الصحراء الشمسية : ثورة الطاقة الفرنسية ?

مقدمة

تبرز الآن محطات الطاقة الشمسية في البيئات الصحراوية كحل رئيسي في تحول الطاقة العالمي.. بفضل أشعة الشمس الشديدة, انخفاض الكثافة السكانية وتكاليف الأراضي المنخفضة للغاية, المناطق الصحراوية —- وخاصة في شمال أفريقيا (المغرب, الجزائر و تونس) —- توفير الظروف المثالية لتطوير مشاريع الطاقة الكهروضوئية واسعة النطاق.

لكن, إن بناء محطة للطاقة الشمسية في الصحراء لا يمكن أن يكون ارتجاليا. بين الظروف المناخية القاسية (حرارة, العواصف الرملية) والقيود الفنية المحددة (الهياكل, الأسلاك, أجهزة مكافحة الرمال), ويجب اختيار كل مكون من مكونات النظام بعناية وتكييفه بشكل مثالي مع البيئة.

في هذه المقالة, وسوف نقدم المعدات الأساسية اللازمة لمحطة الطاقة الكهروضوئية في منطقة صحراوية, تقدير كمية الطاقة الموفرة والفوائد البيئية لمثل هذا التثبيت, اكتشف أكبر مشاريع الطاقة الشمسية في العالم. بالإضافة إلى حلول الكابلات الشمسية المصممة خصيصًا والتي تقدمها ZMS Cable للقائمين بالتركيب والمطورين في إفريقيا وأوروبا.

ما هي المعدات اللازمة لمحطة الطاقة الشمسية في الصحراء ?

تتميز المناطق الصحراوية بظروف مناخية قاسية : الرياح محملة بالرمال الكاشطة, درجات حرارة عالية, وسعة حرارية قوية بين النهار والليل.
لبناء محطة للطاقة الشمسية في هذه البيئات, ومن الضروري استخدام المعدات المصممة خصيصًا لتحمل هذه القيود.

الوحدات الكهروضوئية ثنائية الوجه

أصبحت الألواح ثنائية الوجه مفضلة الآن للمشاريع الصحراوية. من خلال التقاط ضوء الشمس المباشر في الأمام والضوء المنعكس من الرمال في الخلف, أنها تسمح بزيادة كبيرة في العائد. ويجب أن تكون هذه الوحدات مصممة بزجاج مقوى وأسطح مقاومة للتآكل الرملي.

الهياكل والأسس الداعمة

يجب أن يكون هيكل الدعم قادرًا على تحمل الرياح القوية, إلى العواصف الرملية, إلخ. عادةً ما يتم اختيار مواد الفولاذ المجلفن أو الألومنيوم المؤكسد للهيكل الداعم. في مناطق الكثبان الرملية, نوصي بحد أدنى من الخلوص الأرضي 300 مم لمنع الألواح من الالتصاق بالرمال. كما يجب أن يأخذ اختيار زاوية الميل في الاعتبار الاتجاه السائد للرياح وحركة الكثبان الرملية..

نظام التتبع الشمسي (خياري)

استخدام الهياكل ذات المحور الواحد (أجهزة تتبع أفقية) يجعل من الممكن زيادة الإنتاج 20 لديه 30 %. لكن, فهي تتطلب نظامًا معززًا ضد أحمال الرياح وصيانة أكثر صرامة في البيئات الرملية.

محولات الطاقة الشمسية للبيئة القاسية

يجب أن تكون العاكسات المستخدمة في محطات الطاقة الصحراوية من النوع الخارجي أو مدمجة في حاويات مجمعة مسبقًا لتسهيل النقل والتركيب في المناطق النائية.

يجب أن تكون معتمدة IP54 أو أعلى, مع تصميم محكم مقاوم للغبار, أنظمة تبريد نشطة مع تهوية مفلترة أو مراوح محكمة الغلق, والقدرة على بدء التشغيل في درجات الحرارة المنخفضة للتعامل مع الاختلافات الكبيرة بين النهار والليل.

يجب أن تتمتع هذه العاكسات أيضًا بمقاومة ممتازة لظروف الرياح الرملية لضمان أقصى قدر من الموثوقية في البيئات القاسية..

صناديق التوصيل والمحولات

صناديق التوصيل الذكية (أو صناديق اتصال العاصمة) تمكين المراقبة عن بعد لسلاسل الوحدات الكهروضوئية وتسهيل الصيانة التنبؤية.

أما بالنسبة لمحولات الطاقة, ويجب أن يكونوا قادرين على تحمل التغيرات الكبيرة في درجات الحرارة المعتادة في المناطق الصحراوية. لديهم أيضًا دور رفع جهد الخرج حتى 35 كيلو فولت الخاص بك 110 كيلو فولت. يعد هذا الارتفاع ضروريًا للسماح بالتكامل المستقر للطاقة المنتجة في الشبكة الكهربائية..

كابلات طاقة شمسية عالية الأداء

تعتبر الكابلات الضوئية عناصر مهمة في البيئات الصحراوية. يجب أن يكونوا كذلك :

• مقاومة للأشعة فوق البنفسجية, للحرارة وتآكل الرمال，
• متوافقة مع معيار EN 50618 / اللجنة الانتخابية المستقلة 62930，
• مع عزل XLPO أو غمد مزدوج (اكتب H1Z2Z2-K) لحياة ممتدة.

في ZMS كابل, نحن نقدم الكابلات الشمسية المصممة خصيصا, تم اختباره في الظروف القاسية, مع التدريع, تخصيص الأقسام, إلخ.

أنظمة الحماية من الرمال

لتثبيت الأرض وحماية المنشآت, نحن نستخدم :

• الحواجز الميكانيكية المضادة للرمل (شبكات أو فروع من النايلون على شكل رقعة الشطرنج مقاس 1 م × 1 م),
• مصانع تثبيت الرمال (النباتات الملحية أو النباتات المحلية مثل calligonum أو mugwort),
• المناطق النباتية تحت الألواح للجمع بين إنتاج الطاقة وإعادة التأهيل البيئي.

كيف تعمل محطة الطاقة الكهروضوئية؟ ?

يعتمد تشغيل محطة الطاقة الكهروضوئية على سلسلة تحويل الطاقة الأمثل, تتراوح من التقاط الضوء إلى حقن الكهرباء في الشبكة. فيما يلي المراحل الرئيسية لهذه العملية :

تحويل الضوء إلى كهرباء (التيار المباشر)

تلتقط الوحدات الكهروضوئية ضوء الشمس وتولد تيارًا كهربائيًا مباشرًا بفضل التأثير الكهروضوئي, ظاهرة فيزيائية تنتجها بعض المواد شبه الموصلة (في كثير من الأحيان السيليكون). كلما كان التشعيع أقوى, كلما زاد الإنتاج الحالي.

تحويل التيار المباشر إلى تيار متردد

التيار المباشر المنتج غير متوافق بشكل مباشر مع الشبكات الكهربائية. يتم توجيهه أولاً عبر صناديق التوصيل إلى العاكسات (أو محولات الطاقة).
هذه تحويل التيار المباشر (العاصمة) في التيار المتردد (تكييف), بالترددات والفولتية التي تتطلبها الشبكة.

الحقن في الشبكة (الجهد المتوسط ​​أو العالي)

يتم بعد ذلك رفع جهد الكهرباء المحولة عبر المحولات للوصول إليها 35 كيلو فولت, 110 كيلو فولت أو أكثر حسب متطلبات الشبكة.
بمجرد الانتهاء من هذه الخطوة, يمكن حقن الطاقة في خطوط الجهد المتوسط ​​أو العالي, ومن ثم توزيعها على المستخدمين.

التحسين في الوقت الحقيقي

تستخدم محطات الطاقة الحديثة أنظمة تحكم ذكية, التكامل بشكل خاص :

MPPT (الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة), الذي يضبط تشغيل الوحدات باستمرار لالتقاط أقصى قدر من الطاقة الشمسية ;

أنظمة سكادا (الرقابة الإشرافية والحصول على البيانات) للإدارة عن بعد, تحليل الأداء والصيانة الوقائية.

ما هو الأثر البيئي لمحطة الطاقة الشمسية؟ ?

محطات الطاقة الشمسية لها آثار إيجابية متعددة على البيئة, وخاصة فيما يتعلق بخفض انبعاثات الكربون, الحفاظ على الموارد, التجديد البيئي وتعزيز التنمية المستدامة. هنا تحليل مفصل :

الحد من الغازات الدفيئة ومكافحة تغير المناخ

إنتاج الكهرباء دون انبعاثات مباشرة

لا ينتج مصنع الطاقة الكهروضوئية ثاني أكسيد الكربون, ني SOₓ, هو NOₓ, لا توجد جزيئات دقيقة أثناء التشغيل. كل كيلووات ساعة من الكهرباء بالطاقة الشمسية يوفر تقريبًا 0,4 كجم من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون, وهو ما يعادل توفير 0,16 كيلوغرام من الفحم القياسي.

مثال : في محطات توليد الكهرباء 310 MW تقع في صحراء كوبوكي (منغوليا الداخلية) يولد 2,74 مليار كيلوواط ساعة سنويا, مما يجعل من الممكن تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عن طريق 23,25 مليون طن, للحفظ 8,62 مليون طن من الفحم ويصل إلى ما يعادل 127 000 هكتار من الغابات المستعادة.

بصمة كربونية منخفضة طوال دورة الحياة بأكملها

تأتي غالبية الانبعاثات من التصنيع الأولي للوحدات. لكن, ومن الممكن أن يؤدي التقدم التكنولوجي - مثل استخدام الكهرباء المتجددة في المصانع - إلى تقليل هذه البصمة بشكل كبير. تشير الدراسات إلى أن البصمة الكربونية للخلايا الكهروضوئية لا تمثل سوى القليل 10 % من ذلك الفحم.

توفير المياه والحد من التلوث

استهلاك المياه تقريبا صفر

تستهلك محطات الطاقة الحرارية التقليدية حوالي 1,5 لتر من الماء لكل كيلووات ساعة منتجة, بشكل رئيسي للتبريد. على العكس من ذلك, تحتاج محطة الطاقة الشمسية فقط إلى كمية صغيرة من الماء للتنظيف الدوري للألواح, وهو ما يمثل توفيرا كبيرا للمياه, قيمة خاصة في المناطق القاحلة.

القضاء على سلسلة التلوث الأحفوري

تتجنب الخلايا الكهروضوئية :

• تعدين الفحم المدمرة,
• التلوث المرتبط بنقلها,
• بقايا الاحتراق (رماد, الغازات الحمضية, المطر الحمضي).

استعادة الأراضي المتدهورة وتحسين النظم البيئية

تثمين الأراضي غير المزروعة

أكثر من 60 % من أكبر محطات الطاقة الشمسية في العالم يتم تركيبها على التربة القاحلة, صحراوية أو مالحة, وبالتالي تقليل المنافسة مع الأراضي الزراعية.

التأهيل البيئي للمناطق المتصحرة

تعمل الألواح الشمسية على تقليل تبخر الماء من الأرض. المياه المستخدمة في التنظيف تتسرب إلى الأرض, زيادة الرطوبة.

مثال : في موقع Gonghe الكهروضوئي (مقاطعة دو تشينغهاي), زيادة محتوى الماء في التربة تحت الألواح بنسبة 40 لديه 78 %, زاد الغطاء النباتي بنسبة 15 %, وتضاعفت المادة العضوية للتربة 11.

يشكل هيكل الحقول الكهروضوئية حاجزًا ماديًا يقلل من دوران الرياح على مستوى الأرض. لهذا السبب, تنخفض سرعة الرياح بأكثر من 40 %, تزداد رطوبة الهواء 2,8 %, وتتناقص السعة الحرارية ليلا ونهارا - الظروف المواتية لاستئناف الكائنات الحية الدقيقة والنباتات المحلية.

استخدام الأراضي متعدد الوظائف

الزراعية الضوئية : À تعويم (الصين), تزرع الفراولة تحت الألواح, الجمع بين الإنتاج الزراعي وإنتاج الطاقة مع تقليل متطلبات الطاقة للدفيئات الزراعية. تربية تحت الألواح : في منطقة تلاتان (تشينغهاى), ترعى الأغنام تحت الألواح, الحفاظ على الغطاء النباتي بشكل طبيعي والسماح للمربين بزيادة دخلهم مع تجديد المراعي.

تعزيز التنوع البيولوجي والقدرة على التكيف مع تغير المناخ

إنشاء الممرات البيئية

تشير الدراسات إلى أن التخطيط المدروس للمنشآت - وخاصة المسافات بين الألواح - يساعد في الحفاظ على شرائح النباتات التي تعمل كموائل للحياة البرية المحلية..

على سبيل المثال, على موقع كوبوكي, عادت الطيور والثدييات الصغيرة للاستقرار.

التخفيف من تأثير الجزيرة الحرارية الحضرية

حلول BIPV (مبنى كهروضوئي متكامل) — تركيب الألواح على الأسطح أو الواجهات — يحد من امتصاص المباني للحرارة, تقليل استهلاك تكييف الهواء وتحسين المناخ المحلي في المناطق الحضرية.

كيف يتم بناء محطة الطاقة الشمسية في الصحراء؟ ?

يعد إنشاء محطة للطاقة الشمسية في بيئة صحراوية مشروعًا معقدًا يتطلب إعدادًا دقيقًا, الخيارات التقنية تتكيف مع الظروف القاسية, فضلا عن التنسيق الدقيق في كل مرحلة. فيما يلي نظرة عامة على المراحل الرئيسية للعملية :

مسح الموقع واختيار الموقع

أولاً, التحليلات البيئية, يتم إجراء الدراسات الجيولوجية والمناخية على مدى عدة أشهر :

• تجنب مناطق الكثبان المتحركة, التربة المالحة أو غير المستقرة
• جمع بيانات الطقس على 30 الإجابة : شروق الشمس, الرياح السائدة, العواصف الرملية
• تقييم طبيعة وحركة الرمال, التضاريس, والوصول إلى شبكات الكهرباء

وينبغي تفضيل المناطق الصحراوية ذات الإمكانات الشمسية العالية., مساحات واسعة وكثافة سكانية منخفضة, مثل تلك الموجودة في المغرب العربي (على سبيل المثال جنوب المغرب أو المناطق الداخلية من تونس) ومنطقة الساحل.

التصميم الفني يتكيف مع الصحراء

يجب على المهندسين دمج التحديات الخاصة بهذه البيئات من مرحلة التصميم :

• الهياكل المرتفعة لتجنب الطمي (الخلوص الأرضي ≥ 300 مم)
• الاتجاه الأمثل والميل للوحدات للتعويض عن الاختلافات الناجمة عن النقوش الصغيرة على الأرض
• اختيار المواد المقاومة للتآكل, للتآكل الرملي والصدمة الحرارية
• أنظمة تتبع الطاقة الشمسية أحادية المحور (بتتبع) معززة لمقاومة هبوب الرياح

التكامل البيئي وتثبيت التربة

لتجنب تآكل الرياح والحد من التأثير البيئي, يتم اتخاذ التدابير من البناء :

• شبكات الحماية من الرمال أو الحواجز (في الاندفاع, القصب أو النايلون) على الأطراف وعلى محاور الرياح السائدة
• إعادة الغطاء النباتي الخاضع للرقابة مع الأنواع المحلية (السابق. : mugwort, ساكسول, العناب), مقاومة للجفاف
• مناطق الظل المنظمة تحت الألواح, يساعد على تجديد النباتات المحلية

اللوجستية, النقل والتركيب

يعد توصيل المادة إلى الموقع خطوة حاسمة, خاصة في المناطق النائية :

• اختيار المركبات التي تتكيف مع التضاريس الرملية
• الامتثال لمعايير المقاومة البيئية
• التثبيت المعياري والتسلسلي : الدعم, لوحات, يتم تركيب العاكسات والكابلات في كتل لتقليل وقت التعرض للرياح والغبار

التشغيل والصيانة الذكية

تفضل محطات الطاقة الحديثة الأتمتة للحد من الاعتماد على العمالة في الموقع :

• أنظمة SCADA للمراقبة عن بعد في الوقت الحقيقي (إنتاج, درجات الحرارة, الأعطال)
• روبوتات تنظيف الألواح الشمسية, تقليل استهلاك المياه وتكاليف الصيانة
• الصيانة التنبؤية باستخدام أجهزة الاستشعار المدمجة (درجة حرارة, تراب, رطوبة)

من خلال التخطيط الدقيق, الخيارات التكنولوجية المكيفة والتصميم البيئي المتكامل, أصبح من الممكن الآن تحويل المساحات الصحراوية إلى مناطق لإنتاج الطاقة المستدامة, دون المساس بالتوازنات المحلية.

الدور الاستراتيجي للكابلات في محطات توليد الكهرباء الصحراوية

إذا كانت الألواح الشمسية موجودة في قلب محطة الطاقة الكهروضوئية, الكابلات الكهربائية هي الجهاز العصبي : أنها تضمن النقل الموثوق للطاقة من الوحدات إلى المحولات, ثم إلى الشبكة. في بيئة صحراوية, الضغوط على الكابلات مرتفعة بشكل خاص - درجات الحرارة القصوى, الأشعة فوق البنفسجية المكثفة, تآكل الرمال, تركيب مدفون أو جوي على مسافات طويلة.

فيما يلي الكابلات الأكثر استخدامًا, والمعايير الأساسية لضمان أدائها في الصحراء :

كابلات الطاقة الشمسية ذات التيار المستمر (العاصمة)

هذه هي الكابلات التي تربط الألواح الكهروضوئية بصناديق التوصيل (صناديق الوصلات), ثم إلى العاكسون.
الميزات الأساسية :

• العزلة مزدوجة (في كثير من الأحيان XLPE + الغلاف الخارجي و LSZH أو PVC) لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية والحرارة
• مقاومة حرارية عالية : تشغيل حتى 90 درجة مئوية بشكل مستمر, التسامح مع قمم 120 درجة مئوية
• المرونة الميكانيكية : للتثبيت على الهياكل المتنقلة (أجهزة تتبع الطاقة الشمسية) أو في منحنيات
• المعايير الحالية : في 50618 / توف 2 بفج 1169

في ZMS كابل, نقوم بتوريد كابلات الطاقة الشمسية نوع PV1-F وH1Z2Z2-K, تم اختباره ليناسب درجات الحرارة المرتفعة والبيئات ذات الكثافة الشمسية العالية, مع خيارات مضادة للقوارض أو مثبطات اللهب حسب الحاجة.

كابلات طاقة التيار المتردد (تكييف)

تقوم هذه الكابلات بتوصيل المحولات بالمحولات, ومن ثم إلى محطة التوصيل للتوصيل بشبكة الكهرباء.
القيود الخاصة بالصحراء :

• مسافات نقل الكهرباء طويلة, تتطلب قسم كابل مناسب للحد من الخسائر
• التثبيت الجوي, في الخندق, أو في الحضيض الفني, مع مقاومة الرمل والصدمات الحرارية
• احتمال وجود القوارض أو العوامل المسببة للتآكل, اعتمادا على المنطقة

تقدم ZMS كابلات النحاس أو الألومنيوم المحمية, مع عزل XLPE أو EPR, لتوترات تصل إلى 35 كيلو فولت. نحن نتكيف مع الهيكل (بسيط, ملتوية, ثلاثة أقطاب) اعتمادا على تكوينات الموقع.

كابلات لأنظمة التحكم والمراقبة (سكادا)

تستخدم محطات الطاقة الشمسية الحديثة أنظمة مراقبة ذكية, تتطلب أسلاك محددة :

• كابلات الاتصالات RS485, الألياف الضوئية أو إيثرنت لنقل البيانات (إنتاج, درجة حرارة, إنذار)
• كابلات الاستشعار (درجة حرارة, رطوبة, الميل)
• مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي (emi)

يمكن لشركة ZMS توفير الكابلات المحمية للأتمتة والبيانات, متوافق مع البروتوكولات الصناعية القياسية وتم اختباره للتعرض للأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة.

لماذا يمكن أن يؤدي الاختيار السيئ للكابل إلى الإضرار بالتثبيت بأكمله؟

خطأ العزل, يمكن أن يؤدي وجود قسم بأبعاد غير صحيحة أو تقادم الكابل مبكرًا إلى تلفه :

• فقدان كفاءة الطاقة
• خطر حدوث ماس كهربائي أو نشوب حريق
• صيانة باهظة الثمن في المناطق التي يصعب الوصول إليها

ولهذا السبب يجب أن يتم اختيار الكابلات وفقًا للمناخ المحلي., المعايير الوطنية وملف تحميل المصنع. حل مصمم خصيصًا, جنبا إلى جنب مع الخدمات اللوجستية الموثوقة وشهادات المطابقة, يحدث فرقًا كبيرًا في المشاريع واسعة النطاق.

خاتمة

لم تعد محطات الطاقة الشمسية المثبتة في المناطق الصحراوية مجرد مشاريع تجريبية بسيطة، بل إنها تمثل الآن ركيزة استراتيجية للتحول العالمي للطاقة, وخاصة في البلدان الناطقة بالفرنسية في أفريقيا وجنوب أوروبا, غنية بأشعة الشمس وقليل من الأراضي المستغلة.

وتوضح المشاريع المرجعية على نطاق عالمي بالفعل هذه الإمكانات الهائلة :

• حديقة تالاتان للطاقة الشمسية في تشينغهاي, في الصين, يغطي تقريبا 600 كيلومتر مربع وتزود بأكثر من 3,4 مليون منزل كل عام - بينما تكون بمثابة مرعى بيئي لـ 20 000 غنم.
• في المملكة العربية السعودية, سيصل مشروع الشعيبة الجاري تنفيذه 2,6 GW, الأمر الذي سيجعلها أكبر محطة للطاقة الكهروضوئية في العالم.
• لا يزال في الصين, محطة كهرباء ميدونج (شينجيانغ) يعرض قوة 3,5 GW, مع الإنتاج السنوي حولها 6 مليار كيلوواط ساعة, أي ما يعادل استهلاك دولة صغيرة من الكهرباء.

مع فوائدها المتعددة – الإنتاج الضخم للكهرباء النظيفة, الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون, إعادة تقييم الأراضي المتدهورة, توفير المياه, وحتى الترميم البيئي – تجسد هذه المشاريع نموذجًا دائريًا ومستدامًا للطاقة.

ولكن لضمان أدائها وطول العمر, ويجب تصميم كل مكون بعناية وفقًا للقيود البيئية الخاصة بالصحراء. هذا لا يتعلق فقط بالألواح والهياكل, ولكن أيضًا عناصر أقل وضوحًا ولكنها بنفس القدر من الأهمية مثل الكابلات الكهربائية.

كمزود لحلول الكابلات الشمسية, كابل ZMS يدعم المطورين, القائمون على التركيب ومقاولو الهندسة والمشتريات والإنشاءات في منطقة أوروبا والشرق الأوسط وأفريقيا في تصميم مشاريع كهروضوئية موثوقة, متوافق مع المعايير الدولية, وتكيفها مع البيئات القاسية.

لم تعد الصحراء مجرد فراغ في الطاقة، بل هي مصدر للمستقبل.