء أمام التعرض المستمر للإشعاع فوق البنفسج، والرطوبة، وتقلبات الحرارة، والمواد الكيميائية الموجودة في المياه الطبيعية (مثل الملوحة، والكلور في بركاز المعالجة) (HDPE) هي أكثر المواد العائمة استخداماً بسبب انخفاض كثافة هذه المادة، وارتفاع المقاومة الكيميائية، وطول عمر الكائنات الحية (20+ سنة) وتحتاج مكونات المعادن، ولا سيما الصواعق ونقاط الإنهاء الكهربائي إلى صناديق مقاومة)

السلامة الكهربائية والعزل

فالنظامان الشمسيان هما مزيج خطير، إذ يجب أن تتضمن النظم الشمسية العزلة القوية، والتطهير، وكشف التسرب، وكثيرا ما تكون الكابلات المجهزة والموجهة من خلال قنوات التموين أو صينيات الكابلات، ويمكن أن تكون المحولات مجهزة على الشواطئ أو على منابر عائمة مصممة الغرض مع تصريف كاف، وتستخدم بعض التصميمات نقلا منخفضا من البلدان النامية للحد من مخاطر الحرقة.

الأثر البيئي على النظم الإيكولوجية المائية

وفي حين أن الفلول الخماسي الكلور يقلل من التبخر ويمكن أن يتحكم في الطحالب، فإنه يمكن أن يغير أيضا الموئل المائي، ويقلل التظليل من درجة حرارة المياه والتغلغل الخفيف، مما قد يؤثر على النمو الكلي وسلوك الأسماك والزوارق، وقد تحدث تغيرات في مستويات الأكسجين المذوبة تحت التغطية الكثيفة، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لعملية التركيب أن تعطل الرواسب وتخفف من المغذيات.

التكلفة والقابلية للرؤية الاقتصادية

وفي عام 2024، كانت التكلفة الرأسمالية الأولية للشمس العائمة أعلى بنسبة تتراوح بين 10 و30 في المائة من نظام مكافئ مركب أرضي، وذلك بسبب العوامات المتخصصة، والصناعات المتحركة، والتركيب الأكثر تعقيدا، غير أن ارتفاع إنتاج الطاقة من آثار التبريد والوفورات في استئجار الأراضي أو الشراء يمكن أن يقابل هذه العلاوة جزئيا، أما بالنسبة لمرافق المياه أو الصناعات التي تستخدم المياه المستودعات، فإن وفورات الجذابة في التصميمات والماء توفر وفورات في التكاليف الإضافية

دراسات الحالة الحقيقية في العالم

الصين: أكبر محطة كهرباء عالمية

والصين هي القائد العالمي في مجال الطاقة الشمسية العائمة، حيث توجد مشاريع مثل تركيب 150 ميغاواط في بحيرة سابقة من منجم الفحم في هويانان، مقاطعة أنهو، وقد اكتملت في عام 2017 ثم اتسعت بعد ذلك، تغطي هذه المحطة مساحة تبلغ نحو 400 هكتار، وهي مبنية على بحيرة شكلها التخريب التعديني، مما أدى إلى تحويل جسم مائي غير قابل للاستخدام إلى رصيد من الطاقة الإنتاجية، ويوضح المشروع كيف يمكن استخدام إنتاج المواد الهيدرولوريدة في محطات.

اليابان: التكامل مع السدود القائمة

(د) اليابان رائدة في إنتاج الطاقة الشمسية العائمة على نطاق واسع في 2010ات، مدفوعة بضائقة في الأراضي وبضرورة تنويع الطاقة بعد فوكوشيما، أما محطة ياماكورا دامية تعمل بالطاقة الشمسية (13.7 ميغاواط) في محافظة شيبا، فهي مثال بارز، مبني على خزان سد الري القائم، وقد تجاوزت المزرعة باستمرار البدائل الأرضية المجهزة في المنطقة بسبب هياكلها الأساسية المبردة.

الهند: معالجة سكارة الأراضي

وتواجه أهداف الهند الطموحة في مجال الطاقة المتجددة (450 غيغاواط بحلول عام 2030) اختناقات شديدة في توافر الأراضي، وتوفر الطاقة الشمسية حلاً على الشبكة الواسعة من الري والمستودعات الكهرمائية في الهند، وتُستخدم أكبر محطة شمسية عائمة في الهند - 25 ميغاواط في مستودع مياه كايام في كيرالا - في عام 2022، ويستخدم المشروع هيكلاً عائماً فريداً مصمماً لتحمل رياً.

أوروبا وأمريكا الشمالية: الأسواق الناشئة

وفي أوروبا، تقود هولندا وفرنسا إلى انتشار الشمس العائم للفرد، لا سيما في البحيرات المحجرة ومياه الصرف الصحي، وأكبر مشروع أوروبي هو مصنع الطاقة ال 90 MW Bomhofsplas في هولندا، الذي يطفو على بحيرة استخراج الرمال السابقة، وفي الولايات المتحدة، كان السوق أبطأ، ولكنه يتسارع، حيث توجد مشاريع جديدة مثل مجموعة مختبرات محلية من طراز سونفر (MWS) مناسبة.

التوقعات والابتكارات في المستقبل

النظم الهجينة: تضخم الطاقة الشمسية + الطاقة الهيدرولوجية

ومن التطورات الواعدة للغاية الجمع بين الطاقة الشمسية العائمة والنباتات الكهرمائية القائمة، ومن خلال وضع الفول المفلور على خزان سد مائي، يمكن للمشغلين أن يزيدوا من إنتاج الطاقة الكلية من نفس البنية التحتية، وتولد الألواح الشمسية الكهرباء خلال فترات الذروة النهارية، وتكمل الطاقة الكهرمائية التي يمكن الاحتفاظ بها أو إطلاقها لتلبية الطلب المساء، وهذا النهج الهجين يقلل من التغطية بالكهرباء الحرارية ويعزز المرونة )١٠ في المائة(.

طوابق البحر

وفي حين أن معظم المواد الانشطارية الموجودة حالياً في المياه الداخلية الهادئة، تقوم الشركات بتطوير نظم مصممة لظروف مياه الأمطار المالحة، وتواجه الطاقة الشمسية العائمة في البحر ارتفاعاً أكبر بكثير من الموجات، وتتآكل الملح، وتوليد الطاقة الأحيائية، ولكنها تفتح أيضاً مناطق شاسعة من المحيط بالقرب من المراكز السكانية الرئيسية، وقد تُختبر نماذج باستخدام البونوتونات الصلبة أو الرغاوي في بحر الشمال، بينما تُظهر المشاريع التجريبية في البرتغال وسنغافورة جدوى تقنية.

Agrivoltaics and Water Synergies

وهناك مجال بحثي ناشئ هو مزيج من الطاقة الشمسية العائمة مع تربية المائيات - يعرف باسم " الزراعة المائية " ، ويمكن أن يؤدي الظل من الألواح إلى انخفاض درجات حرارة المياه والحد من الإجهاد في الأسماك، بينما يوفر الهيكل مواسير للطيور، ويمكن أن يؤدي المعالجة المتكاملة للمياه ودورات المغذيات إلى إنشاء نظم مغلقة لإنتاج الأغذية والطاقة، وفي نفس السياق، تقوم بعض المشاريع بتجريب الطاقة الشمسية على مضخم مضخات مياه البحر في آن واحد.

خاتمة

ويمثل ضخ المزارع الشمسية تكنولوجيا ناضجة لا تزال سريعة التطور، تحقق منافع مزدوجة حقيقية: توليد الكهرباء النظيفة مع الحفاظ على موارد المياه الثمينة، ويؤدي التبريد إلى تحسين كفاءة الأفرقة، ويقلل الظل من التبخر والتحكم في الطحالب، ويقضي استخدام أسطح المياه القائمة على المنافسة في الأراضي، ولا تزال التحديات قائمة - ارتفاع التكاليف الأولية، وتعقيد البيئة - ولكن هذه التحديات يجري التصدي لها من خلال البحوث والتوجيهات التنظيمية والخبرة الميدانية.