Плавучие солнечные батареи на водохранилищах

Водохранилище представляет собой большую, плоскую, открытую, солнечную поверхность, обычно уже подключенную к дорогам, электросети и, в случае гидроэлектростанции, к линии электропередачи. Плавучие фотоэлектрические установки (ПФУ) устанавливают обычные солнечные батареи на пластиковые поплавки, прикрепленные к дну или берегам. В период с 2007 по 2013 год она выросла из горстки пилотных проектов в киловаттном масштабе до заводов, имеющих сотни мегаватт.

Честное резюме: ** плавающие солнечные работы, коммерчески и стоит только немного больше, чем солнечная на суше; он выигрывает там, где земля является скудным или ценным и где резервуар и подключение к сети уже существуют. Утверждаемые дополнительные выгоды, более холодные панели и экономия воды, являются реальными, но менее значительными и менее точно измеренными, чем это предполагается в брошюрах, а ураганы и экология представляют собой открытые риски. **

Что это такое

Плавучие солнечные электростанции состоят из четырех частей: панелей и инверторов (так же, как на суше), пловцов (обычно понтоны из полиэтилена высокой плотности, которые держат панели при низком наклоне), дорожек для обслуживания и причальных сооружений: верёвок, цепей и якорей или береговых связей, которые удерживают остров на месте, когда уровень воды поднимается и падает и ветер толкает его. Кабели проходят вдоль поплавков к инвертору на берегу или на плавучей платформе.

Большинство заводов расположены на искусственных водоемах: гидроэлектростанциях и водохранилищах с питьевой водой, оросительных прудах, затопленных карьерах и шахтах, лагунах со сточными водами. Прибрежная и офшорная плавающая солнечная энергия в море является более новым, гораздо более сложным вариантом. The World Bank’s market report counted more than 400,000 km² of man-made reservoirs worldwide.

Как это работает

Те же панели, тот же солнечный свет. Плавающая панель производит электричество точно так же, как это делается на крыше или в поле: мощность примерно равна P = η × A × G, эффективность умноженная на площадь раз солнечного света. Меняется окружение.

Охлаждение. Панели теряют около 0,4% своей мощности на каждый градус они нагреются выше 25 ° C (см. PV-термический для физики). Температура панели устанавливается балансом: солнечный свет нагревает ее, а ветер и излучение охлаждают. Инженеры пишут это как T_module = T_air + G / U, где U - коэффициент тепловых потерь в ватт на квадратный метр на кельвин. Над водой воздух прохладнее и влажнее, а при открытых конструкциях задняя часть панели видит поверхность воды. Полевые испытания показали, что лучшие плавающие конструкции поднялись U до 22 Вт / м²К по сравнению с эталонными системами, сделали панели на 3,2 °C холоднее в Нидерландах и на 14,5 °C холоднее (по сравнению с системой на крыше) в Сингапуре и давали до 3% и 6% больше энергии в год (Dörenkämper et al., 2021). Конструкции, в которых поплавки покрывают воду под панелями, получают гораздо меньше.

Испарение. Панели затеняют воду и замедляют ветер над ней, так что меньше ее испаряется. В горячих, сухих водохранилищах это может иметь такое же значение, как и электричество: Джин и его коллеги оценивают экономию в 106 км³ в год в их 30% сценарии, скорее моделированном, чем измеренном.

Мощность на гектар. Плавающие массивы обычно сидят на низком наклона и упакованы плотно, так что один гектар воды содержит примерно столько же мощности, как один гектар земли, около 1 МВт, и производит аналогичную энергию. Cirata в Индонезии подходит 192 МВт на около 200 гектаров (Jakarta Post, 2023).

Гибрид с гидроэлектростанцией. На водохранилище солнечная энергия может использовать то же самое подключение к сети и позволить плотине удерживать воду в солнечные дни, чтобы выпустить ее ночью: водохранилище становится батареей для солнечной электростанции.

Пределы

Теоретически. Плавание не меняет солнечный свет: плавающая панель делает, в лучшем случае, на несколько процентов больше, чем та же панель на суше. Глобальный потенциал является значительным, но ограничивается тем, какую часть каждого водоносного горизонта можно заполнить без нанесения ему ущерба. В исследовании Джин и др. предельная площадь каждого водохранилища составляет 30% и 30 км².

Практично.

• Ветер, волны и уровни воды. Швартовки должны удерживать остров панелей через штормы и через уровень воды, который может колебаться на десятки метров. В апреле 2024 года шторм с ветрами около 50 км/ч сильно повредил недавно завершенный завод Indawadi мощностью 88 МВт, часть плавучего солнечного парка Omkareshwar в Индии (Times of India, 2024).
• Cost. Floats, anchors and marine-grade connections cost more than ground frames; the US benchmark premium is about 25% (Ramasamy and Margolis, 2021).
• Техническое обслуживание. До всех объектов можно добраться на лодке или пешком; птичий помет, водоросли и биообразования требуют очистки; электробезопасность вблизи воды нуждается в уходе.
• Экология. Покрытие воды уменьшает смешивание света и ветра. В ходе систематического обзора были выявлены возможные последствия для температуры воды, кислорода, водорослей и рыб; заинтересованные стороны оценили сокращение испарения как наиболее широкие возможности, а изменения в химическом составе воды, включая обезкисление, как наибольшую угрозу. Только 15% обследованных операторов вообще проверяли качество воды (Эксли и др., 2021).
• Другие пользователи. Водоснабжение, судоходство, рыболовство и природные заповедники – все они имеют право голоса в отношении поверхности.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Что это такое	Что было измерено или отражено в отчетности	Источник
Плавучие испытательные площадки для фотоэлектрических установок в Нидерландах и Сингапуре	Несколько плавающих конструкций наряду с наземными и крышными системами отсчета, с датчиками температуры и излучения	Лучшие плавающие системы на 3,2 °C (Нидерланды) и 14,5 °C (Сингапур) холоднее, взвешенные по солнечному свету; коэффициент теплопотерь до 22 Вт/м²K выше; до 3% и 6% больше выработки	Дёренкампер и др., 2021
Водохранилище Тенгех, Сингапур (2021 год)	60 МВт на водохранилище питьевой воды, находящемся в ведении национального агентства по водным ресурсам	Открытие в июле 2021 года как один из крупнейших плавучих заводов своего времени	Страйтс Таймс, 2021
Сирата, Западная Ява, Индонезия (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)	Джакарта пост, 2023
Омкарешвар, Мадхья-Прадеш, Индия (2024 год)	Несколько установок на заливных участках плотины, в том числе 88 МВт в Индавади	Шторм в апреле 2024 года причинил “значительные потери” панелям через неделю после того, как завод Indawadi начал работать	Таймс оф Индия, 2024
Мировой рынок	С примерно 1,1 ГВт в середине 2018 года до приблизительно 13 ГВт к 2022 году, главным образом в Азии	Оценки по отрасли	Всемирный банк, 2018; Блумберг, 2023

Как отмечается в докладе Всемирного банка, преимущества производительности «еще предстоит подтвердить более крупными установками, по нескольким географическим регионам и со временем». Крупные операторы редко публикуют данные об измеренных урожаях, качестве воды или ущербе от ураганов, что является самым большим пробелом в имеющихся данных.

Что это стоит

Вариант	Стоимость	Год и источник
Плавучие фотоэлектрические установки, 10 МВт, Соединенные Штаты	$1.29 per W installed against $1,03 на суше; стоимость электроэнергии около $0.057 per kWh against $0,047 на землю (без налоговых льгот)	2021, НРЭЛ, Рамасами и Марголис
Плавучие фотоэлектрические установки общего назначения мощностью 50 МВт	5,6 цента США за кВт·ч против 5,0 на суше при 7% дисконтной ставке; капитальные затраты $0.8 to $1,2 за Вт в 2018 году	2018, Всемирный банк, СЕРИС
Коммунальные солнечные установки на суше, Соединенные Штаты	$0.04 to $ 0,10 за кВт·ч	Июнь 2026, Lazard LCOE+ версия 19
Эталон: солнечная энергия на крыше здания	около $0,19 на кВт·ч, центральное	наша Модель стенового вентилятора
Коммерческие и общинные солнечные батареи на крышах, Соединенные Штаты	$0.09 to $ 0,20 за кВт·ч	Июнь 2026, Лазард

Что говорит таблица: плавающая солнечная энергия стоит около 10-20% больше за кВт·ч, чем солнечная на суше, и гораздо меньше, чем солнечная на типичной крыше. Там, где земля дорогая, защищенная или просто недоступная вблизи сети, эта премия небольшая. В исследовании НРЭЛ было установлено, что затраты в наибольшей степени зависят от цены поплавков, ветровой и снежной нагрузки и эффективности модуля.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Перенаселенные страны и острова где земельные ресурсы ограничены: Сингапур, Япония, Южная Корея, Нидерланды, значительная часть Южной и Юго-Восточной Азии.
• Гидроэлектростанции, где существует подключение к сети и вода может быть удержана, пока светит солнце.
• Затопленные карьеры, шахты и промышленные пруды, которые не имеют другого использования.
• Горячие, засушливые регионы где потеря воды в процессе испарения является дорогостоящим процессом, а прирост охлаждения наибольший.
• Водоснабжение которые могут обеспечивать собственные насосные станции и системы обработки из своих собственных водохранилищ.

Он не может выиграть:

• Где земля дешевая и в изобилии. Солнечная ферма на сухой земле обычно будет дешевле и проще.
• На озерах, богатых дикой природой или используемых для отдыха, если только экологические данные не говорят, что небольшое покрытие безвредно.
• В открытой, бурной воде без дорогостоящих швартовок и в открытом море без скачка в инженерии.
• Как крупный новый источник воды. Экономия от испарения реальна, но моделируется; она помогает, но не создает новую реку.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: что плавучие установки сотни мегаватт могут быть построены и работать; что они стоят немного больше, чем солнечные на суше; что водно-охлаждающее добавляет несколько процентов к урожаю в открытых конструкциях; что штормы могут повредить плохо пришвартованные установки.

Вероятно: что, как показывают модели, закрытие умеренной доли водохранилищ может существенно сократить испарение; что комбинированная эксплуатация солнечной и гидроэнергетики повышает стоимость использования водохранилища в качестве хранилища; что затенение может снизить вредные цветения водорослей в некоторых водохранилищах.

Спекулятивные: что глобальный потенциал в тысячах тераватт-часов является практически осуществимым, если учесть экологию, водопользование и сети; долгосрочное (25 лет) поведение пловцов и швартовных сооружений при солнечном свете и в воде; что плавучие установки для использования солнечной энергии в открытом море могут быть доступными.

Открытые исследовательские вопросы

• Как влияет покрытие 10, 30 или 50% на содержание кислорода, температурную стратификацию, водоросли и рыбу в различных видах озер, измеряемых за несколько лет?
• Какой объем испарения экономится на практике, если измерять его с помощью водных балансов, а не моделей?
• Как долго поплавки выдерживают ультрафиолетовый свет и не сбрасывают ли они микропластик или химикаты в питьевую воду?
• Какие конструкции швартовки выдерживают экстремальные штормы и большие колебания уровня воды при разумных затратах?
• Как лучше всего использовать солнечную и гидроэнергию вместе, чтобы обе получали больше?

Что нужно для рабочего прототипа

Для новой идеи поплавка (лучший поплавок, швартовка, метод охлаждения или экологический дизайн) рабочая модель представляет собой небольшую решетку на реальной воде, измеряемую рядом с сухопутным эталоном.

Фаза	Работа	Что это доказывает	Приблизительная стоимость	Время
0. Проектное исследование	Нагрузки от ветра, волн и уровня воды, проектирование поплавков и швартовки, простая термическая модель	Дизайн переживает бури сайта на бумаге	$10k to $30к	2-3 месяца
1. Испытательный плот	5-20 кВт на пруду или водохранилище рядом с идентичными наземными установками, данные о температурах модулей, выходе, ветре и воде, один год	Измеренный прирост урожайности, температуры, ранний износ	$40k to $120к	12 месяцев
2. Экология и устойчивость	Отбор проб качества воды под плотом и вдали от него, старение поплавка и нагрузки на швартовку в сезон штормов	Экологические последствия и выживание	$50k to $150к	1-2 года (перекрывающиеся)
3. Пилотная установка	0,5-2 МВт с владельцем коллектора, разрешениями, подключением к электросети	Банковское проектирование	зависит от размера	От 1 до 2 лет

Фазы 0-2 стоят примерно $100,000 to $300,000. Это наши оценки, а не котировки.

Кто нам нужен

• Морской архитектор или морской инженер для поплавков, швартовки и штормовых нагрузок.
• Инженер фотоэлектрической системы для электротехнического проектирования и безопасности вблизи воды.
• Лимнолог (эколог пресноводных ресурсов) для разработки мониторинга качества воды и дикой природы.
• Гидролог для измерения испарения и водного баланса.
• Владелец водохранилища или водохозяйственная организация, желающие разместить испытательный плот.
• Специалист по полимерам для испытаний на старение и выщелачивание.

Есть идея получше?

Возможно, у вас есть более дешевый поплавок, умнее швартовки, дизайн, который охлаждает панели лучше или один, который защищает жизнь озера. Некоторые члены Фонда Local Solar System могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы идея была реализована, она должна иметь работающую реальную модель, которая фактически производит энергию, измеряемую на инструменте, а не заявленную. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и мы не можем обещать финансирование, доходы или внедрение.

Для плавающих солнечных, самый дешевый измерение, которое считается рабочей моделью небольшой пруд панелей на пруду рядом с идентичным набором на земле, оба измеряются, с температурой модуля зарегистрированы через по крайней мере одно лето. Это показывает, является ли охлаждение прирост реально для вашей конструкции. Отправьте ее через форму вклада и сравните её с другими идеями на радаре идей. Похожие страницы: аграриольт делится сельскохозяйственными землями вместо воды, и маленькая и в трубе гидроэлектростанция берет энергию из воды, которая уже течет.

Источники

1. Цзин, Ю., Ху, С., Зиглер, А.Д. и др. (2023). Производство энергии и экономия воды за счет плавучих солнечных фотоэлектрических установок на глобальных водохранилищах. Натуральная устойчивость 6, 865-874.
2. Дёренкемпер, М., Вахед, А., Кумар, А. и др. (2021). The cooling effect of floating PV in two different climate zones: a comparison of field test data from the Netherlands and Singapore. Солнечная энергия 214, 239-247.
3. Рамасами, В. и Марголис, Р. (2021). Эталон стоимости плавучих фотоэлектрических систем: установки на искусственных водоемах в 1 квартале 2021 года. NREL/TP-7A40-80695.
4. Группа Всемирного банка, ESMAP и SERIS (2018). Где солнце встречает воду: плавающий отчёт рынка солнечной энергии, резюме.
5. Эксли, Г., Эрнандес, Р.Р., Пейдж, Т. и др. (2021). Научная оценка и оценка на основе фактических данных заинтересованных сторон: реакция экосистемы на плавучие солнечные фотоэлектрические установки и последствия для устойчивости. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 152, 111639.
6. Ember (2025). Global Electricity Review 2025: низкоуглеродные источники составят 40,9% (12609 ТВт·ч) мирового электроэнергии в 2024 году, что означает в общей сложности около 30800 ТВт·ч.
7. Чонг, К. (2021). Первая крупномасштабная солнечная плавучая ферма в Сингапуре открывается на водохранилище Tengeh. The Straits Times, 14 июля 2021.
8. AFP (2023). Jokowi открывает крупнейшую плавучую солнечную ферму в Юго-Восточной Азии. The Jakarta Post, 9 ноября 2023 года.
9. Times of India (2024). Буря повреждает крупнейшую в мире плавучую солнечную электростанцию в Мадхья-Прадеш, 12 апреля 2024.
10. Bloomberg (2023). Плавущие солнечные батареи превращают старые промышленные объекты в золотые прииски зеленой энергии, 3 августа 2023.
11. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19.
12. Local Solar System Foundation (2026). Вентилятор Стена: открытая модель, крыша солнечной эталон.