در شمالشرقی روسیه، جایی که دماسنج در زمستانها بیرحمانه به منفی ۵۰ درجه سانتیگراد سقوط میکند و نفس آدمیان همان ثانیه اول یخ میبندد، شهری به نام یاکوتسک قرار دارد. اینجا، در جمهوری ساخا(Yakutia)، دولت روسیه و شرکت RusHydro -شرکت هیدروالکتریکی روسیه- در سال ۲۰۱۷ تصمیم گرفتند کاری کنند که در نگاه اول شبیه شوخی به نظر میآمد: ساخت یک نیروگاه خورشیدی در جایی که زمستانهای هشتماهه دارد.
نیروگاه خورشیدی «بتانتای» و مجموعهای از سامانههای مشابه در چندین روستای قطبی ساخا، با ظرفیتهای بین ۱۰ کیلووات تا چند مگاوات، به سردترین ایستگاههای خورشیدی زمین تبدیل شدند.
سرمایی که اینجا حکمفرماست، حتی کابلها، پیچها و بستها را شکننده میکند، چه برسد به ماژولهای خورشیدی.
اینها همه به کنار، مساله اصلی این است که نور خورشید، منبع اصلی انرژی در سیستمهای فتوولتائیک، در قطب شمال و مناطق نزدیک به آن، برای بخش قابلتوجهی از زمستان، بهدلیل پدیده شب قطبی، عملا وجود ندارد.
با اینحال، یک عزم جدی و نگاهی نوآورانه، دولت فدراسیون روسیه و شرکت دولتیRusHydro را بر آن داشت تا پروژهای جسورانه را آغاز کنند: ساخت یک نیروگاه خورشیدی در قلب این سرمای استخوانی.
هدف اصلی این پروژه، کاهش چشمگیر وابستگی روستاهای دورافتاده و پراکنده در جمهوری ساخا به سوخت دیزلی بود. سوخت دیزلی، بهدلیل هزینههای سرسامآور حملونقل در شرایط جغرافیایی دشوار و همچنین اثرات زیستمحیطی منفی، همواره یکی از چالشهای اصلی تامین انرژی در این مناطق محسوب میشد. پروژه نیروگاه خورشیدی یاکوتسک، نهتنها پاسخی به نیازهای انرژی، بلکه گامی مهم درراستای توسعه پایدار و خودکفایی انرژی در یکی از دورافتادهترین نقاط جهان بود. این پروژه، نمایانگر این ایده بود که حتی در سختترین شرایط آبوهوایی، خورشید میتواند منبعی قابل اتکا برای تامین انرژی باشد، اگر با دانش و فناوری مناسب به کار گرفته شود.
ساخت و بهرهبرداری از یک نیروگاه خورشیدی در شرایطی که زمستانها تا هشت ماه طول میکشند و دما بهطور منظم به زیر منفی ۴۰ درجه سانتیگراد میرسد، با مجموعهای از چالشهای منحصربهفرد و طاقتفرسا همراه بود. این چالشها، نیازمند راهکارهای فنی خلاقانه و پیشرفتهای بودند که بتوانند در برابر نیروهای مخرب طبیعت مقاومت کنند.
برف و یخ فشرده روی شیشه ماژولها: یکی از اولین و ملموسترین مشکلات، تجمع برف و لایههای ضخیم یخ روی سطح شیشهای پنلهای خورشیدی بود. این لایههای عایق، مانع از رسیدن نور خورشید به سلولهای فتوولتائیک شده و تولید انرژی را بهشدت کاهش میدادند. برف تازه ممکن است نرم باشد اما در دماهای بسیار پایین، برف و یخ بهسرعت فشرده شده و به لایهای سخت و چسبنده تبدیل میشوند که جدا کردن آن دشوار است.
خاموشی کامل خورشید در دوره شب قطبی (حدود دو ماه): در طول فصل زمستان، منطقه یاکوتسک پدیده شب قطبی را تجربه میکند. در این دوره، خورشید برای هفتهها و گاهی تا دو ماه، به طور کامل در افق ناپدید میشود. این بدان معناست که پنلهای خورشیدی، در طولانیترین و سردترین ماههای سال، هیچ منبع نوری برای تولید انرژی دریافت نمیکنند. این موضوع، وابستگی کامل نیروگاه به ذخیرهسازی انرژی در فصول روشن و مدیریت دقیق مصرف را ایجاب میکند.
شوکهای دمایی شدید به سازه و الکترونیک: اختلاف دمای بسیار زیاد بین روز و شب، و همچنین تغییرات ناگهانی دما در طول سال (مثلا از منفی ۴۰ درجه به ۱۰ درجه سانتیگراد در تابستان) باعث ایجاد شوکهای حرارتی شدیدی در تمام اجزای نیروگاه، ازجمله سازههای فلزی، پنلها و تجهیزات الکترونیکی حساس (اینورترها، مبدلها، باتریها) میشد. این شوکهای دمایی میتوانند باعث ترکخوردگی، انبساط و انقباض نامنظم و درنهایت خرابی زودرس قطعات شوند.
انقباض و انبساط مداوم فلزات سازه: مواد فلزی، بهخصوص فولاد و آلومینیوم، در دماهای بسیار پایین دچار انقباض و در دماهای بالاتر دچار انبساط میشوند. در محیط یاکوتسک، این چرخه انقباض و انبساط بهطور مداوم رخ میدهد. این پدیده میتواند فشار زیادی به اتصالات، پیچها و کل ساختار سازه وارد کند، منجر به سست شدن اتصالات، ایجاد تنشهای مکانیکی و درنهایت آسیب به کل سیستم شود.
حملونقل دشوار قطعات و تجهیزات: ماهیت دورافتاده و شرایط جغرافیایی منطقه، انتقال قطعات بزرگ و حساس نیروگاه، ازجمله پنلهای خورشیدی، سازهها، باتریها و تجهیزات الکترونیکی را به یک چالش لجستیکی بزرگ تبدیل کرده بود. مسیرهای زمینی ممکن است در بسیاری از فصول مسدود باشند و حملونقل هوایی نیز هزینهبر و محدود است. قطعات باید به گونهای طراحی و بستهبندی میشدند که در برابر سرمای شدید و ضربات احتمالی در حین حملونقل مقاومت کنند. برای غلبه بر چالشهای بیشمار ذکرشده، تیم مهندسی RusHydro و شرکای آن، مجموعهای از نوآوریهای فنی پیشرفته و سفارشی را در نیروگاه خورشیدی یاکوتسک به کار گرفتند. این راهکارها، فراتر از استانداردهای رایج در مناطق معتدل بودند و رویکردی کاملا جدید به طراحی و ساخت نیروگاههای خورشیدی در اقلیمهای سردسیر ارایه دادند.
پنلهای سفارشی:
برخلاف پنلهای استاندارد با شیشه تکلایه، در یاکوتسک از شیشه سهلایه استفاده شد. این لایهها، با یک رزین ویژه (اغلب بر پایه پلیوینیل بوتیرال – PVB یا مشابه آن) لمینیت شده بودند. این ساختار سهلایه، استحکام مکانیکی پنل را بهطور قابلتوجهی افزایش داد و مقاومت آن را در برابر ضربه، فشار برف و یخ و همچنین تنشهای ناشی از انبساط و انقباض حرارتی بالا برد.
پوشش نانوسرامیکی ضدبرف:
مهمترین نوآوری در سطح شیشه، استفاده از پوششهای نانوسرامیکی پیشرفته بود. این پوششها، سطح شیشه را فوقالعاده صاف و آبگریز (hydrophobic) و برفگریز (anti-snow) میکردند. این ویژگی باعث میشد برف و یخ بهسختی به سطح پنل چسبیده و بهراحتی با وزش باد یا بهدلیل شیب طبیعی پنل، سُر خورده و جدا شوند. همچنین، این پوششها به انعکاس کمتر نور خورشید و جذب بهتر نور در طیفهای مریی کمک میکردند.
فریمها و پیچهای مقاوم:
فریمهای نگهدارنده پنلها از آلیاژهای خاصی از آلومینیوم و منیزیم ساخته شدند. این آلیاژها، علاوهبر سبک بودن، مقاومت بالایی در برابر خوردگی (که در مناطق سردسیر نیز بهدلیل نمک پاشیدن روی جادهها و رطوبت رخ میدهد) و همچنین خواص مکانیکی مناسبی در دماهای بسیار پایین از خود نشان میدهند. آنها توانایی تحمل بارهای سنگین برف و باد را داشتند.
برای اتصال قطعات سازه، از پیچهای فولادی بسیار مستحکم استفاده شد که با روکشهای پلیمری خاصی پوشانده شده بودند. این روکشها، علاوه بر محافظت در برابر خوردگی، به عایقبندی حرارتی اتصالات کمک کرده و از ایجاد پلهای حرارتی که منجر به یخزدگی و اتلاف انرژی میشوند، جلوگیری میکردند. این روکشها همچنین، در برابر شوکهای دمایی انعطافپذیری بیشتری از خود نشان میدادند.
زاویه نصب ۶۰ تا ۷۵ درجه:
جلوگیری از انباشت برف: پنلها با زاویهای بسیار تند نسبت به سطح افق نصب شدند. زاویه ۶۰ تا ۷۵ درجه، حداکثر میزان برف را بهطور خودکار از سطح پنل سُر داده و از انباشت برف ضخیم جلوگیری میکند. این زاویه، بهخصوص در شیبهای تندتر، کارایی خود را نشان میدهد.
دریافت بهینه نور خورشید: در عینحال، این زاویه تند، در فصولی که خورشید در آسمان پایینتر قرار دارد (مانند زمستان در عرضهای جغرافیایی بالا)، به جذب حداکثری نور خورشید کمک میکند. این بدان معناست که حتی در روزهای کوتاه زمستان، پنلها میتوانند تا حدی نور خورشید را جذب کرده و انرژی تولید کنند.
سامانه پیشگرمایش الکترونیک:
تجهیزات الکترونیکی حساس مانند اینورترها، مبدلها و جعبههای اتصال (Junction Boxes) که در دمای بسیار پایین ممکن است عملکرد خود را از دست داده یا با مشکل مواجه شوند، به سیستم پیشگرمایش مجهز شدند. این سیستم شامل پدهای حرارتی کوچک بود که با استفاده از بخشی از انرژی تولیدشده یا باتریها، در زمان استارت اولیه یا در دماهای بسیار بحرانی، این تجهیزات را تا دمای عملیاتی مناسب گرم میکردند. این امر از «شوک سرما» به قطعات الکترونیکی جلوگیری میکرد.
باتریهای هیبریدی LTO + AGM:
مقاومت به افت ظرفیت در دمای پایین: ذخیرهسازی انرژی در محیطهای بسیار سرد یک چالش جدی است، زیرا بسیاری از انواع باتریها با افت قابلتوجه ظرفیت و توان خود در دماهای پایین مواجه میشوند. در این پروژه از ترکیب باتریهای هیبریدی استفاده شد:
باتریهایLTO (Lithium Titanate Oxide): این نوع باتریهای لیتیومی، بهدلیل ساختار شیمیایی خاص خود، مقاومت بسیار بالایی در برابر دماهای پایین دارند و افت ظرفیت در سرمای شدید در آنها به مراتب کمتر از باتریهای لیتیومی استاندارد (مانند NMC یا LFP) است. همچنین، سرعت شارژ و دشارژ بالایی دارند.
باتریهای(AGM –Absorbent Glass Mat): باتریهای سیلد لید اسید (SLA) از نوع AGM نیز، در کنار LTO، مورد استفاده قرار گرفتند. این باتریها نسبتبه باتریهای LTO ارزانتر هستند و در صورت قرارگیری در محفظههای عایقبندی شده و با کمک سیستم پیشگرمایش، میتوانند در دماهای پایین عملکرد قابلقبولی داشته باشند. ترکیب این دو نوع باتری، بهینهسازی هزینه و عملکرد را فراهم آورد.
گرمایش سطح پنل در مدلهای آزمایشی:
ذوب برفهای سنگین: در برخی از مدلهای اولیه و آزمایشی، سیستمهای گرمایش فعال برای سطح پنلها در نظر گرفته شد. این سیستمها میتوانستند با استفاده از المنتهای حرارتی بسیار نازک و شفاف تعبیه شده در پشت شیشه یا در فریم، لایه نازکی از برف و یخ را ذوب کنند. این راهکار، در شرایط برفریزی سنگین و مداوم، برای اطمینان از حداکثر تولید انرژی، بسیار موثر بود، هرچند مصرف انرژی را نیز افزایش میداد.
انعطافپذیری لجستیکی: کل سازه نیروگاه بهصورت ماژولار طراحی شد. این بدان معناست که پنلها، پایهها و اتصالات در قطعات کوچکتر و قابل مدیریت تولید و به محل پروژه منتقل میشدند. این ماژولار بودن، امکان حملونقل قطعات را با استفاده از بالگرد (برای مناطق کاملا دور از دسترس) و همچنین سورتمههای زمینی (که بهوسیله خودروهای مخصوص برفروب کشیده میشوند) فراهم میآورد. این امر، عملیات نصب و نگهداری را در شرایط سخت منطقه تسهیل میکرد. نیروگاه خورشیدی یاکوتسک، با وجود تمام چالشهای فنی و محیطی، نتایج درخشانی را به ارمغان آورده و تاثیرات مثبتی بر زندگی ساکنان منطقه و همچنین صنعت انرژی داشته است. این پروژه، عملا اثبات کرد که انرژی خورشیدی میتواند در اقلیمهای بسیار سرد نیز به یک منبع انرژی قابل اتکا و پایدار تبدیل شود.
تامین بخش قابل توجه نیاز برق در ماههای روشن سال: در طول فصل بهار، تابستان و اوایل پاییز، زمانی که روزها طولانیتر هستند و آسمان غالبا صاف است، نیروگاه خورشیدی بخش بزرگی از نیاز برق روستاهای تحت پوشش را تامین میکند. این امر، کیفیت زندگی ساکنان را بهبود بخشیده و دسترسی آنها را به برق پایدار و پاک تضمین کرده است.
کاهش مصرف دیزل تا ۷۰ هزار لیتر در سال: یکی از مهمترین دستاوردهای اقتصادی و زیستمحیطی پروژه، کاهش چشمگیر مصرف سوخت دیزلی بوده است. پیشبینیها و گزارشهای اولیه حاکی از آن است که این نیروگاه توانسته است سالانه حدود ۷۰هزار لیتر سوخت دیزلی را صرفهجویی کند. این کاهش مصرف، علاوه بر صرفهجویی مالی قابلتوجه برای دولت و ساکنان، منجر به کاهش آلودگی هوا و انتشار گازهای گلخانهای در یکی از مناطق بکر و حساس زیستمحیطی جهان شده است.
افزایش عمر پنلها به بیش از ۱۵ سال: باتوجهبه استفاده از پنلهای سفارشی با شیشههای مقاوم و پوششهای پیشرفته و همچنین سازههای مهندسی شده برای تحمل تنشهای حرارتی و مکانیکی، انتظار میرود که عمر مفید پنلهای خورشیدی در این نیروگاه به بیش از ۱۵ سال برسد. این طول عمر بالا، در مقایسه با عمر مفید پنلهای استاندارد در مناطق دیگر، نشاندهنده موفقیت راهکارهای فنی بهکاررفته و کاهش هزینههای نگهداری و تعویض در بلندمدت است.
الگویی برای پروژههای مشابه: موفقیت نیروگاه یاکوتسک، الهامبخش پروژههای مشابهی در سایر مناطق سردسیر جهان شده است. دانش فنی و تجربیات بهدستآمده از این پروژه، پایهای برای طراحی و اجرای نیروگاههای خورشیدی در مناطقی با شرایط آبوهوایی مشابه فراهم آورده است.
داستان نیروگاه خورشیدی یاکوتسک، فراتر از یک موفقیت مهندسی در یک پروژه منفرد است. این پروژه، دریچهای نو بهسوی امکانپذیری استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در اقلیمهای شدید و دشوار گشوده است. نوآوریها و راهکارهای فنی به کار رفته در این نیروگاه، اکنون درحال بررسی و انطباق برای پروژههای جدید در سایر نقاط سردسیر جهان است. آینده انرژی خورشیدی در اقلیمهای سرد، از بنبست خارج شده و بهسمت امکانپذیر شدن پیش میرود. پروژههایی مانند نیروگاه خورشیدی یاکوتسک، نشان میدهند که با اراده، خلاقیت و سرمایهگذاری در تحقیق و توسعه، میتوان بر محدودیتهای طبیعی غلبه کرد و از منابع پاک انرژی در دورافتادهترین و سردترین نقاط جهان بهره برد. این پروژه، نمادی از توانایی انسان برای انطباق و نوآوری در برابر چالشهای محیطی است.
دیدگاهتان را بنویسید