Plūduriuojanti saulės energija rezervuaruose

Rezervuaras yra didelis, plokščias, atviras, saulėtas paviršius, paprastai jau prijungtas prie kelių, elektros tinklo ir hidroelektrinės užtvankos – prie elektros linijos. Plūduriuojanti fotovoltinė energija (FPV) įprastas saulės baterijas deda ant plastikinių plūdurų, pritvirtintų prie dugno ar bankų. Nuo 2007 iki 2013 m. ji išaugo nuo saujelės kilovatų masto bandomųjų įrenginių iki šimtų megavatų elektrinių.

Sąžininga santrauka: ** plūduriuojanti saulės energija veikia, yra komercinė ir kainuoja tik šiek tiek daugiau nei saulės energija ant žemės; ji laimi ten, kur žemė yra menka ar vertinga ir kur jau yra rezervuaras ir tinklo jungtis. Teigiama, kad papildoma nauda – vėsesnės plokštės ir sutaupytas vanduo – yra tikra, tačiau mažesnė ir mažiau gerai išmatuota nei teigiama brošiūrose, o audros ir ekologija yra atvira rizika.**

Kas tai yra

Plūduriuojanti saulės elektrinė susideda iš keturių dalių: plokštės ir keitikliai (tokie patys kaip ir sausumoje), plūdės (paprastai didelio tankio polietileno pontonai, kurie laiko plokštes esant mažam nuolydžiui), pėsčiųjų takai techninei priežiūrai ir švartavimosi įrenginiai: virvės, grandinės ir inkarai arba kranto ryšiai, kurie laiko salą vietoje, kai vandens lygis kyla ir krinta ir vėjas stumia ant jo. Kabeliai eina palei plūdes į keitiklį ant kranto arba plaukiojančioje platformoje.

Dauguma augalų sėdi ant dirbtinio vandens: hidroelektrinių ir geriamojo vandens rezervuarų, drėkinimo tvenkinių, užtvindytų karjerų ir kasyklų duobių, nuotekų lagūnų. Nearshore ir atviroje jūroje plūduriuojanti saulės energija yra naujesnis, daug sunkesnis variantas. The World Bank’s market report counted more than 400,000 km² of man-made reservoirs worldwide.

Kaip tai veikia

Tos pačios plokštės, ta pati saulės šviesa. Plūduriuojanti plokštė gamina elektros energiją lygiai taip pat, kaip ant stogo ar lauke: galia yra maždaug P = η × A × G, efektyvumas kartojamas plotas kartu su saulės šviesa. Kas keičiasi, tai aplinka.

Aušinimas. Plokštės praranda apie 0,4% savo galios kiekvienam laipsniui, kai jos įkaista virš 25 °C (žr. PV-thermal dėl fizikos). Plokštės temperatūra nustatoma pusiausvyros: saulės šviesa šildo jį ir vėjas ir spinduliuotė atvėsti. Inžinieriai jį užrašo kaip T_module = T_air + G / U, kur U yra šilumos nuostolių koeficientas vatais kvadratiniam metrui vienam kelvinui. Virš vandens oras yra vėsesnis ir drėgnesnis, o atviruose dizainuose plokštės gale matomas vandens paviršius. Lauko bandymai parodė, kad geriausi plūduriuojantys dizainai pakilo U iki 22 W / m²K, palyginti su referencinėmis sistemomis, padarė plokštes 3,2 ° C šaltesnes Nyderlanduose ir 14,5 ° C šaltesnes (palyginti su stogo sistema) Singapūre ir suteikė iki 3% ir 6% daugiau energijos per metus (Dörenkämper et al., 2021). Dizainas, kuriame plūdės padengia vandenį po plokštėmis, gauna daug mažiau.

Garavimas. Plokštės atspindi vandenį ir sulėtina vėjo greitį, todėl mažiau išgaruoja. Karštuose, sausuose rezervuaruose tai gali būti tiek pat svarbu kaip ir elektros energija: Jin ir kolegos apskaičiavo 106 km³ per metus sutaupyti pagal jų 30% scenarijų, kuris buvo labiau modeliuotas nei išmatuotas.

Galia vienam hektarui. Plūduriuojantys masyvai paprastai yra mažai pakreipti ir sandariai sutankinti, todėl vienas hektaras vandens turi maždaug tiek pat galios kaip vienas hektaras žemės, apie 1 MW, ir gamina panašią energiją. Cirata Indonezijoje tinka 192 MWp apie 200 hektarų (Jakarta Post, 2023).

Hibridinė hidroenergija. Hidroelektrinėje saulės energija gali būti naudojama tuo pačiu tinklo ryšiu ir leisti užtvankai sulaikyti vandenį saulėtomis dienomis, kad jis būtų išleistas naktį: rezervuaras tampa saulės elektrinės baterija.

Ribos

Teoriškai. Plūduriavimas nekeičia saulės šviesos: plūduriuojantis skydelis geriausiu atveju sukuria kelis procentus daugiau nei tas pats skydelis ant žemės. Pasaulinis potencialas yra didelis, tačiau ribojamas tuo, kiek kiekvieno rezervuaro galima padengti jam nepakenkiant. The Jin et al. study caps each reservoir at 30% and 30 km².

Praktiškas.

• Vėjas, bangos ir vandens lygis. Švarų turi išlaikyti plokščių salą per audras ir vandens lygį, kuris gali svyruoti dešimtimis metrų. 2024 m. balandžio mėn. audra, kurios vėjo greitis siekė apie 50 km/h, smarkiai apgadino naujai užbaigtą 88 MW Indawadi elektrinę, kuri yra dalis Omkareshwar plūduriuojančio saulės parko Indijoje (Times of India, 2024).
• Kaina. Plūdės, inkarai ir jūrų klasės jungtys kainuoja daugiau nei antžeminiai rėmai; JAV lyginamoji priemoka yra apie 25% (Ramasamy ir Margolis, 2021).
• Priežiūra. Viskas pasiekiama valtimi ar pėsčiųjų taku; paukščių išmatos, dumbliai ir biologinis užterštumas turi būti valomi; elektros sauga prie vandens turi būti prižiūrima.
• Ekologija. Vandens dengimas sumažina šviesos ir vėjo maišymąsi. Sisteminėje apžvalgoje nustatytas galimas poveikis vandens temperatūrai, deguoniui, dumbliams ir žuvims; suinteresuotosios šalys mažiausią garavimo galimybę įvertino kaip didžiausią galimybę, o vandens chemijos pokyčius, įskaitant deguonies netekimą, – kaip didžiausią grėsmę. Tik 15% apklaustų operatorių iš viso buvo patikrinę vandens kokybę (Exley et al., 2021).
• Kiti naudotojai. Geriamojo vandens tiekėjai, valčių savininkai, žvejai ir gamtos rezervatai – visi turi teisę spręsti dėl paviršiaus.


Realūs projektai, išmatuoti

Projektas	Kas tai yra	Kas buvo išmatuota arba apie ką pranešta	Šaltinis
Plūduriuojančios fotovoltinės bandymų aikštelės Nyderlanduose ir Singapūre	Kelios plaukiojančios konstrukcijos šalia žemės ir stogo atskaitos sistemų, su temperatūros ir spinduliuotės jutikliais	Geriausios plūduriuojančios sistemos 3,2 °C (Nyderlandai) ir 14,5 °C (Singapūras) vėsiau, atsižvelgiant į saulės šviesą; šilumos nuostolių koeficientas iki 22 W/m²K didesnis; iki 3% ir 6% daugiau naudingumo	Dörenkämper et al., 2021
Tengeh rezervuaras, Singapūras (2021)	60 MWp geriamojo vandens rezervuare, kurį valdo nacionalinė vandens agentūra	Atidaryta 2021 m. Liepos mėn. Kaip viena didžiausių savo laiko vidaus vandenų plūduriuojančių gamyklų	Straits Times, 2021 m.
Cirata, Vakarų Javos provincija, Indonezija (2023)	192 MWp, about 340,000 panels, on a hydropower reservoir	Tikimasi aprūpinti apie 50,000 namų ūkių; pranešama kaina apie $100 milijonų (tikėtina produkcija, dar nepriklausomai neskelbta)	Jakarta Post, 2023
Omkareshwar, Madhya Pradesh, Indija (2024 m.)	Kelios elektrinės ant užtvankos kranto, įskaitant 88 MW Indavadi	2024 m. Balandžio mėn. Audra sukėlė „didelius nuostolius“ plokštėms praėjus savaitei po to, kai pradėjo veikti Indawadi gamykla	Indijos laikraščiai, 2024
Pasaulio rinka	Nuo maždaug 1,1 GW 2018 m. viduryje iki maždaug 13 GW iki 2022 m., daugiausia Azijoje	Pramonės įverčiai	Pasaulio bankas, 2018; Bloomberg, 2023

Kaip teigiama Pasaulio banko ataskaitoje, efektyvumo pranašumai „dar turi būti patvirtinti didesniuose įrenginiuose, keliose geografinėse vietovėse ir laikui bėgant“. Dideli veiklos vykdytojai retai skelbia išmatuotą derlių, vandens kokybę ar audros padarytą žalą – tai didžiausia įrodymų spraga.

Kiek tai kainuoja

Pasirinkimas	Kaina	Metai ir šaltinis
Plūduriuojanti PV, 10 MW, Jungtinės Valstijos	$1.29 per W installed against $1.03 ant žemės; elektros kaina apie $0.057 per kWh against $0.047 ant žemės (be mokesčių kreditų)	2021, NREL, Ramasamy ir Margolis
Plūduriuojanti 50 MW fotovoltinė elektrinė	5,6 JAV centų už kWh palyginti su 5,0 sausumos energijos kaina taikant 7 % diskonto normą; kapitalo sąnaudos $0.8 to $1,2 W 2018 m.	2018, Pasaulio bankas, SERIS
Komunalinių paslaugų masto saulės energija žemėje, Jungtinės Valstijos	$0.04 to $0,10 už kWh	2026 m. birželis, Lazard LCOE+ versija 19
Etalonas: saulės energija ant pastato stogo	apie $0.19 už kWh, centrinis	Ventiliatoriaus sienos modelis
Komercinės ir bendruomeninės saulės stogo sistemos, Jungtinės Valstijos	$0.09 to $0,20 už kWh	2026 m. birželis, Lazard

Ką rodo lentelė: plūduriuojanti saulės energija kainuoja apie 10-20% daugiau už kWh nei saulės energija ant žemės ir daug mažiau nei saulės energija ant tipiško stogo. Kur žemė yra brangi, apsaugota arba tiesiog nėra prieinama šalia tinklo, ši premija yra maža. NREL tyrimas parodė, kad išlaidos labiausiai priklauso nuo plūdės kainos, vėjo ir sniego apkrovos bei modulio efektyvumo.

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Perpildytos šalys ir salos, kur žemės trūksta: Singapūras, Japonija, Pietų Korėja, Nyderlandai, didžioji dalis Pietų ir Pietryčių Azijos.
• Hidroelektrinių rezervuarai, kur yra tinklo jungtis ir vanduo gali būti laikomas tol, kol šviečia saulė.
• Užtvindyti karjerai, kasyklos duobės ir pramoniniai tvenkiniai, kurie neturi kitokio naudojimo.
• Karšti, sausi regionai, kur vanduo prarandamas garavimo metu yra brangus ir aušinimo prieaugis yra didžiausias.
• Vandens tiekimo įmonės kurie gali maitinti savo siurblių ir valymo iš savo rezervuarų.

Jis negali laimėti:

• Kur žemė yra pigi ir gausi. Saulės ūkis sausoje žemėje paprastai bus pigesnis ir paprastesnis.
• Ežeruose, kuriuose gausu laukinės gamtos ar naudojami poilsiui, nebent ekologiniai įrodymai rodo, kad maža danga yra nekenksminga.
• Atvirame, audringame vandenyje be brangių švartavimosi vietų ir atviroje jūroje be inžinerijos šuolio.
• Kaip didelis naujas vandens šaltinis. Išgarinimo taupymai yra realūs, bet modeliuojami; jie padeda, bet nesukuria naujos upės.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Patikrinta: kad galima statyti ir eksploatuoti šimtų megavatų plūduriuojančias jėgaines; kad jos kainuoja šiek tiek daugiau nei sausumoje esančios saulės elektrinės; kad vandens aušinimas atvirose konstrukcijose padidina derlių keliais procentais; kad audros gali sugadinti blogai prišvartuotas jėgaines.

Tikėtina: kad uždengus vidutinę rezervuarų dalį galima gerokai sumažinti garavimo lygį, kaip modeliuojama; kad kombinuotas saulės ir hidroenergijos naudojimas suteikia pridėtinės vertės, nes rezervuaras naudojamas kaip saugykla; kad užtemdymas gali sumažinti kenksmingą dumblių žydėjimą kai kuriuose rezervuaruose.

Spekuliacinis: kad pasaulinis potencialas tūkstančiais teravatų valandų yra praktiškas, kai skaičiuojama ekologija, vandens naudojimas ir tinklai; ilgalaikis (25 metų) plūdurų ir švartavimosi saulės šviesoje ir vandenyje elgesys; kad atviroje jūroje plaukiojanti saulės energija gali būti prieinama.

Atviri tyrimo klausimai

• Ką 10, 30 ar 50% padengimas daro deguonies kiekiui, temperatūros sluoksniavimui, dumbliams ir žuvims skirtingų rūšių ežeruose, matuojant per metus?
• Kiek išgarinimo praktiškai sutaupoma, matuojant vandens balansais, o ne modeliais?
• Kiek laiko plūdės išlieka ultravioletinėje šviesoje ir ar jos į geriamąjį vandenį išskiria mikroplastikų ar cheminių medžiagų?
• Kokie švartavimosi sprendimai išgyvena ekstremalias audras ir didelius vandens lygio svyravimus už priimtiną kainą?
• Kaip geriausiai valdyti saulės ir vandens energiją kartu, kad abu uždirbtų daugiau?

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Naujos plūduriuojančios idėjos (geresnio plūduriavimo, švartavimosi, aušinimo metodo ar ekologiško dizaino) darbinis modelis yra nedidelis masyvas ant tikro vandens, išmatuotas šalia sausumoje esančio etalonaus.

Fazė	Darbas	Ką tai įrodo	Apytikslė kaina	Laikas
0. Projekto tyrimas	Vėjo, bangų ir vandens lygio apkrovos, plūdės ir švartavimosi konstrukcija, paprastas terminis modelis	Dizainas išgyvena svetainės audras ant popieriaus	$10k to $30k	2-3 mėnesiai
1. Bandymo plaustas	5–20 kW tvenkinyje ar rezervuare šalia identiškos žemės masyvų, modulio temperatūros, galios, vėjo ir vandens duomenys, vieneri metai	Išmatuotas derliaus padidėjimas, temperatūra, ankstyvas nusidėvėjimas	$40k to $120k	12 mėnesių
2. Ekologija ir ilgaamžiškumas	Vandens kokybės mėginių ėmimas po plaustu ir nuo jo, plūdės senėjimas ir švartavimosi apkrovos per audros sezoną	Poveikis aplinkai ir išgyvenimas	$50k to $150k	Nuo 1 iki 2 metų (sutampa)
3. Bandomasis įrenginys	0,5–2 MW su rezervuaro savininku, leidimais, tinklo prijungimu	Bankable dizainas	priklauso nuo dydžio	1–2 metai


0-2 etapai kainuoja maždaug $100,000 to $300,000. Tai yra mūsų apskaičiavimai, o ne citatos.

Ko mums reikia

• Laivų architektas arba jūrų inžinierius plūduriuojantiems, švartavimosi ir audros apkrovoms.
• PV sistemos inžinierius elektros projektavimui ir saugai prie vandens.
• Limnologas (gėlavandenių vandenų ekologistas), kuris rengia vandens kokybės ir laukinės gamtos stebėseną.
• Hidrologas matuoti garavimo ir vandens balansą.
• Rezervuaro savininkas arba vandens tiekėjas, norintis priimti bandomąjį plaustą.
• Polimerų specialistas, skirtas išbandyti plūdės senėjimą ir išplavimą.

Turite geresnę idėją?

Galbūt turite pigesnį plūdurą, išmanesnį švartavimosi įrenginį, dizainą, kuris geriau aušina plokštes arba apsaugo ežero gyvybę. Kai kurie Local Solar System fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti stiprios energijos idėjos idėją. Kad būtų įgyvendinta, idėjai reikia veikiančio, realaus modelio, kuris iš tikrųjų gamina galią, matuojamas prietaisu, o ne reikalaujamas. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir mes negalime pažadėti finansavimo, grąžos ar pristatymų.

Plūduriuojančiai saulės energijai pigiausias matavimas, kuris laikomas veikiančiu modeliu, yra mažas plokščių plaustas tvenkinyje šalia identiško rinkinio ant žemės, abu išmatuoti, o modulių temperatūros užregistruotos bent per vieną vasarą. Tai rodo, ar aušinimo prieaugis yra tikras jūsų dizainui. Siųskite ją per įnašo formą ir palyginkite su kitomis idėjomis idėjų radare. Susiję puslapiai: agrofotovoltinė energija dalijasi žemės ūkio paskirties žeme vietoj vandens, o mažos ir vamzdynuose įrengtos hidroelektrinės energiją gauna iš jau tekančio vandens.

Šaltiniai

1. Jin, Y., Hu, S., Ziegler, A.D. et al. (2023). Energijos gamyba ir vandens taupymas iš plūduriuojančių saulės fotovoltinių sistemų pasaulinėse rezervuaruose. Nature Sustainability 6, 865-874.
2. A., A., A., A., A., A., A., A., A. (2021). Plūduriuojančių fotovoltinių elementų aušinimo poveikis dviejose skirtingose klimato zonose: lauko bandymų duomenų palyginimas iš Nyderlandų ir Singapūro. Saulės energija 214, 239-247.
3. Ramasamy, V. ir Margolis, R. (2021). Floating photovoltaic system cost benchmark: Q1 2021 installations on artificial water bodies. NREL/TP-7A40-80695.
4. Pasaulio banko grupė, ESMAP ir SERIS (2018 m.). Kur saulė susitinka su vandeniu: plūduriuojanti saulės energijos rinkos ataskaita, vykdomoji santrauka.
5. Exley, G., Hernandez, R.R., Page, T. et al. (2021). Mokslinių ir suinteresuotųjų šalių įrodymais pagrįstas vertinimas: ekosistemos atsakas į plūduriuojančią saulės fotovoltinę energiją ir poveikis tvarumui. Atsinaujinančiųjų išteklių ir tvarios energijos apžvalgos 152, 111639.
6. Ember (2025). Global Electricity Review 2025: low-carbon sources 40.9% (12,609 TWh) of world electricity in 2024, implying a total of about 30,800 TWh.
7. Chong, C. (2021). Singapūre atidarytas pirmasis didelio masto saulės energijos plūduriuojantis ūkis prie Tengeh rezervuaro. The Straits Times, 14 July 2021.
8. AFP (2023). Jokowi atidaro didžiausią Pietryčių Azijos plūduriuojančią saulės elektrinę. The Jakarta Post, 9 November 2023.
9. Times of India (2024). Audra sugadino didžiausią pasaulyje plūduriuojančią saulės elektrinę Madhja Pradeše, 2024 m. balandžio 12 d.
10. Bloomberg (2023). Plūduriuojančios saulės baterijos paverčia senas pramonines vietas žaliosios energijos aukso kasyklomis, 2023 m. rugpjūčio 3 d.
11. Lazard (June 2026). Levelized Cost of Energy+, 19 versija.
12. Local Solar System Fondas (2020 m., modelis atnaujintas 2026 m.). Ventiliatoriaus siena: atviras modelis, stogo saulės energijos etalonas.
13. Harvė, F. (2016). Didžiausias pasaulyje plūduriuojantis saulės energijos ūkis įsikūrė netoli Londono. The Guardian, 2016 m. vasario 29 d.; skaičiai apibendrinti Vikipedijoje, Karalienės Elžbietos II rezervuaras.