الطاقة الشمسية العائمة على الخزانات
Humanity has already flooded more than 400,000 square kilometres behind dams. Floating solar asks a simple question: why leave all that sunlit water empty?
Dietmar Rabich (CC BY-SA 4.0)
والخزان هو سطح كبير ومسطح ومفتوح ومشمس، يكون عادة متصلا بالفعل بالطرق وبشبكة كهربائية، وكذلك بخط كهربائي عند سد للطاقة الكهرمائية. وتضع الطاقة الفولطاضوئية العائمة ألواحاً شمسية عادية على عوامات بلاستيكية مركبة في القاع أو على الضفاف. وقد نمت من حفنة من المشاريع الرائدة على نطاق الكيلووات بين عامي 2007 و 2013 إلى محطات تبلغ قدرتها مئات الميغاواط.
والخلاصة الصادقة هي: الطاقة الشمسية العائمة تعمل تجاريا ولا تكلف سوى القليل أكثر من الطاقة الشمسية على الأرض؛ وهي تفوز حيثما تكون الأرض شحيحة أو قيمة وحيثما يوجد بالفعل خزان وربط بالشبكة. والمنافع الإضافية المزعومة، وهي الألواح الباردة ووفورات المياه، هي منافع حقيقية ولكنها أصغر وأقل قياسا مما توحي به الكتيبات، والعواصف والبيئة هما المخاطر الواضحة.
ما هو
A floating solar plant has four parts: the panels and inverters (the same as on land), floats (usually high-density polyethylene pontoons that hold the panels at a low tilt), walkways for maintenance, and moorings: ropes, chains and anchors or shore ties that keep the island in place as water levels rise and fall and wind pushes on it. وتسير الكابلات على طول العوامات إلى محول على الضفة أو على منصة عائمة.
وتعتمد معظم المنشآت على المياه الاصطناعية: خزانات الطاقة الكهرمائية وخزانات مياه الشرب، وبرك الري، والمحاجر وحفر التعدين المغمورة بالماء، وبحيرات المياه المستعملة. أما الطاقة الشمسية العائمة في البحر القريبة من الشاطئ والمتواجدة في عرض البحر فهي صيغة أحدث وأصعب بكثير. The World Bank’s market report counted more than 400,000 km² of man-made reservoirs worldwide.
كيف يعمل
نفس الألواح، نفس ضوء الشمس. لوحة عائمة تنتج الكهرباء تماما كما يفعل على سطح أو حقل: الطاقة هي تقريبا P = η × A × G، الكفاءة مضروبة في المساحة مضروبة في ضوء الشمس. ما يتغير هو البيئة المحيطة.
Cooling. Panels lose about 0.4% of their output for every degree they warm above 25 °C (see PV-thermal for the physics). درجة حرارة اللوحة يتم تحديدها من خلال توازن: ضوء الشمس يسخنها والرياح والإشعاع يبردها. ويكتب المهندسون هذا على شكل T_module = T_air + G / U، حيث U هو معامل فقدان الحرارة بواط لكل متر مربع لكل كلفن. فوق الماء يكون الهواء بارداً وأكثر رطوبة، وفي التصميمات المفتوحة يظهر سطح الماء من خلف اللوحة. Field tests found the best floating designs raised U by up to 22 W/m²K compared with reference systems, made panels 3.2 °C cooler in the Netherlands and 14.5 °C cooler (compared with a rooftop system) in Singapore, and gave up to 3% and 6% more energy a year (Dörenkämper et al., 2021). أما التصميمات التي تغطي فيها العوامات المياه تحت الألواح فتحقق مكاسب أقل بكثير.
التبخر. الألواح تظلل الماء وتبطئ الرياح فوقه، وبالتالي يتبخر منه أقل. On hot, dry reservoirs this can matter as much as the electricity: Jin and colleagues estimate 106 km³ a year saved in their 30% scenario, modelled rather than measured.
Power per hectare. Floating arrays usually sit at a low tilt and are packed closely, so one hectare of water holds roughly as much capacity as one hectare of land, about 1 MW, and produces similar energy. وتبلغ قدرة سيراتا في إندونيسيا 192 ميغاواط على مساحة تناهز 200 هكتار (Jakarta Post, 2023).
هجين مع الطاقة الكهرمائية. وفي خزان للطاقة الكهرمائية، يمكن أن تستخدم الطاقة الشمسية نفس وصلة الشبكة وأن تترك السد يحتفظ بالمياه في الأيام المشمسة ويطلقها ليلا: ويصبح الخزان بطارية لمحطة الطاقة الشمسية.
الحدود
نظري العوامة لا تغير ضوء الشمس: لوحة عائمة تنتج، في أفضل الأحوال، بضع نسبة مئوية أكثر من نفس اللوحة على الأرض. والإمكانات العالمية كبيرة ولكنها محدودة بمدى إمكانية تغطية كل خزان دون إلحاق الضرر به. وتحدد دراسة جين وآخرين سقفاً لكل خزان بنسبة 30 في المائة و30 كيلومتراً مربعاً.
عملي
- الرياح والأمواج ومستويات المياه. ويجب أن تدعم المراسي جزيرة من الألواح خلال العواصف وعبر مستويات المياه التي يمكن أن تتذبذب عشرات الأمتار. في أبريل 2024، ألحقت عاصفة برياح تبلغ سرعتها حوالي 50 كم/ساعة أضرارا بالغة بمصنع إندوادي الذي اكتمل مؤخرا بقدرة 88 ميغاواط، وهو جزء من حديقة أومكاريشوار الشمسية العائمة في الهند (Times of India, 2024).
- التكلفة. وتزيد تكلفة العوامات والمراسي والوصلات البحرية عن تكلفة الأطر الأرضية؛ ويبلغ العلاوة المرجعية في الولايات المتحدة حوالي 25 في المائة (راماسامي ومارغوليس، 2021).
- الصيانة. ويمكن الوصول إلى كل شيء بالقوارب أو الممرات؛ وتحتاج براز الطيور والطحالب والحشرات البيولوجية إلى التنظيف؛ وتحتاج السلامة الكهربائية بالقرب من المياه إلى العناية.
- Ecology. Covering water reduces light and wind mixing. ووجد استعراض منهجي آثاراً محتملة على درجة حرارة المياه والأكسجين والطحالب والأسماك؛ ورأى أصحاب المصلحة أن انخفاض التبخر هو أكبر فرصة، وأن التغيرات في كيمياء المياه، بما فيها نزع الأكسجين، هي أكبر تهديد. Only 15% of operators surveyed had tested water quality at all (Exley et al., 2021).
- المستعملون الآخرون. ومرافق مياه الشرب، ورواد القوارب، وصيادون الأسماك والمحميات الطبيعية لديهم جميعا رأي في السطح.
المشاريع الفعلية، المقيسة
| المشروع | ما هو | ما تم قياسه أو الإبلاغ عنه | المصدر |
|---|---|---|---|
| مواقع اختبار الطاقات الشمسية العائمة في هولندا وسنغافورة | عدة تصميمات عائمة إلى جانب النظم المرجعية الأرضية والمسقطة على الأسطح، مزودة بجهاز استشعار للدرجات الحرارية والإشعاع | Best floating systems 3.2 °C (Netherlands) and 14.5 °C (Singapore) cooler, weighted by sunlight; heat-loss coefficient up to 22 W/m²K higher; up to 3% and 6% more yield | Dörenkämper et al., 2021 |
| خزان تينغ، سنغافورة (2021) | 60 ميغاواط على خزان لمياه الشرب تديره الوكالة الوطنية للمياه | افتتح في تموز/يوليه 2021 باعتباره واحدا من أكبر المصانع العائمة الداخلية في ذلك الوقت | صحيفة ستريت تايمز، 2021 |
| سيراتا، جاوة الغربية، إندونيسيا (2023) | 192 MWp, about 340,000 panels, on a hydropower reservoir | Expected to supply about 50,000 households; reported cost about $100 million (expected output, not yet independently published) | جاكرتا بوست، 2023 |
| أومكاريشوار، مادهيا براديش، الهند (2024) | عدة محطات على مياه السد، بما في ذلك 88 ميغاواط في إندوادي | تسببت عاصفة في أبريل 2024 في “خسارة كبيرة” للألواح بعد أسبوع من بدء تشغيل محطة إندوادي. | تايمز أوف إنديا، 2024 |
| السوق العالمية | من حوالي 1.1 جيغاواط في منتصف عام 2018 إلى نحو 13 جيغاواط بحلول عام 2022، معظمها في آسيا | تقديرات الصناعة | البنك الدولي، 2018; بلومبرغ، 2023 |
وكما ذكر تقرير البنك الدولي، فإن مزايا الأداء “لم يتم تأكيدها بعد من قبل المنشآت الأكبر حجما، عبر مناطق جغرافية متعددة، وبمرور الوقت”. ونادرا ما ينشر كبار المشغلين الغلات المقيسة أو نوعية المياه أو الأضرار الناجمة عن العواصف، وهي أكبر ثغرة في الأدلة.
ما هي تكلفتها
| الخيار | التكلفة | السنة والمصدر |
|---|---|---|
| طاقة شمسية عائمة، 10 ميغاواط، الوﻻيات المتحدة | $1.29 per W installed against $1.03 على الأرض؛ تكلفة الكهرباء حوالي $0.057 per kWh against $0.047 على الأرض (بدون الائتمانات الضريبية) | 2021، NREL، راماسامي ومارغوليس |
| محطة عامة للطاقة الفلطاضوئية العائمة بقدرة 50 ميغاواط | 5.6 سنتات أمريكية لكل كيلووات ساعة مقابل 5.0 سنتات على الأرض بمعدل خصم قدره 7 في المائة؛ التكلفة الرأسمالية $0.8 to $1.2 للواط في عام 2018 | 2018, البنك الدولي، نظام المعلومات المتعلقة بالسياسات الاقتصادية |
| الطاقة الشمسية على نطاق المرافق في الأرض، الولايات المتحدة | $0.04 to $ 0.10 لكل كيلووات ساعة | حزيران/يونيه 2026 Lazard LCOE+ الإصدار 19 |
| المعيار المرجعي: الطاقة الشمسية على سطح مبنى | حوالي 0.19 دولار لكل كيلوواط ساعة، مركزي | لنا نموذج الحائط المروحي |
| الطاقة الشمسية التجارية والمجتمعية على الأسطح، الولايات المتحدة | $0.09 to $ 0.20 لكل كيلووات/ساعة | حزيران/يونيه 2026، لازارد |
ماذا يقول الجدول: وتزيد تكلفة الطاقة الشمسية العائمة بنسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة عن الطاقة الشمسية على الأرض، وأقل بكثير من الطاقة الشمسية على سطح عادي. وحيثما تكون الأرض باهظة الثمن أو محمية أو غير متاحة ببساطة بالقرب من الشبكة، فإن هذه القسط يكون صغيرا. ووجدت الدراسة أن التكاليف أكثر حساسية لسعر العوامات، وحمولات الرياح والثلوج، وكفاءة الوحدة.
حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع
ويمكن أن يفوز:
- البلدان والجزر المكتظة (ب) حيث الأرض شحيحة: سنغافورة، اليابان، كوريا الجنوبية، هولندا، معظم جنوب وجنوب شرق آسيا.
- Hydropower reservoirs, where the grid connection exists and water can be held back while the sun shines.
- المحاجر وحفر المناجم والبرك الصناعية المغمورة لا يوجد لها أي استخدام آخر
- المناطق الحارة والجافة حيث تكون خسارة المياه بسبب التبخر مكلفة ويكون مكاسب التبريد أكبر.
- مرافق المياه التي يمكنها أن تزود نظم الضخ والمعالجة الخاصة بها بالطاقة من خزاناتها.
لا يمكن أن يفوز:
- حيث الأرض رخيصة ووفرة. وعادة ما تكون المزرعة الشمسية في الأراضي الجافة أرخص وأبسط.
- On lakes rich in wildlife or used for recreation, unless the ecological evidence says a small coverage is harmless.
- في مياه عاصفة مكشوفة بدون رسو مكلف، وخارج البحر دون قفزة في الهندسة.
- كمصدر جديد كبير للمياه إن الوفورات الناجمة عن التبخر حقيقية ولكنها نموذجية؛ فهي تساعد، لكنها لا تخلق نهرا جديدا.
ما هو مؤكد وممكن ومقبول
أثبتت: أن منشآت عائمة بمئات الميغاوات يمكن بناؤها وتشغيلها؛ وأن تكلفتها أعلى بقليل من الطاقة الشمسية على اليابسة؛ وأن تبريد المياه يزيد الغلة بنسبة قليلة في التصاميم المفتوحة؛ وأن العواصف يمكن أن تلحق الضرر بالمنشآت المرسوة بشكل سيء.
معقول: (ب) أن تغطية حصة معتدلة من الخزانات يمكن أن يقلل التبخر إلى حد كبير، كما هو مبين في النماذج؛ وأن الجمع بين التشغيل بالطاقة الشمسية والطاقة المائية يضيف قيمة باستخدام الخزان كخزن؛ وأن التظليل قد يقلل من تكاثر الطحالب الضارة في بعض الخزانات.
المضاربة: أن الإمكانات العالمية التي تبلغ آلاف تيراواط - الساعة هي إمكانات عملية بمجرد حساب البيئة واستخدام المياه والشبكات؛ وأن سلوك العوامات والمراسي في ضوء الشمس والماء على المدى الطويل (25 سنة)؛ وأن الطاقة الشمسية العائمة في أعالي البحار يمكن أن تكون في متناول الجميع.
أسئلة البحث المفتوحة
- ماذا تفعل التغطية بنسبة 10 أو 30 أو 50 في المائة على الأكسجين، وطبقات الحرارة، والطحالب والأسماك في أنواع مختلفة من البحيرات، مقيسة على مر السنين؟
- :: ما هو مقدار التبخر الذي يتم توفيره عملياً، مقيساً بموازين المياه بدلاً من النماذج؟
- كم من الوقت تبقى العوامات في الضوء فوق البنفسجي، وهل تنطلق منها جزيئات بلاستيكية أو كيميائية إلى مياه الشرب؟
- :: ما هي تصاميم المراسي التي يمكنها الصمود أمام العواصف الشديدة والتقلبات الكبيرة في مستوى المياه بتكلفة معقولة؟
- كيف يمكننا أن ندير الطاقة الشمسية والطاقة المائية معا على أفضل وجه حتى يحقق كل منهما مزيدا من الأرباح؟
ما يحتاجه النموذج الأولي العامل
وفيما يتعلق بفكرة جديدة للعوامة (تحسين العوامة أو الرسو أو طريقة التبريد أو التصميم الإيكولوجي)، فإن النموذج العامل هو صفيفة صغيرة على مياه حقيقية تقاس إلى جانب مرجع بري.
| المرحلة | العمل | ماذا يثبت | التكلفة الإجمالية | الوقت |
|---|---|---|---|---|
| 0. Design study | حمولات الرياح والأمواج ومستوى المياه، تصميم العوامات والمراسي، نموذج حراري بسيط | التصميم يبقى على قيد الحياة في العواصف الموقع على الورق | $10k to $30 ألف | 2 to 3 months |
| 1 - زورق الاختبار | 5 إلى 20 كيلووات على بركة أو خزان بجانب صفيفة برية متطابقة، درجات حرارة النماذج، الناتج، بيانات الرياح والمياه، سنة واحدة | زيادة الغلة المقيسة، درجات الحرارة، البلى المبكر | $40k to $120 ألف | 12 شهرا |
| 2 - الإيكولوجيا والاستدامة | أخذ عينات من نوعية المياه تحت الطراد وخارجه، وتقادم العوامات وحمولات الرسو خلال موسم العواصف | الآثار البيئية والبقاء | $50k to $150 ألف | 1 to 2 years (overlapping) |
| 3 - المصنع التجريبي | 0.5 إلى 2 ميغاواط مع مالك للمخزن، وتصاريح، وربط بالشبكة | تصميم قابل للتمويل | يتوقف على الحجم | 1 to 2 years |
المراحل من 0 إلى 2 تكلف حوالي $100,000 to $300,000. هذه هي تقديراتنا، وليس اقتباسات.
من نحتاجه
- مهندس بحري أو مهندس مشاريع بحرية - العوامات والمراسي وحمولات العواصف.
- مهندس نظم ضوئية للتصميم الكهربائي والسلامة بالقرب من الماء.
- عالمة بحوث المياه العذبة تصميم رصد نوعية المياه والحياة البرية.
- علماء المياه لقياس التبخر وتوازن المياه.
- مالك الخزان أو مرفق المياه مستعد لاستضافة اختبار الزورق.
- أخصائي في البوليمرات (ب) اختبار شيخوخة العوامات وغسلها.
هل لديك فكرة أفضل؟
ربما لديك عوامة أرخص، أو رسو أذكى، تصميم يبرد الألواح بشكل أفضل أو واحد يحمي حياة البحيرة. وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة Local Solar System اتصالات يمكن أن تسمع عن فكرة قوية للطاقة. ولكي تطرح فكرة ما، فإنها تحتاج إلى نموذج عملي في الحياة الواقعية ينتج بالفعل قوة تقاس على أداة، لا يُدعى أنها كذلك. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. وجمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يمكننا أن نعد بالتمويل أو العائدات أو الاستثمارات.
وبالنسبة للطاقة الشمسية العائمة، فإن أرخص قياس يعد نموذجاً عاملاً هو )ب( صفيفة صغيرة من اﻷلواح على بركة بجانب مجموعة مماثلة على اليابسة، وكﻻهما مقاس، مع سجﻻت درجات حرارة الوحدة خﻻل صيف واحد على اﻷقل. هذا يظهر ما إذا كان التبريد الحقيقي حقيقيا لتصميمك أرسلها عبر نموذج المساهمة، وقارنها مع أفكار أخرى على رادار الأفكار. الصفحات ذات الصلة: الطاقة الشمسية الزراعية تتقاسم الأراضي الزراعية بدلاً من المياه، والمياه الصغيرة والمتدفقة في الأنبوب تأخذ الطاقة من المياه التي تتدفق بالفعل.
المصادر
- جين، ي.، هو، س.، زيغلر، أ. (2023). إنتاج الطاقة وتحقيق وفورات في المياه من الطاقات الفلطاضوئية الشمسية العائمة على الخزانات العالمية. Nature Sustainability 6، 865-874.
- Dörenkämper, M., Wahed, A., Kumar, A. et al. (2021). تأثير التبريد الناجم عن الطواف الفلطاضوئي في منطقتين مناخيتين مختلفتين: مقارنة لبيانات الاختبار الميداني من هولندا وسنغافورة. الطاقة الشمسية 214، 239-247.
- راماسامي، ف. ومارغوليس، ر. (2021). Floating photovoltaic system cost benchmark: Q1 2021 installations on artificial water bodies. NREL/TP-7A40-80695.
- مجموعة البنك الدولي، ESMAP وSERIS (2018). حيث تلتقي الشمس والماء: تقرير عن سوق الطاقة الشمسية العائمة، موجز تنفيذي.
- إكسلي، ج.، هرنانديز، ر.ر.، بيج، ت. وآخرون (2021). تقييم علمي قائم على الأدلة وتقييم أصحاب المصلحة: استجابة النظام الإيكولوجي للطاقة الفلطاضوئية الشمسية العائمة والآثار المترتبة على الاستدامة. Renewable and Sustainable Energy Reviews 152, 111639.
- Ember (2025). Global Electricity Review 2025: المصادر المنخفضة الكربون 40.9% (12,609 TWh) من الكهرباء العالمية في عام 2024، مما يعني أن المجموع سيبلغ حوالي 30,800 TWh.
- تشونغ، س. (2021). أول مزرعة عائمة كبيرة الحجم تعمل بالطاقة الشمسية في سنغافورة تفتح أبوابها في خزان تينج. The Straits Times, 14 July 2021.
- AFP (2023). Jokowi inaugurates South East Asia’s largest floating solar farm. The Jakarta Post، 9 تشرين الثاني/نوفمبر 2023.
- Times of India (2024). عاصفة تدمر أكبر محطة طاقة شمسية عائمة في العالم في مادهيا براديش، 12 أبريل 2024.
- Bloomberg (2023). الألواح الشمسية العائمة تحول المواقع الصناعية القديمة إلى مناجم للطاقة الخضراء3 آب/أغسطس 2023.
- لازارد (يونيو 2026). تكاليف الطاقة المتوازنة +، الصيغة 19.
- Local Solar System مؤسسة (2026). The Fan Wall: open model، مقياس شمسي على السطح.