أنضمة مضخات الطاقة الشمسية..المكونات والتصميم

Kareem Roshdy (CEO)

منذ 26 يوم 19 ساعة
2341
1
0

مضخات الطاقة الشمسية

في الحقيقة وقبل أن نبدأ في الحديث عن مضخات الطاقة الشمسية والتي يمكن استخدامها في الري أو غيرها أحببت 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 وهذه هي رسالتنا في موقع سولار سنايبرز,  فنحن هنا لنضع قدمك علي الطريق ونوضح لك المعلومة بشكل مبسط ولو حتي علي الأقل لجعلك حينما تتعامل مع أحد تستطيع ان تحكم عليه أن كان محترف في المجال أم لا ولكن طموحنا الأساسي هو تعليم الجميع ان لا شيء يصعب تعلمه وأن تطبيقات الطاقة الشمسية يمكن للجميع أجراء حساباتها واختيار منتجاتها وحتي تركيبها بنفسه لو أراد, واللهم لا تجعلنا ممكن يبخلون بالعلم يا عليم.



النقاط التي سنتناولها عن مضخات الطاقة الشمسية في هذا المقال

1- مميزات المضخات التي تعمل بالطاقة الشمسية

وسنتناول فيها مميزاتها وأين تستخدم وما الفارق بينها وبين غيرها من المضخات الأخري

2- مكونات أنظمة رفع المياه والري بالطاقة الشمسية

وسنتحدث فيه بشيء من التفصيل عن مكونات النظام بشكل عام من المضخات نفسها وانواعها وانواع مواتير الكهرباء الموصلة عليها سواء مترددة او مستمرة والخزان وفائدته 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.

3- خطوات تصميم انظمة مضخات الطاقة الشمسية

وسنذكر فيه خطوة بخطوة اجراء الحسابات اللازمة لتحديد أحتياجاتك كسعة المضخة وقدرتها والضغوط ونوعها وحسابات حجم الخزان وعدد الواح الطاقة الشمسية التي ستحتاجها  وغيرها من التفاصيل ان شاء الله.

1- مميزات مضخات الطاقة الشمسية

في العديد من القري والواحات البعيدة عن المدن قد لا تتوفر خدمات الكهرباء الأرضية 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 ( طرمبات ) لرفع المياه وحيث أن الكهرباء الأرضية أو الحكومية غالبا لا تكون متوفرة في هذه المناطق فمصدر الطاقة المستخدم في أدارة مضحات ( طرمبات ) رفع المياه اما ان يكون بالديزل أو باستخدم مضخات الطاقة الشمسية.
ودعونا نعقد مقارنة بسيطة بين مضحات الطاقة الشمسية والمضخات المدارة بالديزل

العيوب المميزات  

تحتاج الي عمليات صيانة مكلفة
تحتاج الي متابعة وتزويدها بالوقود باستمرار
عمرها الأفتراضي صغير
يصدر عنها ضوضاء وملوثات للجو

سريعة وسهلة التركيب
يمكن حملها من مكان لمكان
سعرها الأساسي قليل نسبيا
منتشرة الأستخدام
مضخات الديزل
التكلفة المبدأءة كبيرة نسبيا

لا تحتاج الي متابعة تذكر
عمرها الأفتراضي كبير
عمليات صيانتها محدودة جدا وغير مكلفة
لا ضوضاء ولا ملوثات تصدر عنها
مضخات الطاقة الشمسية

وقد اثبتت الدراسات الاقتصادية وكذلك التجربة العملية بان فترة استرداد رأس المال الخاصة بالمضخات 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.
من الممكن تزويد النظام الشمسى لرفع المياه بانظمة تتبع شمسى تزيد من كفاءة المضخات بنسبة 30 % على الاقل

التطبيقات الشائعة

  1. رفع المياه من الابار الجوفية باستخدام المضخات الغاطسه لغرض الرى بالتنقيط او الرش.
  2. رفع المياه من القنوات باستخدام المضخات الغاطسه او السطحية لأغراض الرى بالغمر ولجميع التطبيقات الاخرى.
  3. رفع المياه من الآبار بالمناطق النائية للشرب والاغراض الاخرى.
  4. استخدام المضخات السطحية فى تقليب المياه لتنقية حمامات السباحة.


2- مكونات أنظمة رفع المياه والري بالطاقة الشمسية

مضخات الطاقة الشمسية

أولا : الواح الطاقة الشمسية

الواح الطاقة الشمسية او ما يعرف بالألواح الكهروضوئية او الفولتوضوئية هي المصدر الرئيسي لتوليد الكهرباء عن طريق تحويل الأشعاع الشمسي الساقط عليها الي تيار كهربي مستمر وكنا قد تحدثنا عنها بالتفصيل وعن أنواعها في موضوع سابق بعنوان الواح الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء.

ثانيا : منظم الجهد و الانفرتر

في حالة استخدام مضخة 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 الأنفرترات المستخدمة في المضخات تكون 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 تقسيمها الي عدة انواع اعتمادا علي بعض المتغيرات المختلفة كما يلي:

  • تقسيم المضخات بناء علي نوع المحرك الكهربي المستخدم :
    محرك تيار مستردد AC :
    وكما ذكرنا يحتاج لوجود انفرتر وبداخله منظم للجهد 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 انظمة طلمبات التيار المتردد في المشاريع الكبيرة  كما تستخدم  في تنقية وتدوير المياه في حمامات السباحة وتحلية مياه البحر ومشروعات مياه الشرب

    محرك تيار مستمر DC :
    المضخات التي تعمل بمحرك تيار مستمر تحتاج فقط لوجود منظم جهد لتنظيم الجهد الخارج من الألواح mppt controller ليتماشي مع متطلباتها وفي الحقيقة هذا النوع هو أكثر كفاءة وأقل أحتياجا لعمليات الصيانة والدائرة الكهربية له ليست معقدة ولكنه يظل زو تكلفة أعلي من نظيره الذي يعمل بالتيار المتردد كما انه ليس متوفر بكثرة في الأسواق لذلك هذا النوع ليس منتشر كثيرا.
    تستخدم هده الطلمبات في المشاريع الصغيرة والمتوسطة في تطبيقات تصل قدرتها إلى حوالي 3  كيلوواط. وهي مناسبة لتطبيقات مثل نوافير الحدائق، ومياه الشرب للماشية، أو مشاريع الري الصغيرة.

  • تقسيم المضخات بناء علي نوع المضخة نفسها :

    المضخات ذات الازاحة الموجبة (Positive displacement ) :
    أو ما يعرفه المعظم بالطرمبات ذاتية التحضير وأشهرها المضخات الترددية او الحلزونية وهي ترفع المياه الي مستويات أعلي أي نها تولد ضغط أعلي ولكن السعة أو معدل السريان (flow rate ) يكون أقل من نظيرتها ذات الضغط الديناميكي (في حالت كانتها لهما نفس القدرة )


    المضخات الديناميكية ( Dynamic pumps ) :
    وهي طرمبات 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 أعتمادا علي مكانها :

    مضخات الطاقة الشمسية السطحية :
    مضخات الطاقة الشمسية
    والمضخات السطحية تكون مناسبة في حالة كانت سترفع 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 المغمورة :
    مضخات الطاقة الشمسية
    والمضخات المغمورة تستخدم لرفع المياه من أعماق كبيرة كبئر ماء والآبار وغيرها وهي تكون مغمورة في الماء نفسه و معظم الانواع المتوفرة حاليا تكون متعددة المراحل كما انها تأتي بها حمايات خاصة حتي لا تحمي نفسها من العمل في حالة جفاف الماء عنها حتي لا تتعرض للحمل الذائد والتلف.

رابعا: الخزان والبطاريات

في الحقيقة سألني الكثير من الناس سؤال الا وهو . هل يكون توصيل بطاريات علي طرمبات الطاقة الشمسية اذا أحتجت للمياه في فترات الليل ؟
الاجابة العلمية هو بالطبع ممكن فأي دائرة كهربية يمكن توصيل نظام العمل بالبطاريات عليها ولكن في حالة نظام الرفع بمضخات الطاقة الشمسية سأرد انا عليك بسؤال آخر ما هي فائدة البطاريات اصلا ؟ اليست فائدتها هو ادارة المضخات لتوفير المياه اثناء فترات غياب الشمس؟ والخزان أيضا سيؤمن لك أحتياجك من المياه اثناء قترات غياب الشمس لذلك يمكن تكبير سعة المضخة قليلا ونظام الألواح حتي يتثني للمضخة 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.



3- خطوات تصميم انظمة مضخات الطاقة الشمسية

  • اولا : 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.

  • ثانيا حساب معدل التدفق المطلوب لمضخات الطاقة الشمسية water flow rate :

    بعد أن أجريت حساباتك لتعرف معدل استخدامك اليومي من المياه باللتر . تأتي خطوة حساب معدل التدفق المطلوب من المضخة 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 .
    *ملحوظة: قمنا بتحويلها الي وحدة لتر/دقيقة بقسمة الرقم علي 60 وذلك لأن معظم المضخات توصف معدل التدفق بوحدة لتر/دقيقة (L/min)
  • ثالثا حساب ارتفاع الضغط الديناميكي TDH (Total Dynamic Head)

    هي بأختصار حساب المسافة الرأسية التي نحتاج 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 :
    1- المسافة الرأسية بالمتر من سطح الأرض الي منسوب الماء في البئر او النهر او الترعة ( اي عمق المياه عن سطح الأرض )
    2- المسافة الرئسية بالمتر من سطج الأرض الي أعلي نقطة في الخزان
    3- 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 فمثلا :
    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


  • رابعا: أختيار مضخة الطاقة الشمسية المناسبة pump sellection

    يمكننا مبدأيا حساب قدرة المضخة المطلوبة بضرب القيم التالية:
    معدل السريان الذي قمنا بحسابه بوحدة (لتر/الدقيقة) * ارتفاع الضغط الديناميكي الذ حسبناه بالمتر * 0.0001635 = قدرة المضحة بالكيلو واتفي الحالة التي افترضناها مثلا ستكون المعادلة كالتالي : قدرة المضخة = 34 * 114.5 * 0.0001635 = 0.6365 كيلو وات ( ما يعادل تقريبا 1 حصان )
    * ملحوظة : 1 حصان يكافيء 0.745 كيلو وات
    ولكن ما نود التنويه عنه هو أنك لا يجب ان تعتقد انك بمجرد ان علمت قدرة المضخة 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 عن طريق الدخول الي خرائط التصميم الخاصة بالشركة المصنعة للمضخة ليتثني لك أختيار المضخة المناسبة لك تماما والتي تلبي أحتياجاتك بناء علي حالتك الخاصة.
  • خامسا: تحديد حجم المصفوفة الشمسية المناسبة

    في الحقيقة فان معرفة قدرة مضخة الطاقة الشمسية المناسبة لك لم يكن بشكل اساسي لأختيار المضخة نفسها فاختيار المضخة 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 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 علي 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.
(أعاننا الله واياكم علي نشر العلم النافع)


  • Kareem Roshdy (CEO) 2016-11-05 03:27:26

    ceo@solarsnipers.com

  • Amjad Tamsan 2016-10-29 09:43:05

    السلام عليكم .. هل هناك ايميل استطيع ان اتواصل به معكم أستاذ كريم ؟

أحدث وظائف الطاقة الشمسية