Цэвэр усны нөөц
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)
Усны нөөц бол том, тэгш, нээлттэй, нарлаг газар бөгөөд ихэвчлэн зам, цахилгаан сүлжээ, мөн усны цахилгаан станцын далан, эрчим хүчний шугамтай холбогдсон байдаг. Хөвөх фотовольтаик (FPV) нь доод эсвэл эрэг дээр суурилуулсан пластик хөлөгт энгийн нарны самбаруудыг байрлуулдаг. 2007-2013 оны хооронд хэд хэдэн киловатт хүчин чадалтай туршилтын төслөөс болж, хэдэн зуун мегаваттын хүчин чадалтай үйлдвэрүүд бий болсон.
Үнэнч дүгнэлт: **Нүүрсээр ажилладаг хөлөг онгоц нь ашигтай бөгөөд газар дээрх нарнаас арай илүү үнэтэй; газар бага эсвэл үнэ цэнтэй, мөн усны сан болон цахилгаан сүлжээний холболт байгаа газруудад энэ нь амжилттай байдаг. Тэдгээрийн хэлж буй нэмэлт ашиг тус болох дулаан дамжуулах хэсэг, ус хэмнэх нь бодит боловч брошюруудад өгүүлснээс бага, тооцоолол муу, мөн үер ус, байгаль орчны аюул заналхийлэл нь ил тод эрсдэл юм.
Энэ юу вэ
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. Кабелийг усан дээрх эсвэл усны доор байрлах инвертерт холбож өгдөг.
Ихэнх ургамал хиймэл усны дээр байрладаг: усан цахилгаан станц, усыг хадгалах сав, усжуулалтын цорго, үерийн далан, уурхайн гүний худаг, бохир усны лагун. Уур амьсгалын өөрчлөлтийн нөлөөгөөр далайн усны түвшин нэмэгдэж, далай тэнгис нь илүү гүнзгий болж байна. The World Bank’s market report counted more than 400,000 km² of man-made reservoirs worldwide.
Яаж ажилладаг вэ
Ижил самбар, ижил нар. Хөвөх самбар нь шал эсвэл талбайд хийдэг шиг цахилгаан үйлдвэрлэнэ: хүч чадал нь ойролцоогоор P = η × A × G, үр ашиг нь талбайг нарны гэрэлд хуваахтай тэнцүү. Өөрчлөгдөх зүйл бол орчин.
Хөргөлт. Панелүүд 25 °C-аас дээш халах бүрт 0.4% -ийг алдана (физикийн хувьд PV-thermal үзнэ үү). Панелийн температур тэнцвэрээр тогтоогддог: нарнаас дулаан авч салхи, цацраг нь хүйтэн болгодог. Инженерүүд үүнийг T_module = T_air + G / U гэж бичдэг, энд U нь нэг квадрат метрт ногдох ватт/кельвин-ийн дулааны алдагдал коэффициент юм. Усны дээр агаар нь хүйтэн, чийглэг байдаг ба нээлттэй загварт дэлгэцийн хойд тал усны гадаргууг харж байна. Хамгийн сайн усан дээрх загварыг туршилтанд оруулснаар, жишээний системтэй харьцуулахад U-ийг 22 W/m²K хүртэл нэмэгдүүлж, Нидерландад 3.2 °C, Сингапурд (хаалганы системтэй харьцуулахад) 14.5 °C-аар хүйтэн болгож, жилд 3% ба 6% илүү эрчим хүч гаргажээ (Dörenkämper et al., 2021). Усны доор байгаа усан доорх дизайнууд илүү бага ашигтай байдаг.
Утрал. Панелүүд усны өнгийг өөрчилж, салхины хурдыг багасгаж, усыг багасгах болно. 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.
Гектар тутамд хүч чадал. Хөвөх станцууд ихэвчлэн бага зэргийн тэгш бус байдалтай, ойр ойрхон байрлуулсан байдаг тул нэг гектар ус нь нэг гектар газар шиг их хүчин чадалтай, 1 МВт-ын эрчим хүчийг үйлдвэрлэдэг. Индонезийн Цирата станц нь 200 га талбайд 192 МВт-ын хүчин чадалтай (Jakarta Post, 2023).
Хүчдэл ба усны хүчний хослол. Усны хүчний нөөцөд, нар энерги нь ижил сүлжээний холболтыг ашиглаж, нарны гэрэлтэй өдөр усыг хадгалж, шөнө нь гаргаж өгнө: нөөц нь нарны эрчим хүчний станцын батарей болдог.
Хязгаарлалтууд
Теорет. Хөдлөх нь нарны гэрэлд нөлөөлдөггүй: хөдлөх дэлгэц хамгийн сайндаа л газар дээрх дэлгэцнээс хэдэн хувь илүү гэрэлтдэг. Дэлхийн нөөц их ч гэлээ, нэг бүрийн нөөцийг хохиролгүйгээр ашиглах боломжгүй. Жин болон бусад судлаачид усан сан бүрийн дээд хэмжээг 30% ба 30 км² гэж үзжээ.
Практик.
- Цаг агаар, далай тэнгис, усны түвшин. Хиймэл арал нь үер, хэдэн зуун метрийн гүнд хүрч болох усны түвшинг даван туулах чадвартай байх ёстой. In April 2024 a storm with winds of about 50 km/h badly damaged the newly completed 88 MW Indawadi plant, part of the Omkareshwar floating solar park in India (Times of India, 2024).
- Үнэ. Хөдөлгүүр, анкер болон далайн зэрэглэлийн холболтууд газар дээрх хавтангаас илүү үнэтэй байдаг; АНУ-ын жишиг төлбөр нь 25% орчим байна (Ramasamy and Margolis, 2021).
- Ажлын байрны цэвэрлэгээ Бүх зүйлийг завиар эсвэл явган хүний замаар хүрэх боломжтой; шувуудын ялгадас, мөөг болон биологийн бохирдол цэвэрлэх шаардлагатай; усны ойролцоо цахилгаан аюулгүй байдалд анхаарах хэрэгтэй.
- Экологи. Усыг бүрхвэл гэрэл, салхины холилдлыг багасгана. Системийн дүн шинжилгээгээр усны температур, хүчилтөрөгч, мөөг болон загас дээр нөлөөлөх боломжтойг тогтоосон; оролцогчид хамгийн том боломж нь агаарын урсгал буурах бөгөөд хамгийн том аюул нь усны химийн өөрчлөлт болох хүчилтөрөгчийн дутагдалтай болохыг онцолжээ. Судалгаанд хамрагдсан операторуудын 15% нь л усны чанарыг шалгаж үзсэн байна (Exley et al., 2021).
- Иймээс усны хэрэглээний байгууллагууд, загасчид, анчид, байгалийн хамгаалалттай газар нутагт амьдардаг хүмүүс нь газрын гадаргуу дээрх бүх зүйлийг мэдэж байдаг.
Тодорхойгүй
| Төсөл | Энэ юу вэ | Ямар зүйлийг хэмжиж, мэдээлсэн бэ | Эх сурвалж |
|---|---|---|---|
| Нидерланд болон Сингапур дахь PV туршилтын талбайнууд | Газар болон дээврийн дагуух температур, цацраг мэдрэгчтэй хэд хэдэн хөвөх загварууд | Хамгийн сайн урсдаг системүүд 3.2 °C (Нидерланд) ба 14.5 °C (Сингапур) илүү хүйтэн, нарнаас хамаарсан; дулааны алдагдал коэффициент нь 22 W/m²K хүртэл өндөр; 3% ба 6% илүү үр ашигтай | Dörenkämper et al., 2021 |
| Тенгегийн усан сан, Сингапур (2021) | 60 МВт-ын хүчин чадалтай, үндэсний усны агентлагийн ашиглаж буй усыг хадгалах сав | Opened July 2021 as one of the largest inland floating plants of its time | Straits Times, 2021 |
| Цирата, баруун Жава, Индонез (2023) | 192 МВт, 340,000 хавтан, усны цахилгаан станц | 50,000 гэр бүлд хангах төлөвлөгөөтэй; тооцоолсон өртөг нь $100 сая (тодорхойгүй) | Jakarta Post, 2023 |
| Омкарешвар, Мадхья Прадеш, Энэтхэг (2024) | Индавадигийн 88 МВт-ын багтаамжтай цэнгэг усны далан дээрх хэд хэдэн цахилгаан станц | A storm in April 2024 caused “major loss” to panels a week after the Indawadi plant began operating | Индийн цаг, 2024 |
| Дэлхийн зах зээл | 2018 оны дундуурх 1.1 ГВт-аас 2022 он гэхэд 13 ГВт болж, ихэвчлэн Азид | Үйлдвэрлэлийн тооцоо | Дэлхийн банк, 2018; Блумберг, 2023 |
Дэлхийн банкны тайланд дурдсанаар, гүйцэтгэлийн давуу талууд нь “нэг бус олон газар нутагт, цаг хугацааны туршид том байгууламжуудад батлагдахгүй байна”. Гол операторууд элбэг тохиолддоггүй, усны чанар эсвэл үерийн хохирлыг тооцоолж гаргадаг нь энэхүү баримтад хамгийн том дутагдал юм.
Үнэ нь
| Тохиргоо | Үнэ | Жил, эх сурвалж |
|---|---|---|
| 10 МВт-ын PV, АНУ | $1.29 per W installed against $1.03 газар дээр; цахилгааны үнэ нь $0.057 per kWh against $0.047 газар дээр (татварын хөнгөлөлтгүй) | 2021, NREL, Рамасами ба Марголис |
| 50 МВт-ын нарны цахилгаан станц | 5.6 ам.доллар/кВт цаг, газар дээрх 5.0-тай харьцуулахад 7% хөнгөлөлттэй; 2018 онд капиталын зардал $0.8 to $1.2 W | 2018, Дэлхийн банк, SERIS |
| АНУ-ын газар дээрх нарны эрчим хүчний хэрэглээ | $0.04 to $0.10 кВт/цаг | June 2026, Lazard LCOE+ version 19 |
| Хяналтын үзүүлэлт: барилга дээрх нарны цахилгаан станц | kWh-ийн 0.19$, төв | Хүчтэй цонхны загвар |
| Худалдааны болон нийгмийн дээвэр дээрх нарны эрчим хүч, АНУ | $0.09 to $0.20 кВт/цаг | June 2026, Lazard |
Энэхүү хүснэгтээс юу харагдаж байна вэ гэвэл: хөлддөг нарны эрчим хүч нь газар дээрх нарны эрчим хүчнээс 10-20% илүү үнэтэй, харин хэвийн дээвэр дээрх нарны эрчим хүчнээс бага. Газар нь үнэтэй, хамгаалагдсан эсвэл цахилгаан сүлжээний ойролцоо байхгүй бол энэхүү урамшуулал нь бага байдаг. NREL судалгаагаар өртөг нь хамгийн их шингэний үнэ, салхи, мөсний ачаалал, модулийн үр ашигт мэдрэг байдаг.
Ямар тохиолдолд ялж, ямар тохиолдолд ялагдахгүй байх
Тэр ялна:
- Олон улс, арлууд газар багатай улсууд: Сингапур, Япон, Өмнөд Солонгос, Нидерланд, Хойд болон Зүүн өмнөд Азийн ихэнх хэсэг.
- Хүчдэл үүсгэгч цорго, цахилгаан сүлжээнд холбогдсон бөгөөд нар жаргах үед ус хадгалж чаддаг.
- Хамгийн их усны доройтол, нуурын усны түвшин нэмэгдэх.
- Хэт халуун, хуурай бүс газарт усны исэлдэлт ихтэй бөгөөд хамгийн их чийгшил олж авдаг.
- Усны хэрэгцээ нь өөрийнхөө цоргоноосоо өөрсдийнхөө урсгалыг дамжуулж, цэвэрлэж чаддаг.
Тэр ялж чадахгүй:
- Хэрвээ газар нь хямд, элбэг байдаг бол хуурай газарт нарны ферм барих нь ихэвчлэн хямд бөгөөд энгийн байх болно.
- Байгалийн амьтан ихтэй эсвэл амралт зугаалгад ашигладаг нуурууд дээр, байгаль орчны судалгаагаар бага хэмжээгээр хамгаалалт хийх нь аюулгүй гэж үзээгүй бол.
- Хямд өртөгтэй гүүргүйгээр, инженерийн дэвшилгүйгээр ил, хүчтэй салхитай усанд.
- Нэг том шинэ усны эх үүсвэр. Ууршилтаар хэмнэлт хийх нь бодит боловч загварчилсан; энэ нь тусалдаг ч шинэ гол бий болгохгүй.
Тодорхойлогдсон, бодит бөгөөд таамаглал
Проверено: что плавающие установки с мощностью в сотни мегаватт могут быть построены и эксплуатироваться; что они стоят немного дороже, чем солнечные на суше; что охлаждение водой добавляет несколько процентов к урожаю открытых конструкций; что штормы могут повредить плохо закрепленные установки.
Хүсэлтэй: усны нөөцийг багасгах нь, загварчилсан байдлаар, агаарын урсгалыг ихээхэн бууруулж болно; нарны болон усны эрчим хүчний хосолсон үйл ажиллагаа нь усны нөөцийг хадгалах зорилгоор ашиглах замаар үнэ цэнийг нэмэгдүүлдэг; зарим усны нөөцөд хортой мөөг ургалтыг багасгадаг.
Спекулатив: дэлхийн олон мянган тераватт-цагийн хүчин чадал нь байгаль орчны, усны хэрэглээ болон сүлжээг тооцвол бодитой; наранд болон усанд удаан хугацаагаар (25 жил) усан онгоцнуудын үйлдэл; нээлттэй тэнгисийн нарны эрчим хүчийг хямд үнээр үйлдвэрлэж болно.
Судалгааны асуултуудыг нээнэ
- 10, 30 эсвэл 50% -ийн бүрхүүл нь хэдэн жилийн турш тодорхойлогдсон янз бүрийн төрлийн нуурын хүчилтөрөгч, температурын давхарга, мөөг болон загасуудад юу хийдэг вэ?
- Модель биш усны тэнцвэрийн аргаар хэмжсэнээр, бодит байдал дээр хэдэн хувь нь усаар урсаж байна вэ?
- Урт хугацааны хэт ягаан туяанд хөлөг онгоцнууд яаж амьдрах вэ, мөн тэд ундааны усанд микропластик эсвэл химийн бодис цацах уу?
- Ямар усан онгоцны зогсоолууд хүчтэй шуурга, их усны түвшингийн өөрчлөлтөд тэсвэртэй байх вэ?
- Нарны болон усны эрчим хүчийг хэрхэн нэгтгэн ашиглаж, аль алинд нь илүү ашиг олох вэ?
Ажлын загварт юу хэрэгтэй вэ
Шинэ усан дээрх санаа (сайн усан дээрх, усан доторх, халаах арга эсвэл экологийн загвар)-ын хувьд ажиллах загвар нь газар дээр суурилсан жишээн дээрх бодит усны жижиг арилжаа юм.
| Фаза | Ажлын байр | Энэ нь юуг харуулж байна вэ? | Тодорхойгүй үнэ | Цаг |
|---|---|---|---|---|
| 0. Design study | Салхи, долгион болон усны түвшингээс үүсэх ачаалал, усан дээрх хөлөг ба загасчлах загвар, энгийн дулааны загвар | Энэ загвар нь хуудасны цаснаас амьд үлдсэн | $10k to $30k | 2-с3сар |
| 1. Шалгах | 5-с 20 кВт-ын усны цорго эсвэл усан сан дээр, модулийн температур, хүчдэл, салхи болон усны мэдээллийг нэг жилээр | Хянагдсан үр ашиг, температур, эртний гэмтэл | $40k to $120к | 12 сар |
| 2. Экологи ба тогтвортой байдал | Рафтын доор болон гаднах усны чанарын дээж авах, шуургатай үед усан онгоцны насжилт болон гүүрний ачаалал | Орчны нөлөөлөл ба амьдрах чадвар | $50k to $150k | 1-2жил (хөгжсөн) |
| 3. туршилтын үйлдвэр | 0.5-2 МВт, нөөц газрын эзэмшигч, зөвшөөрөл, цахилгаан сүлжээнд холболт | Банкны загвар | хэмжээнээс хамаарна | 1-с2жил |
0-2 шатны үнэ нь ойролцоогоор $100,000 to $300,000. Энэ бол бидний тооцоолол, үнэлгээ биш.
Бидэнд хэн хэрэгтэй вэ
- Нүүрсний инженер, усан онгоцны архитектор, далайн эрэг дээрх инженер.
- PV системийн инженер цахилгаан дизайн болон усны ойролцоо аюулгүй байдал.
- Limnologist (freshwater ecologist) нь усны чанар болон амьтны хүрээлэнгийн хяналтыг зохион байгуулах.
- Хидрологич нь агаарын уусалт болон усны тэнцвэрийг хэмжихэд ашиглагддаг.
- Хүчдэл хэмжигдэхүүн
- Полимерийн мэргэжилтэн нь усан дээрх насжилт болон шингэрэлтийг шалгана.
Сайн санаа байна уу?
Магадгүй та хямдхан хөлөг онгоцтой, ухаалаг гүүртэй, эсвэл сэнсийг илүү сайн халаадаг, эсвэл нуурын амьтдыг хамгаалах шийдэлтэй байх болно. Local Solar System Foundation-ийн зарим гишүүд хүчтэй энергийн санааг сонсох боломжтой холбоосуудтай байж болох юм. Түүнийг хэрэгжүүлэхэд, санаа нь ажиллах ёстой, бодит амьдрал дээрх, хүчийг бодитоор бий болгодог, хэмжих хэрэгслээр хэмжигддэг, хэлж байгаагүй. Хэрэв физик болон тоонууд нь бат бөх бол бид үүнийг энд вэбсайт дээр нийтлэх болно. Ажлын загваргүйгээр хөрөнгө босгох нь маш хэцүү бөгөөд бид санхүүжилт, ашиг эсвэл танилцуулга өгөхийг хэлж чадахгүй.
Хөвөх нарны эрчим хүчний хувьд хамгийн хямд тооцоолол нь хот дээрх адилхан багцтай ойролцоо жижиг хавтангийн сав, эдгээрийг аль алиныг нь хэмжиж, модулийн температурыг нэг зуны турш бүртгэж авах явдал юм. Энэ нь таны загварт халаалтын ашиг бодитой эсэхийг харуулна. хувьцаа оруулах маягт-аар дамжуулан илгээж, идеа радар дээрх бусад санаануудтай харьцуулж үзээрэй. Жишээ нь: аграрвольт нь усны оронд тариалангийн талбайг хуваадаг, жижиг болон хоолойн доторх гидро нь уснаас эрчим хүч авдаг.
Эх сурвалж
- Jin, Y., Hu, S., Ziegler, A.D. et al. (2023). Дэлхийн усны нөөцөд орших нарны фотоэлектрикийн системээс эрчим хүч үйлдвэрлэх, ус хэмнэх. Nature Sustainability 6, 865-874.
- Dörenkämper, M., Wahed, A., Kumar, A. et al. (2021). The cooling effect of floating PV in two different climate zones: a comparison of field test data from the Netherlands and Singapore. Solar Energy 214, 239-247.
- Ramasamy, V. and Margolis, R. (2021). Хамгийн их зардал шаарддаг гэрэлтүүлгийн систем: 2021 оны 1-р улиралд хиймэл усны байгууламж дээрх суурилуулалт. NREL/TP-7A40-80695.
- Дэлхийн банкны бүлгэм, ESMAP and SERIS (2018). Нар устай уулзах газар: нарны эрчим хүчний зах зээлийн тайлан, гүйцэтгэх захирал.
- Exley, G., Hernandez, R.R., Page, T. et al. (2021). Байгалийн болон хүний хүчин зүйлээс шалтгаалсан нөлөөлөл: Уур амьсгалын өөрчлөлт, байгаль орчны бохирдол. Renewable and Sustainable Energy Reviews 152, 111639.
- Ember (2025). Global Electricity Review 2025: бага нүүрстөрөгчийн эх үүсвэрүүд 2024 онд дэлхийн цахилгааны 40.9% (12,609 TWh), нийтдээ 30,800 TWh-ийг эзэлж байна.
- Чон, Ц. (2021). Singapore’s first large-scale solar floating farm opens at Tengeh Reservoir. The Straits Times, 14 July 2021.
- AFP (2023). Jokowi inaugurates Southeast Asia’s largest floating solar farm. The Jakarta Post, 9 November 2023.
- Times of India (2024). Storm damages world’s biggest floating solar plant in Madhya Pradesh, 12 April 2024.
- Bloomberg (2023). Floating solar panels turn old industrial sites into green energy goldmines, 3 August 2023.
- Lazard (June 2026). Energy+-ийн түвшинжүүлсэн үнэ+, 19-р хувилбар.
- Local Solar System Foundation (2020, model updated 2026). The Fan Wall: open model, байшингийн дээвэр дээрх нарны эрчим хүчний үзүүлэлт.
- Харри, Ф. (2016). Дэлхийн хамгийн том нарны цахилгаан станц Лондонгийн гадна байрладаг. The Guardian, 29 February 2016; Wikipedia-д дурдсан тоонууд, Queen Elizabeth II Reservoir.