سیستم شناور پنل خورشیدی

مقدمه

صنعت فتوولتائیک (PV) با ظرفیت نصب شده 230 گیگاوات در مقیاس جهانی به گسترش چشمگیری دست یافت، جایی که توسعه آن از اروپا به آسیا و ایالات متحده آمریکا رسید. نصب آسان، فناوری نیمه هادی به عنوان پایه ای برای رشد فناوری PV و سیاست های فشرده دلایل اصلی محبوبیت فزاینده PV توسط عموم است. یکی از مهمترین فاکتور های محبوبیت این سیستم میان صنعتگران این است که تابش خورشید را بدون آلودگی محیط زیست به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. عملکرد PV خود به شرایط آب و هوایی، پارامترهای عملیات الکتریکی و پارامترهای طراحی مانند دما، تابش خورشید و غیره بستگی دارد. با افزایش دما، تمام انرژی خورشیدی جذب شده توسط PV به انرژی الکتریکی تبدیل نمی شود. طبق قانون بقای انرژی، باقیمانده انرژی خورشیدی به گرما تبدیل می شود. عواقب این گرمای باقیمانده بالا راندمان تبدیل کلی را کاهش خواهد داد. برای غلبه بر این مسئله، یک سیستم فتوولتائیک خورشیدی شناور پیشنهاد شد. طراحی FSPV شبیه یک سیستم PV خورشیدی معمولی است، با این تفاوت که برای شناور شدن بر روی سطح آب به ترتیب خاصی نیاز دارد.

ساختار شناور ، آرایه‌های PV، اینورترها، جعبه‌های ترکیبی، برقگیرها و غیره را روی یک بستر ساخته شده از ترکیبات پلاستیکی تقویت‌شده با پلیمرهای ساختاری منحصر به‌ فرد پشتیبانی می‌کند. کل بستر شناور با کمک سیستم های لنگر و پهلوگیری مهار می شود.

اصطلاح PV شناور (FPV) ممکن است به هر سیستم PV نصب شده بر روی بدنه های آبی مانند دریاچه ها، مخازن، سدهای برق آبی، حوضچه های صنعتی و آبیاری اشاره داشته باشد. استقرار جهانی FPV در دهه گذشته افزایش یافته است و در سال 2020 به ظرفیت تجمعی جهانی 2.6 گیگاوات رسیده است و بخش بزرگی از توان نصب شده در چین، تایوان و ژاپن قرار دارد.

اولین سیستم FPV با 20 کیلووات توان اسمی در سال 2007 در آیچی ژاپن ساخته شد. از آن زمان، بسیاری از پروژه‌های این چنینی، عمدتاً برای اهداف تحقیقاتی و نمایشی نصب شده‌اند، و سپس به اهداف پیش‌تجاری رفته‌اند. با شروع در سال 2013، تاسیسات FPV بزرگتر از 1 مگاوات مورد اجرا قرار گرفته اند. نیروگاه های FPV بزرگ، از ده ها و صدها مگاوات، به ویژه در چین، آسیای جنوب شرقی و هند در حال نصب یا برنامه ریزی هستند. نیروگاه های FPV فرصت های جدیدی را ایجاد می کند، که نیروگاه های روی زمین و PV روی پشت بام این شرایط را ندارند.

مزایای اصلی در موارد زیر خلاصه می شود:

• عدم اشغال زمین: استفاده از سطوح آب برای نصب سیستم های خورشیدی فتوولتائیک دو مزیت قابل توجه را به همراه دارد. اول یک مسئله اقتصادی است زیرا نصب سیستم های فتوولتائیک در حوضه های آب از هزینه های بالاتر خرید یا اجاره زمین جلوگیری می کند. دلیل دوم تاثیر محدود بر چشم انداز به دلیل کاهش اشغال سطح است. صرفه جویی در مصرف زمین برای ایالت های کوچک با تراکم جمعیت بالا به ویژه در شرق آسیا مشهودتر است.
• استفاده از زمین های به سختی قابل دسترس: PVهای نصب شده روی زمین برای استقرار در مناطق کوهستانی که در آن سیستم های شناور می توانند بر روی دریاچه ها یا مخازن نصب شوند، دشوار است.
• صرفه جویی در آب: یک جنبه غیر قابل اغماض برای یک سیستم FPV کاهش پدیده تبخیر است. این امکان را برای صرفه جویی در هزاران متر مکعب آب در سال فراهم می کند. علاوه بر این، در یک نیروگاه برق آبی یا در یک مخزن، پوشش ارائه شده توسط پانل های شناور، تابش خورشیدی را که به آب می رسد کاهش می دهد و فرآیند تبخیر را محدود می کند.
• کیفیت آب: پوشش جزئی حوضه ها باعث کاهش نور در رسوبات بیولوژیکی زیر سطح می شود و ممکن است مشکل شکوفه جلبک ها را حل کند، در حالی که هزینه تصفیه آب را کاهش می دهد. با این حال، سطح پوشیده شده توسط پانل های شناور باید در دریاچه های طبیعی با اکوسیستمی متشکل از ماهی و گیاهان دریایی محدود شود تا از اثرات نامطلوب محیطی مسدود کردن نور خورشید جلوگیری شود.
• افزایش راندمان تولید انرژی: استقرار PV بر روی سطوح آب مزایای اساسی در عملکرد می دهد. دمای کار ماژول های PV را می توان با اثر خنک کننده تبخیری از آب کاهش داد. از آنجایی که دمای بالا ماژول باعث کاهش تولید قابل توجهی برای سیستم های PV می شود، بازده انرژی یک سیستم PV می تواند به دلیل کاهش دما به طور قابل توجهی افزایش یابد.
• تعادل تشعشع: نیروگاه های PV مستقر در زمین، آلبدو زمین را تغییر می دهند. آلبدوی آب حدود 5 درصد است در حالی که آلبیدوی زمین به طور قابل توجه (20 درصد برای علفزار، 20-30 درصد برای پشت بام ها و 40-50 درصد برای زمین های بیابانی) است. از آنجایی که ماژول‌های PV برای کاهش انعکاس تابش ساخته شده‌اند، ماژول‌های PV مشابه آلبدو آب هستند که مقدار آن در حدود 5% میباشد.
• نصب و جمع آوری: زیرساخت یک سیستم PV خورشیدی شناور نسبت به نیروگاه های خورشیدی سنتی نصب شده بر روی زمین امکان نصب و جمع آوری راحت تری دارد. سکوهای شناور معمولی مدولار هستند، معمولاً شناورهای کوچکی هستند که به یکدیگر متصل می شوند، به راحتی در خشکی جمع می شوند و سپس نصب می شوند. فقدان سازه های ثابت، و برگشت پذیری پهلوگیری از مزایای قابل توجهی است که برخلاف سازه های زمینی، مزایای اصلاحی بیشتری را فراهم می کند.
• جفت شدن با نیروگاه های برق آبی: فصول خشک با جریان آب کمتر معمولاً با دوره های تابش خورشیدی بالا مطابقت دارد. یک سیستم هیبریدی تغییرات فصلی در تولید نیرو را کاهش می دهد.

یک سیستم FPV از شناورها یا پانتون‌های مختلفی تشکیل شده است که از پنل‌های خورشیدی پشتیبانی می‌کنند و به طور صلب با یک سیستم مهار و لنگر ثابت می‌شوند.

شکل 1 پیکربندی با زیرساخت مورد نیاز برای یک سیستم FPV در مقیاس بزرگ و اتصال به شبکه برق را نشان می دهد.

شکل 1 نمایش یک سیستم FPV

در یک ماژول PV تابش خورشید از طریق اثر فتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل می شود. ماژول‌های شناور شبیه به ماژول‌های زمینی هستند و می‌توانند ماژول‌های کریستالی یا شیشه‌ای باشند، که با جلوگیری نفوذ آب، پانل‌ها را از خوردگی داخلی محافظت می‌کنند.

پانل های PV بر روی یک ساختار پشتیبانی نصب می شوند، به طور معمول با یک شیب ثابت؛ با این حال، راه حل های زاویه شیب متغیر به دلیل یک سیستم ردیابی خورشید برای به حداکثر رساندن بهره وری توسعه یافته اند. پانل های فتوولتائیک بر روی سکوهای شناور، از پلاستیک تقویت شده (معمولا کامپاند پلی اتیلن با چگالی بالا، HDPE) ساخته می شوند. این پلت فرم های مدولار را می توان با راهروهایی برای کنترل و نگهداری تجهیز و مونتاژ کرد.

به منظور ثابت نگه داشتن سازه شناور، سکوها با خطوط پهلوگیری به ساحل یا به بستر دریا لنگر می زنند. تعداد لنگرها و طرح کاملاً به محل نصب و شرایط هواشناسی برای تأسیسات دریایی مرتبط است. طراحی بستگی به شرایط زیرین و نوع خاک و بستر لنگر گیری سایت دارد؛ رابط های لنگر را می توان از زنجیره های فولادی، سیم های فولادی یا طناب های مصنوعی (نایلون یا پلی استر) ساخت، در حالی که خود لنگرها از شمع های بتنی ساخته می شوند.

این سیستم بسته به اندازه و طراحی به یک یا چند اینورتر متصل می شود. نیروگاه های FPV با ظرفیت‌های بزرگ‌تر را می‌توان در طرح‌بندی‌های مختلف توسعه داد: می‌توان آنها را متمرکز یا به آرایه‌های فرعی PV تقسیم کرد. در حالت اول، اینورترهای متمرکز با ظرفیت نسبتاً بالا، معمولاً 1 مگاوات، مورد نیاز است. در پیکربندی دوم، هر آرایه فرعی PV به اینورترهای منفرد، به نام اینورترهای رشته ای، با ظرفیت حدود 10 کیلو وات متصل می شود. اینورترها که برای تبدیل جریان مستقیم، DC، از ماژول‌ها به جریان متناوب سازگار با شبکه، AC، استفاده می‌شوند، می‌توانند بر روی یک سکوی شناور یا داخل زمین نصب شوند، اما از آنجایی که انتقال برق به شکل DC بسیار کمتر کارآمد است، راحت است اینورترها مستقیماً روی سکوهای شناور نصب شوند.

یک سیستم پهلوگیری، سیستم FPV را با دامنه حرکتی قابل قبولی در موقعیت خود نگه می‌دارد و در مقابل عملکرد باد، امواج و جریان‌ها ثابت می کند. هدف این کار جلوگیری از خطر آسیب به خود سازه یا سازه های اطراف بدون ایجاد تنش بیش از حد به نیروگاه است. علاوه بر این، سیستم مهار باید از آسیب احتمالی اتصال الکتریکی جلوگیری کند.

در طراحی پهلوگیری نیز باید انتقال بارها از سازه شناور به زمین مد نظر قرار گیرد. بهترین سیستم پهلوگیری کاملاً به طراحی کارخانه FPV بستگی دارد: برای به حداقل رساندن بارهای روی سیستم پهلوگیری، اتصال هر سکو به سیستم پهلوگیری امکان پذیر است، اما پیچیدگی و در نتیجه هزینه سیستم افزایش می یابد. برعکس، چند نقطه پهلوگیری به سختی بالا و سیستم‌های پهلوگیری قوی نیاز دارند که باعث افزایش بار منتقل شده در سراسر سازه شناور می‌شود. متخصصین شرکت ساحل اتحاد با بررسی های لازم در حین امکان سنجی پروژه بهترین شرایط اجرای پهلوگیری مجموعه را ارائه می دهند.

همانطور که در بالا ذکر شد، علاوه بر نگه داشتن مجموعه در موقعیت، سیستم پهلوگیری همچنین باید اطمینان حاصل کند که سازه می تواند به صورت عمودی در امتداد ارتفاع حرکت کند؛( به دلیل تغییرات در سطح آب). تعداد بهینه لنگرها برای هر طرح سکوی شناور، آن چیزی است که بهترین پایداری و کمترین هزینه تولید انرژی را فراهم می کند: این به نوع سازه شناور، ابعاد نیروگاه، عمق آب و بارهای محیطی بستگی دارد.

یک طبقه بندی کلی از سیستم های پهلوگیری، در شکل 2 گزارش شده است.

شکل 2 مدل های پهلوگیری

1.    ارزیابی های سایت

2.    شناور های SEMCO

3.    مشخصات شناور خورشیدی

از یک  سیستم شناور ویژه بهره می برد که می تواند پانل های PV را مستقیماً نگه دارد. کل سیستم مدولار است و دارای پیش‌بینی برای اتصال با پین یا پیچ و مهره برای ایجاد یک پلت فرم بزرگ است. هر واحد از چنین سیستمی معمولاً از شناورهای اولیه و ثانویه تشکیل شده است. هدف اصلی شناور ثانویه فراهم کردن مسیری برای نگهداری و شناوری اضافی است.

• هر بخش داک شناور Semco شامل ترکیب پلاستیک پلیمری است که با استفاده از سیستم قالب‌گیری دمشی تولید می‌شود. مقاطع Semco با استفاده از قالب های جداگانه ساخته می شوند که ضخامت دیواره یکنواختی را بوجود میاورند. با ضخامت دیواره 100٪ تضمینی جهانی 3 میلی متر و فوم پلی اورتان (PU) کاملا محصور شده است. مواد کامپاند پلاستیک تولید شده خواص زیر را دارا می باشند:
• پایه پلی اتیلن
• مواد مخصوص اضافه شونده آنتی اکسیدان جهت پایداری دمایی و ابعادی
• ترکیبات آنتی استاتیک برای جلوگیری از الکتریسیته ساکن
• پرکننده های معدنی از جمله تالک و میکا جهت بهبود فرایند پذیری و استحکام
• ترکیبات آنتی یو وی جهت ثبات و پایداری رنگ قطعه

شکل 3 مشخصات واحد SemcoDock (نگهدارنده پنل)

شکل 4 قالب واحد نگهدارنده پنل

• پلاستیک از نظر رنگ متفاوت خواهد بود و سطحی غیر لغزنده دارد. این واحد ها در مقابل اشعه ماوراء بنفش مقاوم بوده و دارای استاندارد UV-8 یا بهتر هستند. تمام مواد پلاستیکی الزامات ASTM D4976– PE 235 و FDA 21CFR 177.1520 را برآورده می کند.

شکل 5 مشخصات واحد SemcoDock (راهرو)

طراحی قالب این محصول توسط مهندسین شرکت ساحل اتحاد با بهره گیری از الگوهای استاندارد جهانی با استفاده از نرم افزار های AutoCad، Solidworks، Moldflow Adviser و Cadmould FILL انجام شده است. طراحی قالب ابتدا با در نظر گرفتن شرایط تولید و دستگاه و اندازه های مورد مطالعه انجام شده است. بعد از طراحی قالب در مرحله شبیه سازی با استفاده از شبیه ساز های سیستمی شرایط مختلف احتمالی از لحاظ جریان، خنک کاری ، جمع شدگی، استحکام و پایداری ابعادی بر اساس کامپاند پلیمر مخصوص ساحل اتحاد بررسی شده و اصلاحات لازم شکل گرفته اند. طرح کامل شده در کارگاه قالب سازی ساحل اتحاد توسط دستگاه های تراش پیشرفته تولید، مونتاژ و در اختیار بخش تولید مجموعه قرار گرفته است.

شکل 6 قالب راهرو

• چگالی یک بخش Semco تقریباً 0.077 گرم بر سانتی متر مکعب در ASTM D4883 است.
• استحکام کششی در زمان تسلیم 25 ایزو 527 بیشتر خواهد بود.
• این قطعات دمای شکنندگی سردی در حداقل 70- درجه سانتیگراد خواهد داشت. (D 764)

بخش تولید، ساخت قطعه شناور با شرایط مورد قرارداد مشتری را انجام میدهد. این موارد شامل تنظیم ضخامت استاندارد دیواره ها، هماهنگ سازی مستربچ های لازم برای ایجاد پایداری نوری، استفاده از کامپاند پلیمر های تولیدی شرکت ساحل اتحاد حامل خواص حرارتی و مقاومتی ویژه و همچنین ایجاد ابعاد دقیق محصول برای قرار گیری و مونتاژ اسکله می باشد.

• مواد EPS یا PU کاملاً محصور شده باید 100٪ بکر باشند و ماهیت سلول بسته داشته باشند و اجازه نفوذ آب بیش از 3٪ را ندهند. این مشخصات تضمین می کند که تمام بخش های Semco هرگز غرق نمی شوند. شناورسازی نباید با استفاده از کیسه های هوا یا به هر شکل دیگر که جز استاندارد های تایید شده توسط شرکت ساحل اتحاد نیست، انجام شود.
• مقدار تمام بلوک‌های فوم EPS که در فرآیند تولید استفاده می‌شوند، از قبل به اندازه دقیق محاسبه شده، و سپس در هر بخش شناور تزریق میشوند تا اطمینان حاصل شود که 100٪ محفظه هوا پر از فوم است. مواد پلی یورتان نیز باید به بلوک ها تزریق شود تا ساختار سلولی یکنواخت در برابر ضربه و آسیب آب ایجاد شود.
• بخش ها دارای پایه های فولادی درجه دریایی خواهند بود که به سطح بلوک ها متصل می شوند.

• هر پایه با پیچ و مهره های کالسکه فولادی ضد زنگ سری 5/16 اینچ 2-3/4 اینچ سری 304 به بخش شناور یا رویه پلیمری متصل می شود. با این حال، مناطقی که برای استفاده جداگانه طراحی شده اند پایه های فولادی ندارند.

شکل 7 طراحی پایه برای اتصال پانل

• حداکثر وزن هر بخش نباید بیش از 9000 گرم باشد و در زیر بار مرده بیش از 4 سانتیمتر کشش نداشته باشد. قابلیت بار مشخص شده 900 کیلوگرم به ازای هر متر مکعب خواهد بود.

تمایز محصول تولیدی

• طراحی قالب بلوملدینگ
• ایجاد اتصالات حساس بر روی قطعه که آب بندی محصول حفظ شود
• کامپاند-مستربچ به عنوان پلیمر مورد نیاز تولید
• پیچیدگی ست آپ دستگاهی برای تولید قطعات بزرگ به مانند این محصول
• عمر و دوام محصول در شرایط مختلف دمایی و محیطی
• مقاومت بسیار بالای قطعه در برابر خوردگی
• ضربه پذیری عالی محصول که امکان مونتاژ آسان این محصول را در محل های مختلف ایجاد می کند.
• ایجاد پایداری نوری بسیار بالای محصول که در برابر نور خورشید مقاوت 20 ساله دارد.

4.    الزامات مونتاژ

5.    اتصالات بخش های شناور مدولار استاندارد

تمام اتصالات ارائه شده برای مونتاژ بخش های مجاور برای هر پیکربندی سفارشی طراحی شده اند. اتصال دهنده ها باید از ترکیبات پلیمری تزریقی ساخته شوند و معمولاً دارای ابعاد زیر باشند.

شکل 8 رابط Semco برای مونتاژ واحد SemcoDock

• اتصال دهنده ها یک اتصال صلب و پایدار بین بخش های شناور ایجاد می کنند.
• اتصال دهنده ها از ترکیبات پلیمری ساخته شده و در جای خود پیچ می شوند.
• مواد مورد استفاده در تولید کانکتور در همان دسته اسکله های شناور طبقه بندی می شوند تا از هرگونه خوردگی احتمالی ناشی از حرکت بلوک جلوگیری شود.

این محصول به واسطه مهندسی معکوس، الهام گرفتن از نمونه خارجی و بررسی مقالات و منابع علمی تخصصی طراحی و تولید شده است. لازم به ذکر است مواد پلیمری مورد استفاده در تولید این محصول حاصل تحقیق و مطالعه شرکت ساحل اتحاد می باشد که متناسب با شرایط کاربری نمونه فرموله شده است. لازم به ذکر است، ایده اولیه طراحی قالب بر اساس نمونه خارجی بوده است که البته بسته به شرایط تولید خاص این قطعه در ایران و با در نظر گرفتن محدودیت های سخت افزاری و مواد اولیه، قالب طراحی شده به شکل کاملا کاربردی و بومی انجام شده است. تصاویر مربوطه نمونه خارجی این محصول و نمونه تولیدی شرکت ساحل اتحاد را نشان می دهند. در نظر داشته باشید که طرح قالب و قطعه ساحل اتحاد نمونه مشابه ایرانی و خارجی ندارد.

شکل 9 نمونه خارجی (کشور سازنده : چین)

6.    دستگاه های تولید

شکل 10 دستگاه اکسترودر دو مارپیچ و خط تولید کامپاند مستربچ

شکل 11 دستگاه بلوملدینگ تولید قطعات بادی پلاستیکی

7.    طرح و نقشه

شکل 12 طرح نیروگاه 10 کیلوواتی دانشگاه آنکارا

شکل 13 طرح نیروگاه 50 کیلوواتی پتروشیمی مهاباد

8.    جمع بندی

شرکت تولیدی ساحل اتحاد توانایی تولید و طراحی انواع مدل های مهندسی در زمینه نیروگاه های بادی و خورشیدی را دارا می باشد. این مجموعه با تکیه بر توانایی و تجربه چندین ساله خود در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به عنوان مرجع اصلی سازنده شناور های خورشیدی در ایران شناخته می شوند. این شرکت اجرای کامل پروژه های شناور سازی پنل های خورشیدی را از مرحله تولید قطعات شناور، بررسی و امکان سنجی موقعیت مکانی طرح، تامین قطعات و پنل های خورشیدی و در نهایت مونتاژ و آماده سازی  نیروگاه را انجام می دهد.

شکل 14 پروژه 10 کیلوواتی پتروشیمی مهاباد

9.    منابع و مقالات

[1-14]

1. Patil Desai Sujay, S., M. Wagh, and N. Shinde, A review on floating solar photovoltaic power plants. Int. J. Sci. Eng. Res, 2017. 8: p. 789-794.
2. Mathijssen, D., et al., Potential impact of floating solar panels on water quality in reservoirs; pathogens and leaching. Water Practice and Technology, 2020. 15(3): p. 807-811.
3. Gozálvez, J.J.F., et al. Covering reservoirs with a system of floating solar panels: technical and financial analysis. in International Congress on Project Engineering, Valencia. 2012.
4. El Hammoumi, A., et al., Solar PV energy: From material to use, and the most commonly used techniques to maximize the power output of PV systems: A focus on solar trackers and floating solar panels. Energy Reports, 2022. 8: p. 11992-12010.
5. Chowdhury, R., et al. Floating solar photovoltaic system: An overview and their feasibility at kaptai in rangamati. in 2020 IEEE International Power and Renewable Energy Conference. 2020. IEEE.
6. Collar, E.P. and J.M. Garcia-Martinez, On chemical modified polyolefins by grafting of polar monomers: a survey based on recent patents literature. Recent Patents on Materials Science, 2010. 3(1): p. 76-91.
7. Garcia‐Rejon, A., et al., Extrusion blow molding of long fiber reinforced polyolefins. Polymer Engineering & Science, 2002. 42(2): p. 346-364.
8. Monte, S. and G. Sugerman, Increased productivity of thermoplastics using organometallic titanate and zirconate coupling agents. Journal of Elastomers & Plastics, 1990. 22(2): p. 83-96.
9. MONTE, S. and G. SUGERMAN, Coupling Agents.
10. Seven, K.M., J.M. Cogen, and J.F. Gilchrist, Nucleating agents for high‐density polyethylene—A review. Polymer Engineering & Science, 2016. 56(5): p. 541-554.
11. Rukchonlatee, S., T. Amornsakchai, and P. Limpong, Properties of Calcium Carbonate-Filled Polyethylene Bottles Produced from Extrusion Blow Molding Process. CURRENT APPLIED SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2006. 6(2b): p. 582-589.
12. Zhang, D.Q., J.H. Li, and Y. Li. The Research on 200 Liters Large Material Barrels with Double L-Rings Drop Analysis. in Applied Mechanics and Materials. 2013. Trans Tech Publ.
13. Belcher, S.L., Blow molding, in Applied Plastics Engineering Handbook. 2011, Elsevier. p. 267-288.
14. Lim, B.C., Impact of blow-moulded high density polyethylene containers. 1986, Queen Mary University of London.