قبل أن نبدأ في الحديث عن مضخات الطاقة الشمسية او طلمبات المياه بالطاقة الشمسية, والتي يمكن استخدامها في الري بالطاقة الشمسية أو غيرها, أحب أن أذكركم وأذكر نفسي ان ما نقدمه هنا من معلومات عن الطاقة الشمسية قائمة علي خبرات لمهندسين أكفاء ونحب ان نشكرهم جميعا علي سعة صدورهم.
وأحب أن أوضح أننا نحاول جاهدين تبسيط المعلومة, وهدفنا الرئيسي هو جعل الطاقة الشمسية متاحة للجميع ومفهومة للجميع, علي الأقل لمن يريد أن يبحث ويعرف, فنحن هنا لنضع قدمك علي الطريق ونوضح لك المعلومة بشكل مبسط, وطموحنا هو تعليم الجميع ان لا شيء يصعب تعلمه, وأن تطبيقات الطاقة الشمسية يمكن للجميع أجراء حساباتها واختيار منتجاتها وحتي تركيبها بنفسه لو أراد.
وسنتناول في هذا الموضوع النقاط الأتية:
- مميزات مضخات المياه بالطاقة الشمسية
- مكونات أنظمة الري بالطاقة الشمسية
- خطوات تصميم انظمة مضخات الطاقة الشمسية
وسنتحدث عن مميزات الري بالطاقة الشمسية, ومتي يمكن استخدام مضخات المياه بالطاقة الشمسية, وما الفارق بين مضخات الطاقة الشمسية غيرها من المضخات الأخري
وسنتحدث عن مكونات انظمة الري بالطاقة الشمسية بشكل عام, من مضخات الطاقة الشمسية وانواعها, وانواع مواتير الكهرباء الموصلة عليها سواء مترددة او مستمرة, وطرق تخزين المياه, وهل يمكن تركيب بطاريات في النظام أم لا, وسنعبر سريعا ايضا علي دوائر الحماية الكهربية وفائدتها في النظام, وايضا الواح الطاقة الشمسية التي هي مصدر الكهرباء المولدة بالطاقة الشمسية.
وسنذكر فيه خطوة بخطوة كيف تقوم بعمل تصميم كامل لمضخات الطاقة الشمسية واجراء الحسابات اللازمة لتحديد أحتياجاتك, كسعة المضخة وقدرتها والضغوط ونوعها وحسابات حجم الخزان وعدد الواح الطاقة الشمسية التي ستحتاجها وغيرها من التفاصيل ان شاء الله.
مميزات مضخات المياه بالطاقة الشمسية
في العديد من القري والواحات البعيدة عن المدن قد لا تتوفر خدمات الكهرباء الحكومية, وايضا ليس هناك مصدر جاري للماء كالأنهار وغيرها, ولذلك تلبية أحتياجات سكان هذه المناطق من المياه سواء المستخدمة في الري و الزراعة او الشرب والأستخدام الشخصي, تعتمد بشكل أساسي علي آبار المياه الجوفية, والتي قد تكون علي أعماق قليلة أو كبيرة, وفي هذه الحالة هم في حاجة ضرورية لمضخات لرفع المياه, وحيث أن الكهرباء الحكومية غالبا لا تكون متوفرة في هذه المناطق, فمصدر الطاقة المستخدم في أدارة مضحات رفع المياه, اما ان يكون مضخات الديزل أو باستخدم مضخات الطاقة الشمسية والتي تعرف بالطاقة الشمسية للابار, ودعونا نعقد مقارنة بسيطة بين مضحات المياه بالطاقة الشمسية ومضخات الديزل
| نوع المضخة | العيوب | المميزات |
|---|---|---|
| مضخات الديزل |
|
|
| مضخات الطاقة الشمسية |
|
|
وقد اثبتت الدراسات الاقتصادية وكذلك التجربة العملية, أن فترة استرداد رأس المال الخاصة بمضخات الطاقة الشمسية, مقارنة بمضخات الديزل تتراوح بين 3 : 5 سنوات, علما بأنه مازال هناك دعم من معضم البلدان العربية للوقود التقليدى, وكل المؤشرات تؤكد تحول السياسات لدعم الطاقات النظيفه كبديل للطاقات التقليدية الملوثة للبيئة.
ومن الممكن تزويد الواح الطاقة الشمسية الخاصة بأنظمة الري بالطاقة الشمسية, بنظام تتبع شمسى تزيد من كفاءة مضخات الطاقة الشمسية بنسبة 30 % على الاقل
تطبيقات مضخات الطاقة الشمسية الشائعة
- الطاقة الشمسية للابار الجوفية باستخدام المضخات الغاطسه لغرض الرى بالتنقيط او الرش.
- الطاقة الشمسية للابار بالمناطق النائية للشرب والاغراض الاخرى.
- رفع المياه بالطاقة الشمسية من القنوات باستخدام مضخات الطاقة الشمسية الغاطسه او السطحية لأغراض الرى بالغمر ولجميع التطبيقات الاخرى.
- استخدام مضخات الطاقة الشمسية السطحية فى تقليب المياه لتنقية حمامات السباحة.
مكونات أنظمة الري بالطاقة الشمسية
أولا : الواح الطاقة الشمسية
الواح الطاقة الشمسية او ما يعرف بالألواح الكهروضوئية, هي المصدر الرئيسي لتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسية, عن طريق تحويل الأشعاع الشمسي الساقط عليها الي تيار كهربي مستمر.
ثانيا : انفرتر الطاقة الشمسية
في حالة استخدام مضخات الطاقة الشمسية التي تعمل بمحرك تيار مستمر DC, فكل ما سنحتاجه هو دائرة تحكم لتنظيم الجهد الداخل علي المضخة MPPT Controller, أما في حالة استخدام مضخة تعمل بمحرك تيار مستمر, ففي هذه الحالة سيحتاج النظام الي وجود انفرتر لتحويل التيار من مستمر DC ( وهو ما تنتجه الألواح ) الي تيار متردد AC, ومعظم انواع انفرتر الطاقة الشمسية المستخدم في مضخات الطاقة الشمسية يكون من النوع 3 فاز, ومعظمها يوجد به منظم جهد داخلي.
وستحتاج أيضا الي دائرة كهربية بسيطة بها بعض الحمايات, لحماية المحرك والمضخة من التلف في حالة حدوث حمل ذائد قد ينتج عن حدوث سدد في المواسير, أو دخول بعض الشوائب داخل المضخة, أو حتي جفاف الماء.
ثالثا : مضخات الطاقة الشمسية
ويمكن تقسيم مضخات الطاقة الشمسية الي عدة انواع, اعتمادا علي بعض المتغيرات المختلفة كما يلي:
انواع مضحات الطاقة الشمسية بناء علي نوع المحرك
مضخات الطاقة الشمسية بحرك تيار متردد AC
مضخات الطاقة الشمسية ذات محرك تيار متردد AC, تحتاج لوجود انفرتر وبداخله منظم للجهد, وذلك لتحويل التيار المستمر الناتج من الواح الطاقة الشمسية الي تيار متردد لأدارة موتور المضخة, ويجب ان يوجد في الدائرة منظم جهد لتنظيم الجهد والتيار الخارج من الألواح ولكن معظم الانفرترات الآن أصبحت تحتوي علي منظم داخلي بها mppt ودائما يكون انفرتر 3 فاز (3 phase )
يتم استخدام مضخات المياه بالطاقة الشمسية ذات التيار المتردد في المشاريع الكبيرة, كما تستخدم في تنقية وتدوير المياه في حمامات السباحة, وتحلية مياه البحر, ومشروعات مياه الشرب.
مضخات الطاقة الشمسية بمحرك تيار مستمر DC
مضخات الطاقة الشمسية التي تعمل بمحرك تيار مستمر, تحتاج فقط لوجود منظم جهد لتنظيم الجهد الخارج من الألواح mppt controller ليتماشي مع متطلباتها, وهذا النوع هو أكثر كفاءة وأقل أحتياجا لعمليات الصيانة, والدائرة الكهربية له ليست معقدة, ولكنه يظل ذو تكلفة أعلي من مضخات الطاقة الشمسية ذات التيار المتردد, كما انه ليس متوفر بكثرة في الأسواق, لذلك هذا النوع ليس منتشر كثيرا.
تستخدم هده المضخات في المشاريع الصغيرة والمتوسطة, في تطبيقات تصل قدرتها إلى حوالي 3 كيلووات, وهي مناسبة لتطبيقات مثل نافورة مياه في الحدائق، ومياه الشرب للماشية، أو مشاريع الري الصغيرة.
انواع مضخات المياه "الطلمبات"
تحدثنا منذ قليل عن انواع مضخات المياه بالطاقة الشمسية حسب نوع المحرك سواء كان يعمل بتيار مستمر أو متردد, ولكن الآن نحن نتحدث عن أنواع المضخات نفسها بشكل عام سواء مضخات الطاقة الشمسية أو غيرها, فجميعها في النهاية لها هدف واحد وهو رفع المياه الي خزان او الري أو للشرب.
المضخات ذات الازاحة الموجبة (Positive displacement)
أو ما يعرفه المعظم بالمضخات ذاتية التحضير, وأشهرها المضخات الترددية او الحلزونية, وهي ترفع المياه الي مستويات أعلي, أي أنها تولد ضغط أعلي ولكن السعة أو معدل السريان (flow rate ) يكون أقل من نظيرتها ذات الضغط الديناميكي (في حالة كانتا لهما نفس القدرة ) .
المضخات الديناميكية (Dynamic pumps) :
وهي مضخات غير ذاتية التحضير, وأشهرها مضخات الطرد المركزي, وهذا النوع منتشر كثيرا, وللعلم هو النوع المستخدم لرفع المياه في المنازل, وهي ترفع المياه بمعدل سريان عالي عن نظيرتها ذات الأزاحة الموجبة ( في حالة كانتا لهما نفس القدرة ), ولكن ترفع المياه الي ارتفاعات اقل, أي انها تولد ضغط أقل من نظيرتها ذات الازاحة الموجبة.
تقسيم مضخات الطاقة الشمسية حسب مكانها :
مضخات الطاقة الشمسية السطحية
مضخات الطاقة الشمسية السطحية, تكون مناسبة في حالة كانت تستخدم لرفع المياه من عمق لا يتعدي ال 7 امتار, وبكون مكانها علي مستوي الأرض, وتمتد منها ماسورة لرفع المياه من المكان المراد نزح الماء منه, وهي مناسبة في تطبيقات رفع المياه من الأنهار او الترع او نزح الماء من تانك .
مضخات الطاقة الشمسية الغاطسة
مضخات الطاقة الشمسية المغمورة, تستخدم لرفع المياه من أعماق كبيرة, كبئر ماء, وكالطاقة الشمسية للابار, وغيرها.., وهي تكون مغمورة في الماء نفسه, و معظم الانواع المتوفرة حاليا تكون متعددة المراحل, كما انها تأتي بها دوائر حماية خاصة, حتي تحمي نفسها من العمل في حالة جفاف الماء عنها, كي لا تتعرض للحمل الذائد أو التلف.
رابعا: الخزان والبطاريات
هل يكون توصيل بطاريات علي مضخات الطاقة الشمسية اذا أحتجت للمياه في فترات الليل ؟
الاجابة العلمية هي : بالطبع ممكن فأي دائرة كهربية يمكن توصيل نظام العمل بالبطاريات عليها, ولكن في حالة نظام الرفع والري بمضخات الطاقة الشمسية, سيكون الرد عليك بسؤال آخر .. ما هي فائدة البطاريات اصلا ؟ اليست فائدتها ادارة المضخات لتوفير المياه اثناء فترات غياب الشمس؟, خزان المياه أيضا سيؤمن لك أحتياجك من المياه اثناء قترات غياب الشمس, لذلك يمكن تكبير سعة مضخة الطاقة الشمسية قليلا ونظام الألواح الشمسية, حتي يتثني لمضخة الطاقة الشمسية توفير كل كمية المياه المتوقع استخدامها طوال اليوم خلال فترة سطوع الشمس فقط, والتي هي قرابة 5 ساعات يوميا, وتقوم مضخة الطاقة الشمسية برفع المياه في الخزان, ثم تستخدمها انت متي شأت ليلا او نهارا .
وطبعا لا مقارنة بين سعر الخزان وسعر البطاريات< والتي تحتاج الي صيانة وتغيير كل فترة لا تزيد عن 5 سنوات في افضل انواع البطاريات المتاحة في الأسواق.
خطوات تصميم انظمة مضخات الطاقة الشمسية
لكي تتمكن من اجراء التصميم الكامل لأنظمة مضحات الطاقة الشمسية لأعراض الري بالطاقة الشمسية أو رفع المياه أو الطاقة الشمسية للابار وغيرها, فقم بإتباع الخطوات التالية معي خطوة بخطوة.
اولا : حساب معدل استهلاك المياه لليوم الواحد
وهو معدل استهلاك المياه للأفراد والمواشي والمحاصيل لليوم الواحد حسب احتياجاتك ويمكنك حسابها بالجدول التالي :
| عدد واحد من الشيء | معدل استهلاكه للماء (لتر/اليوم الواحد) |
| الأنسان ( كافة استخداماته اليومية ) | 350 |
| البقرة الحلوب | 80 |
| الثور أو ذكر الجاموس | 70 |
| الدواجن | 0.4 |
| الحصان | 45 |
| الاشجار الصغيرة | 50 |
| الاشجار الكبيرة | 100 |
| المحاصيل الزراعية | حسب نوع المحصول والمساحة المزروعة ويمكن الحصول عليها من الجداول الخاصة بوزارة الزراعة. |
حساب معدل التدفق لمضخات الطاقة الشمسية water flow rate :
بعد أن أجريت حساباتك لتعرف معدل استخدامك اليومي من المياه باللتر, تأتي خطوة حساب معدل التدفق لمضخات الطاقة الشمسية, حتي تلبي أحتياجاتك اليومية, ونحن نعلم أن متوسط فترة سطوع الشمس يوميا هي خمسة ساعات فقط, ونحن خلال هذه الفترة نريد ان نؤمن كل هذا القدر من المياه المطلوب, فمثلا :
لو اننا بعد ان أجرينا الحسابات الخاصة لنحصل علي كمية المياه التي نحتاجها يوميا, وجدنا اننا نحتاج الي 10000 لتر من المياه يوميا, وبما أننا ذكرنا ان متوسط فترة سطوع الشمس يوميا في بلادنا العربية هو 5 ساعات تقريبا, نقوم بقسمة هذا الرقم علي 5 10000/5 = 2000 لتر/ساعة ... او ما يعادل 34 لتر/دقيقة .
قمنا بتحويلها الي وحدة لتر/دقيقة بقسمة الرقم علي 60 وذلك لأن معظم المضخات توصف معدل التدفق بوحدة لتر/دقيقة (L/min)
حساب ارتفاع الضغط الديناميكي TDH (Total Dynamic Head)
هي بأختصار حساب المسافة الرأسية التي نحتاج مضخة الطاقة الشمسية, أن نرفع المياه اليها, أي انها المسافة التي ستقوم مضخة الطاقة الشمسية برفع المياه اليها رأسيا, أي عكس الجاذبية الأرضية, وهي تعبر لنا عن الضغط المطلوب من المضخة توفيره لترفع المياه من عمق البئر الي أعلي نقطة في الخزان.
ويمكن حسابها عن طريق جمع الثلاث قيم الآتية :
- المسافة الرأسية بالمتر من سطح الأرض الي منسوب الماء في البئر او النهر او الترعة ( اي عمق المياه عن سطح الأرض )
- المسافة الرئسية بالمتر من سطج الأرض الي أعلي نقطة في الخزان
- قيمة الفقد بالأحتكاك داخل المواسير ( وهي قيمة تحسب أيضا بالمتر ويمكن الحصول عليها من خلال جداول معينة معتمدة علي قطر المواسير وطولها وشكل الوصلات الموجودة في الخط ), ولتبسيط الأمر بأعتبار انك تجري حسابات مبدأية للموضوع, يمكنك حساب هذه القيمة علي انها تعادل 7% من مجموع القيمتين السابقتين
مثلا: لو أن عمق المياه 100 متر عن سطح الأرض والمسافة من سطح الأرض لأعلي قمة في الخزان 7 متر فيكون الفقد بالأحتكاك تقريبا = 107*7 /100 = 7.49 متر..... تقريبا 7.5 متر
فيصبح ارتفاع الضغط الديناميكي TDH = مجموع هذه القيم الثلاثة ويكون بالمتر = 100+7+7.5 = 114.5 متر
أختيار مضخة الطاقة الشمسية المناسبة pump sellection
يمكننا مبدأيا حساب قدرة مضخة الطاقة الشمسية المطلوبة بضرب القيم التالية:
معدل السريان الذي قمنا بحسابه بوحدة (لتر/الدقيقة) * ارتفاع الضغط الديناميكي الذ حسبناه بالمتر * 0.0001635 = قدرة المضحة بالكيلو وات.
في الحالة التي افترضناها مثلا, ستكون المعادلة كالتالي : قدرة المضخة = 34 * 114.5 * 0.0001635 = 0.6365 كيلو وات ( ما يعادل تقريبا 1 حصان )
1 حصان يكافيء 0.745 كيلو وات
ولكن ما نود التنويه عنه, هو أنك لا يجب ان تعتقد انك بمجرد ان علمت قدرة مضحة الطاقة الشمسية الكهربية, ستذهب لشراء مضخة واحد حصان بهذه البساطة, فأنت قد تشتري مضخة قدرتها واحد حصان فعلا, ولكنها قد تكون صممت كي تعمل تحت ضغط أقل من المناسب لحالتك, أو انها قد توفر كمية تدفق أقل من المناسبة لحالتك, لذلك يجب ان تعلم أن اختيار المضخة يتم بمعرفة كل من معدل التدفق, وارتفاع الضغط الديناميكي, وذلك عن طريق الدخول الي خرائط التصميم الخاصة بالشركة المصنعة للمضخة, ليتثني لك أختيار المضخة المناسبة لك تماما, والتي تلبي أحتياجاتك بناء علي حالتك الخاصة, وأنصحك باللجوء الي مهندس "خاصة مهندس ميكانيكا قوي" ليساعدك في هذا الأمر.
تحديد قدرة الواح الطاقة الشمسية المناسبة
في الحقيقة فان معرفة قدرة مضخات الطاقة الشمسية, لم يكن بشكل اساسي لأختيار المضخة نفسها, فاختيار طلمبات الطاقة الشمسية, يكون بناء علي معدل التدفق وارتفاع الضغط الديناميكي .
ولكن كان تحديد قدرة المضخة, لمعرفة حجم مصفوفة الواح الطاقة الشمسية المناسبة لتوفير الكهرباء اللازمة لأدارة مضخة الطاقة الشمسية الخاصة بك.
ففي المثال السابق مثلا توصلنا انك ستحتاج الي مضخة طلقة شمسية, قدرتها الكلية 0.636 كيلو وات
اذن انت ستحتاج الي كمية الواح شمسية توفر لك هذا القدر من الكهرباء ونضيف اليها معامل امان نظرا لوجود فواقد في الأنفرتر وغيره من مكونات الدائرة الكهربية وايضا احتياطا لتقلبات ظروف الجو فنقوم بضرب هذه القيمة في 1.5
هذا يعني اننا مثلا في حالتنا هذه سنحتاج الي مصفوفة الواح طاقة شمسية تؤمن قدرة كهربية = 0.636 *1.5= 0.954 كيلو وات
أي اننا سنحتاج مصفوفة الواح بقدرة واحد كيلو وات ( وهذا عادة سيكون عبارة عن اربع الواح قدرة الواحد منها 250 وات )
نرجو أن يضع هذا الموضوع قدم من يريد ان يبدأ في تركيب نظام مضخات الطاقة الشمسية سواء لأغراض الري بالطاقة الشمسية, أو الطاقة الشمسية للابار, او تركيب طلمبات المياه بالطاقة الشمسية, على الطريق الصحيح, لمعرفة ما يلزمه, وما يحتاجه, وكيف يبدأ التفكير في الأمر, وأعلم ان هناك الكثير من التفاصيل التي لم نذكرها وسنحاول تفصيل هذه الأمور معا في التعليقات وفي مواضيع أخري.
في حالة اعجبك الموضوع, لا تنسي مشاركته مع اصدقاءك عبر احد الوسائل الموضحة أسفل المقال لتعم الفائدة, وأعاننا الله وإياكم علي نشر العلم النافع.