الألواح الشمسية العائمة التي تتعقب الشمس

 

في البحث عن مساحة لصفائف شمسية كبيرة ، تتطلع العديد من البلدان إلى أنظمة عائمة. الآن تخطو هولندا هذه الخطوة إلى الأمام ، مع المصفوفات المائية التي تتبع الشمس.

على بحيرة في هولندا ، تطفو جزيرة دائرية لامعة ، مغطاة بعشرات الألواح الشمسية المتلألئة.

لكن هذه ليست مجموعة شمسية عادية ، ولا حتى مجرد واحدة من العديد من المزارع الشمسية العائمة الجديدة التي يتم تركيبها في البحيرات والخزانات والمناطق الساحلية في جميع أنحاء العالم. هذا لأن لوحاتها تقوم بشيء لا تستطيع أي من هذه المزارع الشمسية العائمة القيام به: تتبع ومتابعة الشمس بدقة أثناء تحركها عبر السماء ، لالتقاط أكبر عدد ممكن من الأشعة.

هذا التركيب اللامع ، المسمى Proteus على اسم إله البحر اليوناني القديم ، هو من بين أولى التركيبات التي تجمع بين الألواح الشمسية العائمة وتكنولوجيا تتبع الشمس - كل ذلك في محاولة لزيادة كمية الكهرباء النظيفة التي يمكن أن تنتجها.

الجزيرة ، العائمة في Oostvoornse Meer ، بحيرة في جنوب غرب هولندا ، مغطاة بـ 180 من هذه الألواح الشمسية المتحركة ، بسعة إجمالية مركبة تبلغ 73 كيلوواط من ذروة الطاقة (kWp). إنه مقدار ضئيل في عالم يحاول بسرعة التحول إلى الطاقة المتجددة ، لكن شركة SolarisFloat البرتغالية التي قامت ببناء Proteus ، تعتقد أنه يمكن توسيع نطاق هذا التركيب الصغير لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء النظيفة - وبشكل حاسم ، دون الاستيلاء على أرض ثمينة .

ثورة شمسية

من منطقة الأمازون البرازيلية إلى اليابان ، تشهد الألواح الشمسية العائمة طفرة في جميع أنحاء العالم. نمت الطاقة الشمسية العائمة بشكل كبير في العقد الماضي ، من 70 ميجاوات في عام 2015 إلى 1300 ميجاوات في عام 2020 . من المتوقع أن ينمو سوق التكنولوجيا بنسبة 43٪ سنويًا على مدار العقد المقبل ، لتصل إلى 24.5 مليار دولار (21.7 مليار جنيه إسترليني) بحلول عام 2031.

يقول توماس رايندل ، نائب الرئيس التنفيذي لمعهد أبحاث الطاقة الشمسية في سنغافورة (سيريس): "الطاقة الشمسية العائمة هي خيار جديد [للطاقة المتجددة] ، لكنها تنطوي على إمكانات هائلة على مستوى العالم". إن تغطية 10٪ فقط من جميع الخزانات التي من صنع الإنسان في العالم بالطاقة الشمسية العائمة من شأنه أن يؤدي إلى قدرة مركبة تبلغ 20 تيراوات (TW) - 20 مرة أكثر من قدرة الطاقة الشمسية العالمية الكهروضوئية (PV) اليوم ، وفقًا لتحليل أجرته شركة Seris. بواسطة بي بي سي كوكب المستقبل.

يعد ظهور تكنولوجيا الطاقة الشمسية العائمة من بين أحدث الاتجاهات في التوسع الثوري للكهرباء الشمسية الكهروضوئية في السنوات الأخيرة. على الصعيد العالمي ، زادت قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بنحو 12 ضعفًا في العقد الماضي ، من 72 جيجاوات في عام 2011 إلى 843 جيجاوات في عام 2021 . تمثل التكنولوجيا الآن 3.6٪ من توليد الكهرباء في العالم ، ارتفاعاً من 0.03٪ في عام 2006. وفي الوقت نفسه ، شهدت المصفوفات الشمسية انخفاضًا مذهلاً في الأسعار جعلها أرخص مصدر للطاقة في العالم .

من المتوقع حدوث توسعات إضافية في الطاقة الشمسية - في الواقع ، يجب أن تصل السعة إلى ستة أضعاف الكمية الحالية بحلول عام 2030 للبقاء على المسار الصحيح مع عالم خالٍ من الانبعاثات ، وفقًا لوكالة الطاقة الدولية. تلعب الجغرافيا السياسية العالمية أيضًا دورًا في زيادة الاعتماد على الطاقة الشمسية: اقترح الاتحاد الأوروبي تكثيفًا هائلاً للطاقة المتجددة حيث يهدف إلى تقليل اعتماده على النفط والغاز الروسي في أعقاب غزو البلاد لأوكرانيا.

إلى جانب هذا النمو الهائل ، يواصل الباحثون البحث عن تحسينات في تكنولوجيا الطاقة الشمسية. تقع معظم الألواح الشمسية المثبتة حتى الآن في جميع أنحاء العالم على أرض صلبة. لكن تقنيات الطاقة الشمسية التي تطفو على الماء تقدم ميزة فريدة: فهي لا تشغل مساحة الأرض التي قد تكون ضرورية لاستخدامات أخرى.

يقول أنطونيو دوارتي ، المهندس التقني الرئيسي في SolarisFloat: "إنتاج الطاقة المتجددة سيزداد في جميع أنحاء العالم". "ستزداد منشآت الطاقة الشمسية على المياه [أكثر من] الأرض. لماذا؟ لأن الأرض أصبحت من الأصول الثمينة للغاية."

في عالم يتطلع إلى التوسع السريع في المصفوفات الشمسية ، يمنح هذا الطاقة الشمسية العائمة ميزة كبيرة ، خاصة بالنسبة للبلدان التي تواجه ندرة في الأراضي. غالبًا ما يتم انتقاد المزارع الشمسية التقليدية بسبب مساحة الأرض التي تشغلها - الأراضي التي يمكن استخدامها في زراعة المحاصيل لإطعام سكان العالم المتزايدين ، أو الأشجار الممتصة للكربون. تتطلب الطاقة الشمسية مساحة هائلة ، على الأقل 40-50 مرة أكثر من محطات الفحم و 90-100 مرة أكثر من الغاز ، وفقًا لبحث أجرته جامعة لايدن في هولندا .

كما أعرب دعاة الحفاظ على البيئة عن قلقهم من أن مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح الأرضية يمكن أن يكون لها تأثير ضار على التنوع البيولوجي ، وخاصة تلك التي يتم بناؤها في مناطق غنية بالأنواع .

لذلك ، فإن بناء تقنية امتصاص أشعة الشمس على المياه هي طريقة ذكية لتحرير الأرض ، مع الاستفادة أيضًا من البحيرات والخزانات غير المأهولة. تستثمر دول مثل اليابان وسنغافورة بكثافة في مزارع الطاقة الشمسية العائمة بسبب توافر الأراضي المحدود أو الأراضي باهظة الثمن.

توفر التركيبات الشمسية العائمة ميزة فريدة: فهي لا تشغل مساحة كبيرة من الأرض

يقول مايكل وولز ، الأستاذ في مركز تكنولوجيا أنظمة الطاقة المتجددة في جامعة لوبورو في المملكة المتحدة ، إن أقل من 1٪ حاليًا من منشآت الطاقة الشمسية في العالم عائمة. يرجع هذا جزئيًا إلى القيود التقنية والمالية - تسبب المياه المالحة تآكلًا ، كما أن وضع الألواح بزاوية أمر صعب ومكلف على منصة عائمة ، كما يقول وولز. ويضيف أن التركيبات على أجسام المياه العذبة قد تواجه معارضة أيضًا إذا ما تنافست مع أنشطة أخرى ، مثل السباحة وركوب القوارب أو الصيد بالصنارة.

ومع ذلك ، فإن المزارع العائمة التي تعمل بالطاقة الشمسية تحل أيضًا مشكلة أخرى تعاني منها الطاقة الشمسية التقليدية: عدم الكفاءة عندما تصبح الألواح الشمسية شديدة السخونة. في الواقع ، تولد الألواح الشمسية العائمة طاقة إضافية بسبب تأثير التبريد للمياه التي تحوم فوقها.

تولد الألواح الشمسية الكهرباء باستخدام أشعة الضوء القادمة من الشمس - وليس الحرارة. ولكن عندما تصبح ساخنة للغاية ، تنخفض كفاءتها . وذلك لأن الحرارة تثير إلكترونات اللوحة ، والتي تحول الطاقة من الشمس إلى كهرباء ، مما يجعل الفرق بين الطاقة العالية وحالة الراحة أصغر ، مما يقلل بدوره الجهد وكمية الكهرباء المولدة. تعمل الألواح الكهروضوئية الشمسية عادةً بأقصى كفاءة بين 15 درجة مئوية و 35 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت و 95 درجة فهرنهايت) ، ولكن يمكن أن تصل درجة حرارتها إلى 65 درجة مئوية (149 درجة فهرنهايت) ، مما يعيق الكفاءة.

إن القرب من المياه من الطاقة الشمسية العائمة يساعد الألواح على العمل بكفاءة أكبر ويزيد إنتاجها من الكهرباء بنسبة تصل إلى 15٪ ، كما يقول نونو كورييا ، مدير المواد المركبة في معهد العلوم والابتكار في الهندسة الميكانيكية والصناعية في بورتو ، الذي طور مشروع بروتيوس.

اتبع الشمس

ولكن هناك أيضًا طرقًا أخرى لزيادة إنتاج الطاقة للألواح الشمسية - مثل إمالتها لتتبع مسار الشمس في السماء ، على غرار الطريقة التي تتبع بها أزهار عباد الشمس الصغيرة الشمس من الشرق إلى الغرب خلال النهار. تساعد تقنية التتبع ، المستخدمة بالفعل في بعض المصفوفات الشمسية الأرضية ، على زيادة إجمالي إنتاج الكهرباء ، حيث تتكيف الألواح باستمرار لمواجهة الشمس.

يمكن للألواح ذات الوجهين التي تتعقب الشمس أن تزيد من إنتاج الطاقة بنسبة 35٪ وتقلل متوسط ​​تكلفة الكهرباء بنسبة 16٪ مقارنة بالأنظمة التقليدية ، وفقًا لبحث أجرته SERIS . من المتوقع أن ينمو الطلب على تكنولوجيا تتبع الألواح الشمسية بنسبة 16٪ سنويًا بين عامي 2022 و 2030 بسبب زيادة الكفاءة هذه.

من خلال دمج التقنيتين ، تقول SolarisFloat إنها تستطيع زيادة إنتاج الكهرباء بنسبة تصل إلى 40٪ ، مقارنة بالمنشآت الأرضية الثابتة.

قامت SolarisFloat ببناء Proteus كمشروع تجريبي لاختبار هذه التكنولوجيا المتطورة وتحليل كيفية تعزيزها لتوليد الطاقة النظيفة. منحهم النموذج الأولي موقعًا كمرشح نهائي لجائزة المخترع الأوروبي هذا العام .

تدور الألواح أحادية الجانب من Proteus ببطء كل ​​بضع ساعات على محورين ، باستخدام مستشعرات ميكانيكية وجغرافية مكانية ومستشعرات ضوئية لتتبع ارتفاع مسار الشمس بدقة ، أثناء انتقالها من الشرق إلى الغرب .

يقول رايندل إن هناك الكثير من المواقع المناسبة لأنظمة التتبع مثل Proteus ، لكن المنافذ الأكثر احتمالًا هي التركيبات في خطوط العرض الأعلى التي لن تتعرض لرياح قوية. يجب اختيار المواقع بعناية لتجنب قوى المد والجزر والطقس العاصف من تدمير الألواح وكذلك أنظمة الإرساء والتثبيت.

كما أن أنظمة التتبع لن تحدث فرقًا كبيرًا في المواقع القريبة من خط الاستواء ، حيث يتم تثبيت الألواح بشكل أفقي تقريبًا وتواجه الشمس طوال معظم اليوم ، كما يشير ريندل.

تؤدي إضافة أجهزة التتبع إلى زيادة تكاليف رأس المال والصيانة الإجمالية للتركيب ، كما يقول وولز. لكن مكاسب الكهرباء تجعل هذه التكنولوجيا استثمارًا مجديًا ، "خاصة في مواقع الحزام الشمسي" ، كما يقول.

يقر دوارتي بأن الجانب السلبي الآخر للمصفوفات الشمسية لتتبع الشمس الموضوعة على الماء هو أنها صعبة التركيب. يشرح قائلاً: "عادةً ما تكون أنظمة تتبع الأرض" مثبتة "على الأرض بواسطة أعمدة ولا تتحرك سوى منصة بها وحدات [لوحة شمسية] أعلى القطبين". لضمان الاستقرار على الماء ، تم تثبيت المراوح والمحركات على منصة Proteus لتثبيت الألواح.

يقول رايندل: "يبقى أن نرى ما هي سرعات الرياح القصوى وارتفاع الأمواج التي يمكن للنظام أن يمتصها بينما لا يزال يعمل بسلاسة وموثوقية بمرور الوقت".

المزايا البيئية

يمكن أن يؤدي ربط تقنية التتبع بالطاقة الشمسية العائمة إلى زيادة توليد الكهرباء ، لكن الفوائد تتجاوز ذلك. يقول العلماء إن الطاقة الشمسية العائمة يمكن أن تساعد في تقليل التبخر ومنع انتشار الطحالب السامة ، وكلاهما يهدد إمدادات المياه .

تعمل التركيبات الشمسية العائمة على تبريد درجات حرارة الماء عن طريق حماية السطح من أشعة الشمس. هذا يمنع نمو الطحالب السامة ذات اللون الأخضر المزرق ، والتي تزدهر في المياه الدافئة ويمكن أن تنتج سمومًا ضارة تسبب تهيج العين والجلد بالإضافة إلى القيء بين البشر والأمراض الخطيرة أو حتى الموت في الحيوانات.

تمنع درجات الحرارة الأكثر برودة أيضًا تبخر الماء - وهي ميزة مهمة بشكل خاص في المناطق القاحلة حيث الماء مورد ثمين. وجدت دراسة أجريت عام 2021 أن الألواح الشمسية العائمة على خزان في الأردن ، أحد أكثر دول العالم شحًا بالمياه ، قللت التبخر بنسبة 42٪ ، بينما أنتجت 425 ميجاوات من الكهرباء سنويًا.

تقول ألونا أرمسترونج ، كبيرة المحاضرين في علوم الطاقة والبيئة بجامعة لانكستر: "إذا تم إجراؤها بشكل جيد في المكان المناسب ، فإن الطاقة الشمسية العائمة لديها القدرة على توفير طاقة منخفضة الكربون تشتد الحاجة إليها دون احتلال الأرض وفي الوقت نفسه تحسين [] حالة الجسم المائي". وشارك في تأليف دراسة تستعرض الفوائد والمخاطر البيئية لمزارع الطاقة الشمسية العائمة . "يظهر بحثنا أن الطاقة الشمسية العائمة تبرد الجسم المائي وتقلل من الكتلة الحيوية العوالق النباتية." يمكن للتركيزات العالية من الكتلة الحيوية العوالق النباتية أن تعزز نمو تكاثر الطحالب.

ومع ذلك ، قد تكون هناك أيضًا عيوب بيئية لاستخدام الطاقة الشمسية العائمة على نطاق أوسع. يمكن أن تؤثر الألواح الشمسية العائمة على الطبقات ، والطبقات في الجسم المائي ذات الخصائص المختلفة ، استجابة للتغيرات في الإشعاع الشمسي والرياح على السطح. تشير دراسة أرمسترونغ إلى أن الزيادة في التقسيم الطبقي يمكن أن تتسبب في إزالة الأكسجين من الطبقة السفلية ، "مما يتسبب في زيادات غير مرغوب فيها في تركيزات المغذيات وقتل الأسماك".

يقول أرمسترونج: "يمكن أن تسبب الطاقة الشمسية العائمة تأثيرات مفيدة وضارة على المسطح المائي ، ومن المحتمل أن يكون مزيجًا من الاثنين". "الأمر كله يتعلق بضمان أن يتم إجراؤه بشكل جيد وفي المكان المناسب."

يمكن أن توفر الألواح الشمسية العائمة أيضًا مزايا مفيدة عند دمجها مع تقنيات نظيفة أخرى. لسبب واحد ، هناك "فرصة هائلة" لدمج الطاقة الشمسية العائمة مع البنية التحتية للطاقة الكهرومائية الحالية ، كما يقول ريندل. سيساعد ذلك في مواجهة أحد أكبر تحديات الطاقة المتجددة: كيفية توفير مصدر طاقة ثابت أثناء الظروف الجوية المتغيرة.

يقول ريندل: "يمكنك استخدام الطاقة الشمسية أثناء النهار والطاقة المائية في الليل". "إذا قمت بذلك بطريقة ذكية ، يمكنك من حيث المبدأ استخدام الخزان كبطارية عملاقة."

السدود المائية هي أكبر مصدر للطاقة المتجددة في العالم. لكن في بعض مناطق العالم ، مثل إفريقيا ، حذرت وكالة الطاقة الدولية من أن موجات الجفاف المتزايدة الناجمة عن تغير المناخ قد تهدد إمكاناتهم المستقبلية . وجدت إحدى الدراسات أن الألواح الشمسية التي تطفو على 1٪ فقط من خزانات الطاقة الكهرومائية في إفريقيا يمكن أن تضاعف قدرة الطاقة الكهرومائية في القارة وتزيد من توليد الكهرباء من السدود بنسبة 58٪. يقول دوارتي إن هناك "إمكانات قوية" لاستخدام منشآت مثل Proteus في تركيبة مع البنية التحتية للطاقة الكهرومائية الحالية لتعزيز توليد الكهرباء.

مع ارتفاع الطلب على الطاقة المتجددة وتزايد التأثيرات المناخية مثل الجفاف ، تقول SolarisFloat إن تقنيتها تقدم "حلًا يربح فيه الجميع". تعتبر التكلفة المرتفعة للمواد ، مثل الفولاذ والبلاستيك ، اللازمة لبناء الألواح والتركيب المعقد ، من العقبات الرئيسية التي تعيق عملية النشر العالمي للمنشآت مثل Proteus.

لتحقيق النجاح التجاري ، لا تحتاج SolarisFloat فقط إلى إظهار زيادة في إنتاج الكهرباء ، ولكن أيضًا إظهار أن الاستثمارات الأولية في النظام بأكمله وتكاليف التشغيل يمكن أن تظل منخفضة ، كما يقول Reindl.

ومع ذلك ، يبدو من الواضح أن مستقبل الطاقة الشمسية العائمة بشكل عام مشرق ، حيث من المتوقع أن تنمو السوق العالمية بمقدار الخمس في السنوات الثماني المقبلة إلى 180.2 مليون دولار (151.5 مليون جنيه إسترليني) .

بالنظر إلى أن العالم يحتاج بسرعة إلى تكثيف الطاقة المتجددة لتجنب المستويات الخطرة للاحترار ، فإنه يحتاج إلى كل المساعدة التي يمكنه الحصول عليها. يمكن أن تساعد الطاقة الشمسية العائمة والمتعقبة لأشعة الشمس في وضع الألواح الأكثر كفاءة حيث تكون هناك حاجة ماسة إليها.