Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp
Share on pinterest

تعريف :

ضخ المياه بالطاقة الشمسية: يتكون نظام المضخة الشمسية من مضخة هيدروليكية تغذيها مباشرة الألواح الشمسية الكهروضوئية ، بدلا من تزويدها بالكهرباء التقليدية أو الغز و الديزل. 

أنظمة ضخ المياه بالطاقة الشمسية

     نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية

 

مع التزايد السكاني والتطور الحاصل في العالم زاد الطلب على المياه لأغراض كثيرة أهمها توفير مياه الشرب وري الأراضي الزراعية. ومع تزايد الطلب على المياه العذبة سواء كانت من الآبار الجوفية أو الأنهار تم الاستعانة بمضخات المياه التي تعمل بالوقود الأحفوري للحصول على كميات كافية، ولكن مضخات المياه بالوقود الأحفوري أصبحت تشكل عبئا بيئيا وماديا بسبب ارتفاع أسعار النفط وانقطاعه من الأسواق لأسباب اقتصادية وسياسية. تمثل مضخات المياه بالطاقة الشمسية أحد أنجح البدائل عن أنظمة الضخ بالوقود الأحفوري لعدة أسباب أهمها أنها نظيفة بيئيا ولا تتطلب تكاليف تشغيلية ولا صيانة فنية دورية.

 

      تطبيقات مضخات المياه  بالطاقة الشمسية

 

  •       للاستخدامات المحدودة:

 لضخ المياه اللازمة في الاستخدامات المنزلية (مياه الشرب) على الصعيد الشخصي أو المجتمعي الصغير.

 

 لري المزروعات وسقاية المواشي.

 

  •         برك السباحة وأحواض المياه.

     مكونات نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية

 

      مضخة المياه:

 

 بالنسبة للتشغيل الكهربائي تنقسم إلى فئتين فئة تدار بالتيار الكهربائي المتردد والأخرى بالتيار المستمر، وتشمل المضخات أسلاك التوصيل وأنابيب ضخ المياه. وتوجد منها عدة أنواع:

‌أ.        مضخات المياه العائمة (سطحية): 

وتعتبر مثالية في عمليات الري وسهلة التركيب والاستخدام وقابلة للنقل.

‌ب.     مضخات المياه الغاطسة:

 تعتبر النوع الشائع والأكثر انتشارا في ضخ المياه لسهولة التركيب ومرونة أنابيبها ومغمورة معزولة عن أية أضرار قد تسبب تحطمها وتتوفر بعدة منصات وتتميز بقدرة كهربائية قليلة في تشغيلها.

‌ج.      مضخات المياه الغاطسة ذات المحرك السطحي:

 تعتبر الأقدم في الاستخدام نظرا لسهولة صيانة شفرات المضخة ولكن قدرتها التشغيلية عالية وكلفة التركيب مرتفعة لذلك يفضل النوع السابق في الاستخدام.

‌د.       مضخات المياه الارتوازية:

 تتناسب مع الارتفاعات العالية للضخ والتدفقات المنخفضة لها. ويشترط أن تكون ثقيلة ومتينة لتحقق توازنها وضمان كفاءتها إثناء عملية الضخ بالإضافة إلى أجهزة تحكم كهربائية عالية الدقة وذات مواصفات فنية محددة.

‌ه.     مضخات المياه ذات الامتصاص السطحي: 

تحتاج إلى مراقبة فنية دائمة ولا تصلح إلا لارتفاع أقل من 8 أمتار فقط لذلك تعتبر من النوع الغير محبذ في الاستخدام.

 

      العاكس (الإنفرتر):

 

 في حالة مضخات التيار المتردد يكون مزودا بمتتبع القدرة القصوى للألواح الشمسية (MPPT)، بينما في حالة مضخات التيار المستمر يوجد المتتبع مستقلا.

 

   مصفوفة الألواح الشمسية اللازمة لتشغيل مضخة المياه

بالطاقة الشمسية

.

   خزان المياه.

 

      عناصر توازن نظام

ضخ المياه بالطاقة الشمسية

:

 

 وتشمل العناصر والقطع الكهربائية التي تحافظ على كفاءة النظام والمحافظة على مكوناته من أي خلل كهربائي، وتكون معظمها مرتبطة بالعاكس أو المتتبع ومن أهمها:

‌أ.        الحساسات الكهربائية مثل حساس مستوى المياه بالبئر وحساس مستوى المياه بالخزان.

‌ب.     القواطع والمفاتيح الكهربائية.

‌ج.      صندوق تجميع الألواح في حالة المنظومات الكبيرة.

شكل (6 – 1): المكونات الأساسية لمضخة مياه تعمل بالطاقة الشمسية

 

نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية

 

     مميزات وعيوب مضخات المياه بالطاقة الشمسية مقارنة بمضخات الديزل

 

جدول (6 – 1): مميزات وعيوب مضخات المياه بالطاقة الشمسية مقارنة بمضخات الديزل

الصفة المميزة

مضخات الديزل

مضخات الطاقة

 الشمسية

مساحة التركيب

تتطلب مساحة صغيرة

تتطلب مساحة 

كبيرة ومفتوحة

الكلفة التأسيسية

كلفة منخفضة

كلفة مرتفعة

الكلفة التشغيلية

كلفة مرتفعة

لا تتطلب كلفة تشغيلية

وقت التشغيل

تشغيل متاح في

 جميع الأوقات

تشغيل محدود

 بساعات سطوع الشمس

خبرة التركيب

تركيبها بسيط نوعا ما

تحتاج خبرات 

فنية خاصة

خبرة التشغيل

تحتاج متابعة

 طوال الوقت

لا تحتاج 

مراقبة دائمة

التأثير البيئي

ضارة على

 البيئة والصحة

نظيفة بيئيا

العمر الحياتي

تقل كفاءتها مع 

الزمن وعمرها قصير

كفاءة مستدامة 

وعمرها طويل

الصيانة

تحتاج صيانة

 وتغيير قطع دوريا

نادرا ما

 تتطلب صيانة

الكلفة التراكمية

مكلفة على المدى 

الزمني الطويل

الكلفة على المتوسط

 الزمني البعيد قليلة

 

     تحجيم أنظمة ضخ المياه بالطاقة الشمسية

 

قبل تركيب المضخة الشمسية يتطلب القيام بخطوات عملية تعرف بما يسمى “تحجيم النظام الشمسي لمضخة المياه” ويشمل الخطوات الفنية التالية:

      حساب قدرة المضخة:

 

 ويتم حساب قدرة المضخة بثلاث معاملات رئيسية

‌أ.        كمية المياه في الساعة:

 ويجب الأخذ في الاعتبار عند حساب كمية الماء المتدفقة من الآبار الجوفية وكذلك عند الحفر على العوامل التالية:

–        كمية المياه المطلوبة في اليوم: بالنسبة للمناطق الريفية فاحتياجاتها من المياه تفوق احتياجات المناطق الحضرية (بسبب الاحتياج لري المزروعات وسقاية المواشي)، حيث أن احتياجات الشخص للمياه Water per capita في المناطق الريفية والنائية للاستخدامات المنزلية يمكن تلخصيها كما في الجدول (6 – 2).

جدول (6 – 2): حساب تقريبي للاستهلاك اليومي للفرد من المياه، علما بأن متوسط استهلاك الفرد اليمني للمياه في اليوم يساوي 62 لتر/يوم

الغرض من الاستخدام

كمية المياه 

لتر / يوم (L/day)

للشرب

06

للطبخ

04

للاستحمام

10

صرف صحي

15

غسيل الملابس

10

غسيل الأواني

10

أغراض أخرى

05

الإجمالي

60

 

–        عمق الماء الساكن.

–        اختلافات العمق الموسمية.

–        معدل تدفق تعويض نسبة المياه من سيول الأمطار الموسمية أو من مصادر أخرى.

–        نوعية المياه (مالح أو عذب، مختلط بمواد طينية أو رملية).

‌ب.     الارتفاع الديناميكي الكلي (TDH):

 ويشمل ارتفاع البئر مع المسافة العمودية حتى سطح الخزان، والعمق الإضافي الناتج من فواقد الاحتكاك، بالإضافة إلى نصف قطر الأنابيب المثالي.

‌ج.    كفاءة المضخة:

 بحسب المعادلة:

 

كفاءة المضخة  بالطاقة الشمسية

 

حيث: (Q) كمية المياه (m3/sec)، (Pump Eff.) كفاءة المضخة، (g,r) ثوابت معطاة بالجدول (6 – 3).

جدول (6 – 3): الثوابت الفيزيائية

كثافة الماء

عجلة الجاذبية الأرضية

r(kg/m3)

g (m2/sec)

1000

9.81

 

(HT) ارتفاع النظام الرئيسي: ويحسب من المعادلة:

 

كفاءة المضخة  بالطاقة الشمسية

 

حيث:

HS = L (ارتفاع الماء الساكن) + D (المسافة الرأسية من سطح البئر حتى الخزان).

(HD) ارتفاع النظام الديناميكي: يتطلب حساب (d) قطر الأنبوب الملائم لضخ المياه وتقاس بوحدة البوصة (inch)، ويعطى قطر الأنبوب الملائم بتطبيق المعادلة:

ويمكن حساب ارتفاع النظام الديناميكي من خلال المعادلة:

HD= معامل فقد أنبوب الضخ لكل 100 قدم + معامل الفقد أنبوب التوزيع من البئر إلى الخزان لكل 100 قدم.

عوامل الفقد للأنابيب تعرف علميا بعوامل فقد الاحتكاك وتعطى بجداول توفرها الشركات المصنعة وكمثال لهذه الجداول الشكل (6 – 2) يوضح جدول معامل الفقد للأنابيب البلاستيكية وبأقطار داخلية معينة (size in) مقابل معدل ضخ الماء بوحدة الجالون/دقيقة (gpm).

شكل (6 – 2): معامل الفقد (Psi loss) لأنابيب البلاستيك مقابل كمية ضخ الماء (Flow gpm)

 

 مضخات المياه الشمسية

 

      قدرة العاكس (الإنفرتر):

 

 لحالة مضخات التيار المتردد، والمتتبع لمضخات التيار المستمر، وغالبا تساوي قدرة المضخة أو أعلى منها.

 

      القدرة الكلية لمصفوفة الألواح الشمسية:

 

 يتم حساب القدرة الكلية للألواح الشمسية اللازمة لتشغيل المضخة بناء على قدرة المضخة بعد الأخذ في الاعتبار ما يلي:

‌أ.        أقل متوسط ساعي للإشعاع الشمسي (5.5 ساعات في فصل الشتاء في الجمهورية اليمنية).

‌ب.     معامل الأداء القياسي للمنظومة (Performance Test Conditions) وتشتمل الشروط المعيارية لأداء الألواح الشمسية ومعاملات الفقد في الأسلاك وكفاءة التحويل للعاكس.

‌ج.      حالات الطقس في جميع فصول السنة (ممطر، غائم).

‌د.       مساحة خزان المياه ويتعلق بالكمية المطلوبة في اليوم مع سعة إضافية في حالة الأيام الغائمة أو الممطرة.

 

مثال عملي لتحجيم مضخات المياه بالطاقة الشمسية:

 

لدينا مزرعة محلية تحتاج إلى ضخ مياه مصدرها بئر جوفية إلى خزان يبعد عن البئر بمسافة 340 قدم (104 م) عن البئر بأنبوب قطره 1 ¼” وبكمية يومية تعادل 3000 جالون/يوم (11.4 م3/ يوم) علما بأن المواصفات التقنية للبئر الجوفية كالتالي:

  •         المسافة الرأسية بين سطح البئر وسطح الخزان D = 71 قدم (21.6 م).
  •         ارتفاع عمود الماء الساكن L = 35 قدم (10.7 م).
  •         طول الأنابيب يساوي 170 قدم (51.8 م).

أحسب التالي:

  •         قطر أنبوب الضخ من البئر الملائم (d).
  •         الارتفاع الديناميكي الكلي (HT).
  •         قدرة المضخة اللازمة لضخ المياه من البئر إلى الخزان (P) علما بأن كفاءة المضخة يجب أن لا تقل عن 90%.
  •         قدرة الألواح الشمسية اللازمة لتوفير هذه الكمية من المياه علما بأن المضخة تدار بالتيار المستمر مباشرة.

الحل:

 

·         قطر أنبوب الضخ من البئر الملائم (d):

قبل حساب قطر الأنبوب يجب حساب كمية الماء المطلوبة في الساعة بالمعادلة التالية:

كمية الماء [جالون/دقيقة/ يوم] (م3/ساعة) = كمية الماء [جالون/دقيقة/يوم] (م3/ يوم) ÷ المتوسط الساعي لسطوع الشمس.

كمية الماء (م3/ساعة) = 3000 (11.4) ÷ 5.5 ساعة = 9 جالون/دقيقة = 2.07 م3/ساعة.

وعليه فإن قطر الأنبوب الملائم هو 1 بوصة (1”).

 

على الرغم من أن القيمة الأقرب لقطر أنبوب المضخة هي ¾” إلا أنها عمليا غير مناسبة لان سرعة المياه في الأنبوب مرتفعة كما هو موضح بالجزء المظلل باللون الرمادي في الشكل (6 – 2) لذلك تم التقريب إلى 1 بوصة (1”).

·         الارتفاع الديناميكي الكلي (HT):

الارتفاع الديناميكي (HD) يساوي ومن خلال الجدول الموضح بالشكل (5 – 2) يحسب بالمتغيرين التاليين:

  1.     معامل الفقد لأنبوب المضخة عند ضخ بمقدار (10 gpm) جالون/دقيقة ولأنبوب قطره 1” = 2.4 × 1.7 (طول الأنابيب/100 قدم) = 4.08 قدم = 1.24 م.
  2.     معامل الفقد لأنبوب نقل الماء بكمية (10 gpm) جالون/دقيقة وقطره 1 ¼” من سطح البئر إلى الخزان = 0.63 × 3.4(طول الأنابيب/100 قدم) = 2.14 قدم = 0.62 م.

الارتفاع الديناميكي (HD) = 1.24 + 0.62 = 1.86 م.

الارتفاع الديناميكي الكلي (HT) قدم = 71.00 + 35.00 + 4.08 + 2.14 = 112.22 قدم.

الارتفاع الديناميكي الكلي (HT) متر= 21.60 + 10.70 + 1.86 = 34.16 م.

 

·         قدرة المضخة:

قدرة المضخة تحسب من المعادلة تساوي 226 وات:

 

·         قدرة الألواح الشمسية

 

قدرة الألواح الشمسة اللازمة لتشغيل المضخة مباشرة (DC) = قدرة المضخة/0.8 (تأثير درجة الحرارة) = 282 وات = لوح واحد قدرته 290 وات.

لكن هذه الحسابات تقريبية ولازالت تخضع لمعايير المضخات المتوفرة بالسوق ويمكن تحديد المضخة المناسبة من خلال منحنيات بيانية خاصة توفرها الشركات المنتجة للمضخات وتعرف بـمنحنيات الأداء (Performance Curve) حيث أن المضخة (11 SQF-2 Grundfos) تمثل الخيار المثالي لضخ كمية المياه المطلوبة في المثال كما هو واضح في منحنى الأداء الموضح بالشكل (6 – 3).

 

نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية

 

شكل (6 – 3): منحنى الأداء لمضخة (11 SQF-2) الملائمة لضخ كمية المياه المحددة في المثال بـ 9 جالون/دقيقة بارتفاع ديناميكي 112 قدم، بقدرة تشغيلية تساوي 375وات (0.5 حصان hp)

 

وبناء على المعطيات الجديدة الموضحة بالشكل (6 – 3) فإن قدرة الألواح الشمسية اللازمة لتشغيل المضخة تعطي بالآتي:

قدرة الألواح الشمسية المطلوبة = 375/0.8 = 468 وات = 2 × لوح قدرته 250 وات = 500 وات.

 

     الفرق بين مضخات التيار المستمر (DC) والتيار المتردد (AC)

 

  •         مضخات المياه التي تعمل بالتيار المستمر يفضل استخدامها في حالة الأعماق القريبة والمتوسطة بالإضافة إلى كميات المياه التي تقل عن 10 م3/ساعة لأنها تقلل مما نسبته 15% تقريبا من تكلفة الألواح الشمسية الإضافية التي تعوض معامل كفاءة التحويل للعاكس.
  •         مضخات المياه التي تعمل بالتيار المتردد تكون فعالة في حالة الأعماق البعيدة وكميات المياه التي تزيد عن 10 م3/ساعة بالإضافة إلى إمكانية قبول العاكس لمصدر كهربائي احتياطي (المولد أو الكهرباء الرئيسية) ويمكن لبعضها أن تعمل بطور واحد 220 فولت أو ثلاثة أطوار 380 فولت.

 

تمارين

 

  1.     أذكر أربع فوارق بين مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية ومضخات المياه التي تعمل بالوقود الأحفوري؟
  2.     أذكر المكونات الرئيسية لنظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية؟
  3.     أذكر ثلاث معاملات رئيسية لتحجيم قدرة مضخة المياه؟
  4.     من خلال الشكل التالي الذي يمثل منحنى الأداء لمضخة مياه يمكن تشغيلها بالطاقة الشمسية أوجد القدرة الكهربائية اللازمة لضخ مياه للشرب بكمية (5 gpm) وبإجمالي الارتفاع ديناميكي (200 feet).

نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية

 

‌أ.        قارن نتيجة الفقرة (1) بحساب القدرة الكهربائية، بعد تحويل وحدات قياس كمية المياه من (gpm) إلى (m3/Hr)، من خلال المعادلة (1).

‌ب.     من خلال الشكل (6 – 2) أوجد القطر المثالي لأنبوب المضخة ومعامل الاحتكاك.

‌ج.      قارن نتيجة الفقرة (3) بحساب قطر الأنبوب للمضخة بعد تحويل وحدات قياس كمية المياه من (gpm) إلى (m3/Hr) بواسطة المعادلة (3).

‌د.       أحسب قدرة الألواح الشمسية المطلوبة لتشغيل المضخة إذا كانت كمية المياه المطلوبة باليوم تساوي (40 gpm) لتوفير مياه الشرب في قرية ريفية بمحافظة حضرموت التي تمتلك متوسط ساعي للإشعاع الشمسي بمقدار 6 ساعات.