مضخات الماء المغذاة بواسطة الخلايا الكهرضوئية

مضخات الماء المغذاة بواسطة الخلايا الكهرضوئية

إعداد م.طارق الديري

مقدمة:

يعتبر استخدام الخلايا الكهرضوئية لضخ المياه في المناطق النائية من أهم تطبيقات هذه الخلايا من حيث القابلية للتطبيق من الناحية الاقتصادية. بالنسبة للمنازل المستقل عن الشبكة, يمكن استخدام نظام كهرضوئي بسيط لضخ المياه من بئر أو نبع وتخزين هذه المياه في خزان, أو يمكن إمرار هذه المياه عبر نظام تدفئة المياه بالطاقة الشمسية, أو استخدامها من أجل ري الأراضي أو الماشية, أو حتى من أجل تزويد القرى بالمياه خصوصاً في البلدان النامية حيث تشغل عملية ضح المياه أهمية خاصة. يتألف نظام ضخ المياه الكهروضوئي بشكله المبسط من مصفوفة منالخلايا الكهرضوئية والمرتبطة بمضخة تيار مستمر. في حال غياب الشمس يمكن استخدام المياه المضخوخة سابقاً والتي تم حفظها في خزانات لتستخدم لاحقاً, وبذلك يمكن التخلص من مشكلة المدخرات والحصول على نظام تترابط مكوناته ببساطة وبتكلفة منخفضة وبوثوقية عالية. إن تحقيق التوافق بين الخلايا الكهرضوئية والمضخات الموصولة مباشرة بها لتشكل نظام وصل مزدوج (دون الحاجة لاستخدام المدخرات) مع التنبؤ بالأداء اليومي للنظام يعتبر تحدياً كبيراً. ويزداد تعقيد النظام في حال احتوائه على المدخرات والمعرج وذلك لتشغيل مضخة تيار متناوب, أو استخدام مقوي التيار الخطي الذي يمكن استعماله لتحسين أداء النظام في حال انخفاض الإشعاع الشمسي.

الخصائص الكهربائية لجملة محرك-خلية يجب أن تكون مترافقة مع الخصائص الميكانيكية للمضخة والحمل المربوط معها.

يظهر الشكل الشكل المبسط لنظام الضخ الكهرضوئي, يتكون الجزء الكهربائي من الخلايا الكهرضوئية و التي تقوم بتوليد توتر كهربائي الذي بدوره يمرر التيار الكهربائي عبر الأسلاك لتشغيل المحرك. في الجزء الهيدروليكي تقوم المضخة بتوليد ضغط H يؤدي إلى تدفق الماء عبر الأنابيب بعدل تدفق Q وذلك باتجاه معين,الشكل يفترض أن الماء يدور بحلقة مغلقة ليعود إلى المضخة, ويمكن أن تكون الحلقة مفتوحة حيث يرتفع الماء من مستوى لآخر تاركاً الحلقة. في الجزء الكهربائي يتم تحديد نقطة العمل في أي لحظة من تقاطع منحني I-V للخلية الكهرضوئية مع منحني I-V للمحرك. في النظام الهيدروليكي يكون H مشابه للتوتر بينما تكون Qمشابهة للتيار, وكما سنرى لاحقاً فإن طريقة تحديد نقطة العمل للنظام الهيدروليكي على منحني H-Q تكون مشابهة تماماً لطريقة تحديد نقطة العمل على منحني I-V.

تقنيات الضخ الكهرضوئي:

تصنف أنظمة الضخ الكهرضوئية بشكل رئيسي إلى خمسة أنواع وهي:

مجموعة محرك - مضخة نابذة غاطسة متعددة المراحل Submerged multistage centrifugal motor pump set:

يعتبر هذا النوع من المضخات الأكثر شيوعاً في أنظمة الضخ الكهرضوئية التي تستخدم لتأمين ماء الشرب للقرى. تتميز هذه المضخات بسهولة التركيب وتغمر المجموعة (محرك – مضخة ) تحت مستوى ماء البئر بعيداً عن الأخطار. يمكن استخدام محرك متناوب أو مستمر مدمج مع جسم المضخة مع الحاجة إلى وجود معرج في حالة المحرك المتناوب AC. يجب إخراج المحرك من البئر لتبديل المسفرات (الفحمات) مرة كل سنتين في حالة استخدام محرك DC. تستخدم هذه المجموعة في أنظمة الضخ الكهرضوئية ذات الاستطاعة الأقل من 1500Wp. يبين الشكل مخططاً لنظام ضخ كهرضوئي يستخدم مجموعة محرك – مضخة نابذة غاطسة متعددة المراحل.

المضخات الغاطسة مع محرك سطحي Submerged pump with surface mounted motor:

يتميز هذا النوع من المحركات بسهولة تبديل المسفرات في حالة استخدام محرك DC و إجراءات الصيانة الأخرى بسبب كون المحرك مركب على سطح البئر. يتدنى مردود المجموعة بسبب ضياعات الطاقة الناتجة عن نقل الحركة بين المحرك و المضخة. بشكل عام تم استبدال هذا النوع من المحركات السطحية بأخرى غاطسة. يبين الشكل مخططاً لنظام ضخ كهرضوئي يستخدم المضخات الغاطسة مع محرك سطحي.

المضخات الترددية ذات الإزاحة الموجبة Reciprocating positive displacement pump:

يناسب هذا النوع من المضخات ارتفاعات الضخ العالية و التدفقات المنخفضة. يتناسب خرج المضخة مع سرعة دورانها. تكون قوى الاحتكاك عند العمل في الارتفاعات العالية أقل بالمقارنة مع القوى الهيدروستاتيكية وهذا ما يجعل من المضخات ذات الإزاحة الموجبة أكثر كفاءةً من المضخات النابذة في مثل هذه الحالات. تشكل هذه المضخات حملاً ترددياً على المحرك لذلك يجب موازنة المحرك للحصول على مردود تشغيل جيد له، وبما أن الأجزاء العلوية للمجموعة (المحرك ) ثقيلة جداً و متينة لذلك تتم موازنة المضخة ومحور نقل الحركة بين المحرك و المضخة. يبين الشكل مخططاً لنظام ضخ كهرضوئي يستخدم المضخات الترددية ذات الإزاحة الموجبة.

مجموعة مضخة عائمة- محرك Floating motor pump sets:

يعتبر هذا التصميم غير مناسب لثقوب الحفر لكنه المفضل لضخ المياه من السدود والقنوات والآبار المفتوحة. تتميز هذه المضخات بسهولة النقل و تكون هذه المضخات على الأغلب نابذة غاطسة بمرحلة واحدة و تعتمد بشكل واسع على محركات مستمرة DC بدون مسفرات. تركب الألواح الكهرضوئية في هذا النوع من أنظمة الضخ غالباً على عجلات خاصة لسهولة نقلها مع مجموعة المضخة – المحرك كما هو مبين في الشكل:

مضخات الامتصاص السطحيةSurface suction pump sets:

ينصح في حالة استخدام هذا النوع من المضخات وجود مراقب فني بشكل مستمر. بالرغم من أن كون حجرة المضخة مليئة بالماء و صمامات منع خروج الماء تعمل بشكل دائم فإن احتمالات فقدان الماء من الحجرة واردة. لا ينصح باستخدام هذه المضخات لضخ الماء من ارتفاعات تتجاوز 8m. يبين الشكل مخططاً لنظام ضخ كهرضوئي يستخدم مضخات الامتصاص السطحية.

تصميم نظم الضخ الكهرضوئية:

تعتبر عملية تصميم نظم الضخ الكهرضوئية أكثر تعقيداً من غيرها من أنظمة PV, وذلك بسبب التنوع الواسع للمصادر المائية ومتطلبات الزبون وتشكيلات النظام. يوجد أمران أساسيان في عملية تصميم أنظمة الضخ الكهرضوئي:

• اختيار مكونات التظام الأكثر ملائمة بحيث تحقق صيانة أقل له. وعمراً أطول ووثوقية أعلى.
• توافق مكونات النظام بحيث يتحقق تصميم نظام يعمل بأعلى كفاءة. فقد أظهرت الدراسات أن تحسين التوافق بين مكونات النظام يؤدي إلى تحسين المردود بنسبة 18% ويمكن زيادة هذه النسبة إذا أجري تتبع يدوي للشمس.

بشكل عام, إن الخطوات الأساسية المتبعة عند تصميم نظم ضخ المياه الكهرضوئية هي:

1. تحديد حجم المياه الواجب ضخها كل يوم.
2. تحديد الارتفاع الكلي للضخ.
3. معرفة بيانات الإشعاع الشمسي.
4. حساب معدل الضخ من خلال عدد ساعات الشمس القصوى.
5. اختيار نوع المضخة.
6. اختيار المحرك ذي خصائص سرعة –عزم متوافقة مع خصائص سرعة- عزم للمضخة.
7. اختيار نوع النظام.
8. اختيار مكونات النظام.
9. اختيار الموديولات المناسبة وطريقة ربطها.
10. اختيار طريقة تركيب الموديولات وذلك إما بتثبيتها أو بإجراء عملية الملاحقة اليدوية.

عن الكاتب

م.طارق الديري

مهندس طاقات كهربائية متجددة تخرج من جامعة دمشق عام 2010- حاز على جائزة أفضل خطة عمل من شركة شل- برنامج انطلاقة عن مشروع المضخات الكهرضوئية. يقوم بالبحث والاعداد لرسالة الماجستير في النظم الكرضوئية الحرارية- شارك في العديد من الندوات والمحاضرات حول أهمية الطاقات المتجددة والتنمية المستدامة. 

http://kawngroup.com/pv-powered-water-pumping/