طلمبات الطاقة الشمسية

1- تعمل طلمبات الطاقة الشمسية على الكهرباء التي تولدها الألواح الضوئية المنبعثة من أشعة الشمس بدلا من كهرباء الشبكة القومية أو الديزل.

2- تستخدم أنظمة ضخ المياه بالطاقة الشمسية للري ومياه الشرب في الهند في الغالبية العظمى من المزارع الصغيرة التي تحتاج الي طلمبات قدرتها اقل من 3000 وات

3- قد أظهرت السوق المصرية طلب كبير على هذه المنظومة الأقتصادية و التي لأ تحتاج الي اي بطاريات تخزين. و يمثل المضخات الشمسية اكثر من 80% من حجم الأعمال في المحال الذي يتم تنفيده بواسطة القطاع الخاص في مصر

4- ظهرت في ا التطبيق العملي للطاقة الشمسية عيوب في بعض المشاريع المنفذة في مصر نتيجة عدم مراعاة اسس التصميم و التنفيذ السليم مما يؤدي الي عدم كفاية كمية الماء التي يتم ضخها للأحتياحات الزراعية, و مشاكل متنوعة في المنظومة. فيتصور البعض ان العيب في الطاقة الشمسية و لكن الحقيقة ان العيب في التصميم و التنفيذ السيء

[xyz-ips snippet=”pump4″]

التطبيقات العملية

تستخدم طلمبات الطاقة الشمسية في ثلاث تطبيقات أساسية :

1- توصيل مياه الشرب للقري النائية: هنا يكون الطلب على الماء ثابتاً على مدار السنة.
في الأيام الغائمة التـي يكـون فيهـا الإشعاع الشمسي منخفض تكون هناك حاجة لتخزين الماء.
المناطق التي تتميز بفصول ممطـرة يعوض ماء المطر الانخفاض الناتج في عمل المضخة .

2- توفير مصدر شرب مياه نظيفة للمواشي في المناطق التي لا تصلها شبكة مياه الشرب

3- الري للأراضي الزارعية.

هناك نظامين لتشغيل انظمة الري بالطاقة الفوتوضوئية

تستخدم طلمبات الطاقة الشمسية في المشاريع الصغيرة بقدرات تصل إلى حوالي 3  كيلوواط.
هي مناسبة لتطبيقات مثل نوافير الحدائق، ومياه الشرب للماشية، أو مشاريع الري الصغيرة.
يوجد سلسلة من الأنظمة تغطي أعماق تصل الي 150 متر ومعدلات ضخ للمياه حتي 10 متر مكعب في الساعة.
يتم تحديد قدرة النظام عن طريق تحديد عمق البئر وكمية المياه المنتجة في اليوم.
ويعمل هذا النظام بطريقة تلقائية سهلة جدا من وقت شروق الشمس وحتي غروبها دون الحاجة الي بطاريات تخزين للطاقة.
يتكون النظام من اربع أجزاء:

• • الألواح
  • وحدة التحكم و تتكون من منظم للتيار الكهربائي وأجهزة الاستشعار لمنسوب المياه و الملحقات الأخرى
    والغرض من وحدة التحكم ذو شقين:
    اولأ: مطابقة الطاقة التي تحصل علىها مضخة مع  الطاقة المتاحة من الألواح.
    ثانيا: حماية المصخة من الجهد المنخفض، حيث يتم ايقاف نظام خروج الكهرباء  إذا كان الجهد منخفض جدا أو مرتفعة جدا لمدى جهد التشغيل المضخة.
    هذا يزيد من عمر المضخة وبالتالي تقليل الحاجة إلى الصيانة.
  • طلمبة غاطسة تيار مستمر DC
    تميل هذه الطلمبات إلى أن تكون مستويات الكفاءة الكلية بها أعلى من الطلمبات AC ذات الحجم المماثل.
    و بذلك يتم تخفيض تكاليف الألوح المستخدمة في المشروع.
  • خزان المياه
    الطريقة العامة لتحديد حجم الخزا ن هو أن يكون على الأقل يكفي لمدة ثلاثة أيـام استخدام
    في نظم مياه الشرب الصغيرة حتي سعة 50 متر مكعب يتم استخدام خزانات الPVC العادية وتوضع فوق اسطح اي مبني قائم او يتم عمل هيكل معدني لرفعها فوق سطح الأرض بارتفاع مناسب للأستفادة من الجاذبية في الضخ بالمواسير.

1. 1. • الألواح
        تشكل معظم تكلفة النظام (حوالي 80٪). و يعتمد حجم الالوح بشكل مباشر على حجم المضخة وكمية المياه المطلوبة (متر مكعب / يوم) والإشعاع الشمسي المتاح في مكان الموقع .
      • عاكس المضخة Solar pump Inverter
        يتم تركيبه لتحويل التيار المباشر القادم من الألواح إلى تيار متردد للطلمبة.
        القدرات المتاحة للمحولات تبداء من 1 حتي 300 كيلو وات وذلك يغطي معدلات تدفق للمياه تصل الي 450 متر مكعب في الساعة.
      • مضخات التيار المتردد و يجب ان يتم اختيارها من جداول المضخات الخاصة بالمنتجين علي ان يكون اخيتار المضخة في نقطة مثالية في منحي الكفائة طبقا لأجمالي عمق الغاطس
        و لأن الكهرباء القادمة من الطاقة الفوتوضوئية هي كهرباء متفاوتة الشدة علي مدار اليوم, فان اختار مضخة من الجداول تعمل بكفائة اقل من 70% , سوف يؤدي الي قصر ساعات عملها و ضعف اتجاجيتها
        من الأخطاء الفادحة و المنتشرة لدي الكثير من المبتدئين في مجال الطاقة المتجددة هو اختيار مضخات من الأطراف الضعيفة لمنحنيات الكفائة.
        

        في الصورة السابقة منحني كفائة مضخات احد المصنعين.
        مثال: ارتفاع الضخ الديناميكي = 50 متر.
        يجب من المنحنيات اختيار مضخة تقع في منتصف المنطقة الزاقاء و هي المصخة رقم 6 بقدرة 15 حصان
        و يمكن علي اسواء تقدير اختيار المضخة رقم 5 بقدرة 12.5 حصان التي سوف تعمل بكفائة 75%
        اما اذا تم اختيار المضخة رقم 4 ذو قدرة 10 حصان و التي تقع في نقطة سيئة جدا بالمنحني عند ارتفاع ضخ 50 متر و كفائة 50% فقط، فسوف يؤدي هذا الأختيار السيء الي كفائة ضعيفة للنظام الشمسي و معدلات ضخ مياه متدنية جدا ولعدد ساعات قليلة.

      • الخزان الأرضي

        
        

        في نظم مياه الشرب و الأراضي الزراعية الكبيرة يجب عمل خزان ارضي و هذا الخزان الذي قد يصل سعته الي 2000 متر مكعب او اكثر و يجب ان تتوافر فيه الشروط الأتية:
        يمكن عزل الأرضية و الجوانب لمنع تسرب المياه باستخدام الغشاء الثقيل Membranes بسمك 1.0مم، توضع هذه الطبقة على أرضية وجوانب القنوات وتدفن نهاياتها بالتراب.
        صب الأرضية و الجوانب بالخرسانة العادية. وتنفذ عملية الصب على هيئة مسطحات لا تزيد أبعادها عن 5 × 5 متر للحد من التشققات نتيجة التمدد والانكماش. وسمك الخرسانة عادة يتراوح بين 7.5 و 10 سم.
        و هذه أقوى طريقة لتبطين الخزانات ، لأنها تساعد علي تدفق الماء بسرعات عالية، علاوة على أنها تمنع نمو الأعشاب و تدوم لفترات طويلة قد تصل إلى 40 سنة أو أكثر.
        الجوانب مائلة بزاوية لأ تزيد عن 45 درجة
        عمق الخزان يجب ان لأ يقل عن 2 متر للتقليل من فاقد تبخر المياه نتيجة سطوع الشمس

ضغط المياه في شبكات الري و مياه الشرب

1- الضغط بالجاذبية: في المشاريع الصغيرة يتم وضع خزان علوي فوق سطح مبني او في منسوب عالي في الأرض للاستفادة من الجاذبيـة و الأستغناء عن مضخة ضغط المياه .

• • يتم تقسيم المساحة الكلية الي اجزاء (حوشة) بحيث يتراوح مساحة كل جزء بين 4 ال 8 فدان.
  • حساب قيمة فاقد الأحتكاك في الشبكة و اضافة هذه القيمة الي الأرتفاع الديناميكي الكلي للحصول علي قدرة المضخة المطلوبة:
    مثال : ارتفاع المياه في البئر = 50 متر
    فاقد الأحتكاك في شبكة التنقيط = 20 متر
    ارتقاع الضغط الديناميكي = 50+20 = 70 متر

في المشاريع الكبيرة التي تستخدم نظام الري بالغمر , يتم عمل الخزان علي هيئة قناة ري ( ترعة) طولية Tube Well بطول الأرض.
تكون هذه الترعة مرفوعة بمقدار كافي عن سطح الأرض الزاعية حتي يتم الري بالجاذبية دون الحاجة الي مضخات لرفع المياه
فمثلأ لو ارض مساحة 50 فدان بطول 500 متر و عرض420 متر و مطلوب عمل خزان سعة 2100 متر مكعب
يكون ابعاد الخزان = 300 متر طول * 3.5 متر عرض متوسط * 2 متر عمق.

الصورة المرفقة توضح فكرة مبتكرة تم تنفيذها بواسطة شركاء النصر في الصين CNBM Engineering
حيث تم وضع الألواح فوق قناة تخزين المياه لتحقيق هدفين:

• • خلق مظلة فوق قناة الري لتقليل من فاقد تبخر المياه نتيجة تعرض القناة لأشعة الشمس المباشرة
  • التوفير في مساحة الأرض حيث لأ يتم اهدار ارض لتخصيصها كمساحة لتركيب الألواح

مزايا تنفيذ مضخة تعمل بالطاقة الشمسية

1- تمتاز الطاقة الشمسية باستمرارية توافرها بصورة منتظمة.
علي عكس طاقة الرياح الغير منتظمة فيصعب الأعتماد عليها لتوليد الطاقة للنظم المنفصلة عن الشبكة دون وجود مصدر بديل

2- توفير الماء للوديان والمنازل البعيدة عن العمران و شبكة الكهرباء العمومية.

3- تستخدم الشمس كمصدر للطاقة بدل من الوقود مما يقلل من مصاريف التشغيل

4- طلمبات الطاقة الشمسية تعمل تلقائيا بعد شروق الشمس, أو علي حسب برنامج تشغيل وحدة التحكم دون الحاجة للمتابعة البشرية مما يقلل من تكاليف التشغيل

5- سهولة التركيب بدون الحاجة لتمديد كابلات للربط بشبكة الكهرباء العامة

6- الطاقة الشمسية نظيفة و لأ تسبب تلوث للمياه الجوفية أو الهواء كما في المضخات التي تعمل بالوقود .

عيوب المضخة الشمسية

1- التكلفة الأولية للنظام مرتفعة

2- معدل تدفق المياه من طلمبات الطاقة الشمسية يقل بنسبة تصل الي 30% خلال الشتاء لأن الخلايا تنتج كميات أقل من الطاقة.
بشكل عام في نظم الري هناك توافق بين ازدياد الإشعاع الشمسي في الصيف و ازدياد الطلب على الماء.
اما في نظم ضخ مياه الشرب فالطلب علي المياه ثابت علي مدار العام و لذلك يتم التصميم علي اساس انتاجية النظام الشمسي خلال الشتاء, مع وجود فائض غير مستغل صيفآ

3- يجب اخلاء موقع النظام الشمسي من اي اشجار او مباني مرتفعة او عوائق قد تتسبب في وجود ظلال تقلل من انتاجية الألواح.
و قد ينتج عن ذلك عدم الأستغلال الامثل لكل مساحة الموقع

4- طلمبات التيار المستمر DC صيانتها صعبة تتطلب خبرات فنية خاصة في هذا المجال.
علي عكس الطلمبات التقليدية التي تتمتع بانتشار واسع للخبرات و قطع الغيار .

خطوات تصميم طلمبات الطاقة الشمسية بطريقة يدوية

لتحديد حجم نظام ضخ المياه يتم اتباع الخطوات الأتية:

2- ارتفاع الضخ الديناميكي TDH: حساب قيمة المسافات الرأسية والأفقية التـي سـيتم ضخ الماء إليها .
هذه القيمة هي مجموع 3 ارقام.
Total Dynamic Head = Pumping Level + Vertical Rise + Friction Loss

• ارتفاع البئر و يقاس اعتباراً من سطح الأرض بجانب البئر إلى أدنـى مسـتوى يمكن أن يصل إليه سطح الماء في البئر
• ارتفاع الخزان و يقاس من سطح الأرض بجانب البئر إلى أعلى نقطة في الخزان
• فاقد الاحتكاك في الأنابيب, و هي مقاومة السطح الداخلي لماسورة البئر.
  يقدر فاقد الاحتكاك بهبوط الضغط الذي يكافأ بارتفاع و تحدد قيمته بمعرفة قطر الماسورة الداخلية للبئر.
  بشكل عـام فـإن الماسورة ذو القطر الأصغر و قيمة الضخ الأعلى يعطي مقاومة أعلى.
  في معظم الحالات يمكن تبسيط وحساب فقدان الاحتكاك .
  إذا كان خزان النظام يقع بالقرب من البئر 10 متر أو أقل ، و يتم استخدام حجم المواسير الموصى بها، هناك قاعدة بسيطة ممكن استخدامها.

فقدان الاحتكاك يمكن تقدر ب 5 ٪ من مجموع الأرتفاع LIFT العمودي.
و في الحالات التي يقع الخزان بعيدا عن البئر ،يجب استخدام المعادلة الأتية:

فاقد الأحتكاك = (طول الماسورة بالمتر * 10.67 * (سرعة التدفق متر /ثانية)^1.852) / (140^1.852) *(قطر الماسورة بالمنر^4.8704)
مثال:
ماسورة طولها 50 متر
قطرها =2 بوصة (0.058 متر)
معدل تدفق المياه = 15 متر مكعب / ساعة = 0.00416 متر3/ ثانية

فاقد الأحتكاك = (50 * 10.67* 0.00416^1.852 )/ (140^1.852) * 0.058^4.8704
= 0.0208 / 0.00895 = 2.35 متر

يتم حساب قدرة الطلمبات المطلوبة طبقا للمعادلة الأتية: القدرة بالكيلو وات = 0.002725 * ارتفاع الضخ الديناميكي بالمتر * معدل تدقف المياه بالمتر المكعب / كفائة المضخة
مثال:
كمية المياه المطلوبة في اليوم = 20 متر مكعب
عمق البئر 110 متر
ارتفاع الخزان 7 متر
يتم استهداف مضخة بكفائة قي حدود 60% عندما يكون الحمل 60% (اي عندما تكون الطاقة المتوفرة للمضخة و سرعة دواران الموتور 60% فقط من القيمة القصوي) و يتم وضع هذه القيمة (60%) في معادلة حساب القدرة
و مع المعلوم ان توليد الطاقة الشمسية متغيرة اثناء النهار, و بالتالي سرعة دوران موتور المضخة و كفائتها ليست قيمة ثابتة , بل تتغير اثناء النهار و ذلك علي عكس نفس المضخات عندما تعمل علي الكهرباء العادية التي تتوفر لها كمية ثابتة من الطاقة اثناء عملها. و بالتالي من الخطاء الشائع في النظم الشمسية عمل التصميم علي اساس كفائة المضخة عند الFull Load و استخدام القيمة المكتوبة في كتالوج المضخة دون الأخذ في الأعتبار هذا المتغير
في حال استخدام مضخة Lorentz الألمانية أو Grundfos الدنماركية التي تعمل علي التيار المستمر DC يمكن وضع كفائة المضخة في حدود ال90%, لأنها تعمل فعلا بكفائة 90% عند توافر 50% فقط من الطاقة و دواران الموتور ب50% من سرعته القصوي
المنحني الأتي يوضح كفائة مضخة Lorentz باللون الأحمر بالمقارنة مع النوعيات الأخري الغير مخصصة للطاقة الشمسية

ومن المعلوم ان مضخة Lorentz و Grundfos تقوم بضخ كمية مياه تفوق الأنواع الأخري بنسبة تصل الي 40% لنفس قدرة الألواح الشمسية كما في المنحني و جداول الشركة ذلك لأنها تعمل بكفائة عالية 90% اثناء الشروق و الغروب عندما تكون اشعة الشمس ضعيقة و سرعة دواران الموتور 50% من قدرته, و لكن تبقي استخدامها محدود في مصر نتيجة ارتفاع اسعارها.
و لكن في الحقيقة علي المصمم الأخز في الأعتبار هذا التفوق في الأداء عند عمل دراسة جدوي المشروع حيث يمكنه توقير 30% من قدرة المحطة الشمسية باستخدام هذه النوعيات من المضخات.
الحسابات:
ارتفاع الضخ الديناميكي= 1.05*(110+7)=122.85 متر
معدل تدقف المياه بالمتر المكعب في الساعة = 20 / 5 = 4 متر مكعب/ ساعة
قدرة الطلمبة = 0.002725* 122.85*4 /0.6(الكفائة)= 2,23 كيلو وات
و من المعروف ان الحصان = 745 وات
و بالتالي حجم الطلمبة = 2.23/0.745 = 3 حصان