تعرف علي أنظمة الري بالطاقة الشمسية
كانت فكرة الاستفادة من طاقة الشمس كمصدر للطاقة قائم منذ أن تطورت أنظمة الري بالطاقة بالشمسية الأولى في القرن التاسع عشر، وكان ذلك
نتيجة لتقدم تكنولوجيا تحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى أشكال أخرى من الطاقة. في هذه الأنظمة الأولى، تم استخدام الطاقة الشمسية للمزارع لتشغيل المحركات البخارية، حيث كانت الشمس تسخن الماء لتوليد البخار.
كانت هذه المحركات البخارية تُستخدم في تشغيل مضخات المياه سواء للري في المزارع أو التطبيقات الصناعية، وهو ما أحدث ثورة في آليات أداء العديد من المهام الثقيلة.
بينما اكتسبت هذه المضخات البخارية اهتمامًا في القرنين التاسع عشر والعشرين لدي المزارعين الكبار، ظهر خط مواز للاختراع، وهو الطاقة الشمسية الكهروضوئية التي تستخدم الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء مباشرة.
في البداية، كانت الألواح الشمسية الكهروضوئية غير فعالة للغاية وتحتوي على مواد نادرة، مما جعل تكاليفها مرتفعة للغاية. في الستينيات، كان يُكلف حوالي 1000 دولار لكل واط!
ولكن شهدت صناعة أشباه الموصلات تقدمًا كبيرًا في السبعينيات، مما أدى إلى زيادة في كفاءة اللوح الشمسي (المزيد من الطاقة لكل متر مربع) وانخفاض سريع في التكلفة.
في الوقت الحاضر، تعمل معظم أنظمة الري بالطاقة الشمسية بواسطة الألواح الشمسية الكهروضوئية، وتستمر التكنولوجيا في التحسن لتمكين تشغيل المضخات ذات القدرة الكبيرة بواسطة ألواح شمسية أصغر وأقل تكلفة. ولم تعد أنظمة الري بالطاقة الشمسية حكرًا للمزارعين الأثرياء فقط.
نظرًا لتراجع تكلفة الألواح وزيادة قابليتها للنقل، أصبحت مضخات المياه بالطاقة الشمسية ذات استخدامات متعددة ، تشبه تمامًا مضخات المياه التي تعتمد على الوقود الأحفوري، وفي بعض الحالات تتفوق عليها. إنها مثالية لتوصيل المياه إلى المناطق النائية التي لا يمكن لشبكات الكهرباء الوصول إليها، ولا تتطلب وقودًا باهظ الثمن وملوثًا، ولا تعتمد على عمالة كثيفة.
المكونات الرئيسية لنظام الري بالطاقة الشمسية
نظام الري بالطاقة الشمسية يتألف من الواح الطاقة الشمسية، ومجموعة المضخة، وخزان تخزين، و المكونات الإلكترونية، والكابلات المتصلة والهيكل المعدني للتثبيت. تشمل المكونات الإلكترونية عادة عاكسًا، أو محول الطاقة، أو وحدة تحكم في مضخة الري ، ووحدات التحكم/الحماية، ومستشعرات المياه.
الواح الطاقة الشمسية
الطاقة والقدرة اللازمة لتشغيل نظام الري بالطاقة الشمسية تأتي مباشرة من مجموعة من الألواح الشمسية ذات الحجم والمواصفات الصحيحة. حيث يحول اللوح الشمسي الإشعاع الشمسي إلى تيار كهربائي من خلال التأثير الكهروضوئي. نسبة الطاقة الكهربائية المنتجة إلى الإشعاع المستلم هي كفاءة لوح الطاقة الشمسية. المواد الشبه موصلة الأكثر استخدامًا في الخلايا الشمسية التجارية هي السيليكون البلوري.
هذه الوحدات إما أن تكون وحدات سيليكون أحادي البلورة مونوكريستالين Mono-crystalline، حيث تحتوي كل خلية PV على بلورة سيليكون واحدة؛ أو وحدات متعددة البلورات بولي كريستالين Poly-crystalline، حيث تحتوي كل خلية على عدة بلورات.
تتمتع وحدات السيليكون أحادي البلورة بكفاءة أكبر من الوحدات متعددة البلورات (متوسط كفاءة 20-22% مقارنة بالبولي كريستالين ذو متوسطـ كفاءة 18-20% .
تُصنف الواح الطاقة الشمسية وفقًا لإخراج الطاقة الخاص بها، استنادًا إلى طاقة شمسية ساقطة يبلغ 1000 واط/م2 عند درجة حرارة معينة للوح. تشمل البيانات قدرة إخراج اللوح الأقصي (أقصى طاقة تولدها اللوح، وغالباً ما يشار إليها باسم واط-ذروة [Wp])، والجهد (فولت)، والتيار (أمبير). بالإضافة إلى شدة الضوء، يؤثر درجة حرارة وحدة الطاقة الشمسية على كمية الطاقة المنتجة، حيث تقلل درجات الحرارة العالية من إخراج الطاقة. لذلك، فإن توفير تهوية جيدة للوحدات للحد من ارتفاع حرارتها يعتبر ممارسة تصميم جيدة.
تتراوح قدرات الألواح الشمسية التجارية حاليا بين 475 واط الي 575وات ويحدد عددها بالقدرة الأجمالية للمحطة فمثلا محطة بقدرة 50كيلو وات تحتاج 90لوح شمسي 550 واط
العاكس الشمسي لنظم الري irrigation solar inverter
يتستخدم عاكس الطاقة الشمسية للتحكم وتنظيم عمل نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية . يمكن أن يحول الطاقة المستمدة من مصفوفة الطاقة الشمسية إلى تيار متناوب لتشغيل مضخة المياه. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه ضبط تردد الإخراج (وبالتالي سرعة محرك المضخة ) وفقًا لكثافة أشعة الشمس من تحقيق تتبع نقطة إنتاج الطاقة القصوى (MPPT).و لا يحتاج عاكس مضخة الطاقة الشمسية إلى بطاريات لذا يمكن أن يعمل طالما هناك ضوء الشمس.
يمكن أن يتخذ العاكس الشمسي عدة صيغ: إنفرتر تيار مستمر إلى تيار مستمر بسيط، أو انفرتر تيار مستمر إلى تيار متردد بسيط لمضخة تعمل بالتيار المتردد، أو انفرتر متغير السرعة (VSD) أكثر تعقيدًا ذو تيار متناوب مفرد أو ثلاثي. بشكل عام، يتم تطابق قدرة الأنفرتر مع المضخة ليتناسب مع أداء المضخة من حيث الجهد والطاقة. وتقدم اغلب العواكس الأن التغذية الهجينة تبادليا بين تغذية من الطاقة الشمسية وتغذية من محرك الديزل، مما يمكن من استخدامها في الأوقات الغير مشمسة أو ليلاً.
مضخات المياه لأنظمة الري بالطاقة الشمسية
هناك فئتان رئيسيتان من مضخات المياه بالطاقة الشمسية، السطحية والغاطسة. داخل هذه الفئات، ستجد العديد من تقنيات الضخ المختلفة، كل منها يتمتع بخصائص مختلفة.
مضخات المياه السطحية
تُثبت مضخة المياه السطحية على سطح الأرض للمزارع بالقرب من مصدر المياه. تشفط المضخة المياه إلى داخلها (رفع الشفط)، ثم تضغطها لأعلى أو على طول الخط إلى المكان الذي يحتاج إليه الزراعة (رفع التصريف). يكون مجموع رفع الشفط بالإضافة إلى رفع التصريف هو الأرتفاع الإجمالي Total Head – وهو القيمة الذي يشار إليه عادة بـ “الارتفاع” في ورقات البيانات والمواقع على الإنترنت.
فيزيائيا، لا يمكن أن يتجاوز الرفع الشفط الأقصى للمضخة السطحية حوالي 8 أمتار تقريبًا. لذا تعتبر مثالية لأي مزرعة متاح لديها مصادر مياه متاحة .
مضخة المياه الغاطسة
يجب أن تكون المضخة الغاطسة مغمورة تمامًا لضخ الماء. غالبًا ما توجد هذه المضخات في الآبار العميقة وفي الآبار الجوفية (أدنى حد لرفع الشفط لمضخة السطح)، حيث تقوم بدفع الماء إلى المكان الذي يحتاج إليه المزارع . نظرًا لأنها تقوم فقط بدفع الماء، ليس لديها رفع شفط.
يجب أن يكون اختيارك بين المضخة السطحية والغاطسة مهمة سهلة فإذا كان مصدر المياه حتى 7 أمتار من عمق الشفط)، فإن المضخة السطحية هو الخيار المناسب لك أما إذاا كانت مياهك أقل من 7 أمتار تحت السطح، فاختر المضخات الغاطسة.
أما اختيار بين أنواع مضخات السطح أو الغاطسة، فإنه أمر أكثر صعوبة، لذلك من الأفضل مناقشة متطلباتك مع مورد المضخات الخاص بك.
الهيكل المعدني أنظمة الري بالطاقة الشمسية
من الغني عن الذكر أن حمل الرياح هو أهم عامل يتحكم في تصميم الهياكل المثبته للألواح الشمسية. يتبع معظم المصممين عادةً إجراءات التصميم الموصى بها من خلال قوانين البناء المخصصة للأسطح المائلة الكبيرة. قد يؤدي هذا إلى نتائج متحفظة في بعض الحالات وتصميمات غير آمنة في حالات أخري نظرا لتعرض أنظمة الري لحمل رياح قوي لتواجدها في أماكن مفتوحة في أغلب المزارع.
تكلفة هياكل التثبيت للألواح الشمسية تمثل جزءًا أساسياً من التكلفة الإجمالية لذلك ، يعد تحسين نوعية قطاعات هياكل التثبيت عنصرأ ضروريًا لضمان إستدامة المحطة وأيضا لتقليل تكلفة نظام الطاقة الشمسية علي المدي الطويل.
أي المزارع مناسبة لمضخات المياه بالطاقة الشمسية؟
تعتبر أنظمة الري بالطاقة الشمسية مناسبة للعديد من أنواع المزارع ومختلف الأحجام. من المزارع الصغيرة والقطع الزراعية إلى المزارع الصناعية الكبيرة، حيث يمكنك تركيب نظام ري بالطاقة الشمسية تتناسب مع احتياجاتك.
يتعين النظر إلى تضاريس الأرض حيث يجب عليك النظر في اختلاف ارتفاع الأرض، وما يعني ذلك من إجمالي المسافة والارتفاع الرأسي الذي تحتاج إلى ضخ المياه إليه.
مثال: لديك بئر ضحلة بالماء علي عمق خمسة أمتار تحت سطح الأرض، و لري محاصيلك على أرض على ارتفاع عشرة أمتار فوق مصدر المياه الخاص بك. يعني ذلك أنك تحتاج إلى مضخة برفع إجمالي قدره 15 مترًا.
سيقل معدل التدفق والمسافة التي يمكنك ضخ المياه اليها عند زيادة الرفع، حيث يتطلب المزيد من الطاقة لتحريك المياه عموديًا.
الخطوات الرئيسية لتحديد حجم نظام ري بالطاقة الشمسية
– يجب عليك تحديد الارتفاع الديناميكي الإجمالي للنظام باستخدام متطلبات معدل التدفق وطول وقطر الأنبوب، وأيضًا الارتفاع بين نقطة الشفط ونقطة التفريغ.
– تحديد متطلبات التدفق اليومي والعدد المتوقع من الأسابيع في السنة لعملية الضخ.
– بناءً على مصدر المياه، يمكنك اختيار مضخة سطحية أو غاطسة.
– تحديد دائمًا مضخة بحجم كافٍ لتلبية متطلبات الرأس ومعدل التدفق.
– يجب أن تعرف متطلبات الطاقة ووقت التشغيل للمضخة المحددة لتحديد شكل الحمل الكهربائي لعملية الضخ، ثم تحديد حجم نظام الطاقة الشمسية اللازم.
استدامة ضخ المياه بالطاقة الشمسية كانت تحديًا في العديد من البلدان وخاصة في المناطق الريفية، حيث يفشل الأنظمة في كثير من الأحيان في وقت قصير بعد التشغيل بسبب عدم وجود صيانة منتظمة وفعالة. لذا، أصبح من الشائع إبرام اتفاقيات صيانة شاملة مع الموردين خلال فترات الضمان، وهو ممارسة جيدة أن تمتد هذه العقود ما بعد فترة الضمان. يجب على الموردين ضمان استمرارية النظام بمزيد من الأمان من خلال تدريب مشغلي النظام، بمعنى توفير مهارات السباكة الأساسية التي يمكن استخدامها لإصلاح تسريبات في شبكة الأنابيب والتعامل مع المحولات والمستشعرات المتقدمة الشائعة في أنظمة ضخ المياه الشمسية الحديثة. نظرًا لعدم وجود أجزاء متحركة في اللوحات الشمسية يمكن أن تتأثر بالصدأ أو الانهيار، تتطلب الطاقة الشمسية صيانة محدودة جدًا، باستثناء التنظيف الدوري. يُفضل تنظيف الألواح الشمسية بالماء لإزالة أي أوساخ أو غبار.
