Practical Action/Solar (PV) water-pumping/ar

لضخ المياه تاريخٌ عريق، فقد طُوِّرت أساليبٌ عديدة لضخ المياه بأقل جهد. وقد استُخدمت في هذه الأساليب مصادر طاقة متنوعة، وهي الطاقة البشرية، والطاقة الحيوانية، والطاقة الكهرومائية، وطاقة الرياح، والطاقة الشمسية، والوقود الأحفوري للمولدات الصغيرة. ويوضح الجدول 1 أدناه المزايا النسبية لهذه الأساليب.

التطبيقات

تُستخدم المضخات الشمسية بشكل أساسي في ثلاثة تطبيقات:

• إمدادات المياه في القرية
• سقي الماشية
• الري

يوضح الشكل 1 مضخةً شمسيةً لتزويد القرى بالمياه. مع إمداد القرى بالمياه، يبقى الطلب على المياه ثابتًا على مدار العام، مع ضرورة تخزينها لفترات انخفاض الإشعاع الشمسي. عادةً، في منطقة الساحل الأفريقي، يكفي التخزين من 3 إلى 5 أيام من الطلب على المياه. في البيئات التي تشهد مواسم الأمطار، يمكن لحصاد مياه الأمطار تعويض انخفاض إنتاج المضخة الشمسية خلال هذه الفترة. معظم أنظمة الضخ الشمسية، التي يزيد عددها عن 6000 نظام، مُركّبة حتى الآن، مخصصة لتزويد القرى بالمياه أو لسقي الماشية.

الشكل 1: إمدادات المياه في القرية

يجب أن يُراعي نظام الري الشمسي (الشكل 2) تفاوت الطلب على مياه الري على مدار العام. فغالبًا ما يتجاوز الطلب خلال مواسم الري ضعف متوسط ​​الطلب. وهذا يعني أن مضخات الري الشمسية لا تُستخدم بشكل كافٍ معظم أيام السنة. لذا، ينبغي الاهتمام بنظام توزيع المياه وتوزيعها على المحاصيل. يجب أن يُقلل النظام من فاقد المياه، دون زيادة كبيرة في الأحمال على نظام الضخ، وأن يكون منخفض التكلفة.

الشكل 2: نظام الري بالطاقة الشمسية

ويبين الجدول 2 مدى ملاءمة أنظمة الري الرئيسية للاستخدام مع المضخات الشمسية.

الجدول 2: مدى ملاءمة طرق الري الرئيسية للاستخدام مع المضخات الشمسية

التكنولوجيا

يتم تكوين الأنظمة على نطاق واسع إلى 5 أنواع كما هو موضح أدناه:

مجموعة مضخات محرك الطرد المركزي متعدد المراحل المغمورة - الشكل 3

الشكل 3: مجموعة مضخات محرك الطرد المركزي متعدد المراحل المغمورة

يُعد هذا النوع من المضخات الشمسية الأكثر شيوعًا في توفير المياه للقرى. يتميز هذا النوع بسهولة تركيبه، وغالبًا ما يكون مزودًا بأنابيب مرنة مسطحة، كما أن مجموعة المضخة مغمورة في الماء بعيدًا عن أي ضرر محتمل.

يمكن دمج محركات التيار المتردد أو المستمر في مجموعة المضخات، مع ضرورة استخدام عاكس في أنظمة التيار المتردد. في حال استخدام محرك تيار مستمر بفرشاة، يلزم سحب المعدات من البئر (كل عامين تقريبًا) لاستبدال الفرش. تتطلب محركات التيار المستمر بدون فرشاة تبديلًا إلكترونيًا. يتكون النظام الأكثر شيوعًا من مضخة تيار متردد وعاكس مع مصفوفة كهروضوئية لا تقل قدرتها عن 1500 واط.

مضخة مغمورة بمحرك مثبت على السطح - الشكل 4

الشكل 4: مضخة مغمورة بمحرك مثبت على السطح

استُخدم هذا التكوين على نطاق واسع في مضخات التوربينات في منطقة الساحل بغرب أفريقيا خلال سبعينيات القرن الماضي. يُسهّل هذا التكوين الوصول إلى المحرك لتغيير الفرشاة وإجراء أعمال الصيانة الأخرى.

من عيوبها انخفاض الكفاءة الناتج عن فقدان الطاقة في محامل الأعمدة وارتفاع تكلفة التركيب. بشكل عام، يُستبدل هذا التكوين بشكل كبير بمحرك غاطس ومجموعة مضخات.

مضخة الإزاحة الإيجابية الترددية - الشكل 5

تعتبر مضخة الإزاحة الإيجابية الترددية (المعروفة غالبًا باسم الرافعة أو الحمار المتأرجح) مناسبة جدًا للتطبيقات ذات الرأس العالي والتدفق المنخفض.

يتناسب خرج المضخة طرديًا مع سرعة دورانها. عند ارتفاعات عالية، تكون قوى الاحتكاك منخفضة مقارنةً بالقوى الهيدروستاتيكية، مما يجعل مضخات الإزاحة الموجبة أكثر كفاءةً من مضخات الطرد المركزي في هذه الحالة. تُولّد مضخات الإزاحة الموجبة الترددية حملًا دوريًا على المحرك، والذي يتطلب موازنة لضمان كفاءة التشغيل. لذلك، غالبًا ما تكون المكونات الأرضية للمضخة الشمسية ثقيلة ومتينة، وغالبًا ما تُستخدم وحدات تحكم في الطاقة لمطابقة المعاوقة.

مجموعات مضخات المحرك العائمة - الشكل 6

بفضل تعدد استخدامات مجموعة الوحدات العائمة، فهي مثالية لري القنوات والآبار المفتوحة. تتميز المجموعة بسهولة حملها، واحتمالية جفاف المضخة ضئيلة جدًا.

تستخدم معظم هذه الأنواع مضخة طرد مركزي غاطسة أحادية المرحلة. ويستخدم النوع الأكثر شيوعًا محرك تيار مستمر بدون فرشاة (مُبدَّل إلكترونيًا). غالبًا ما يتضمن حامل المصفوفة الشمسية مقبضًا أو عربة يدوية لتسهيل النقل.

مضخات الشفط السطحي - الشكل 7

لا يُنصح باستخدام هذا النوع من المضخات إلا في حال وجود مُشغّل دائم. على الرغم من أن استخدام حجرات الضخ الأولية وصمامات عدم الرجوع يُمكن أن يمنع فقدان الوقود الأولي، إلا أنه عمليًا قد يُواجه مشاكل في التشغيل الذاتي والتحضير الأولي. من غير العملي استخدام رؤوس شفط يزيد طولها عن 8 أمتار.

الشكل 5: مضخة المحرك العائمة

الشكل 7: مجموعات مضخات الشفط

الشكل 6: مضخة الإزاحة الإيجابية الترددية

الأداء

يوضح الشكل 8 أداء بعض المنتجات المتوفرة تجاريًا. تتوفر المضخات الشمسية للضخ من أي مكان في نطاق يصل إلى 200 متر من الرأس وبإنتاج يصل إلى 250 مترًا مكعبًا في اليوم.

الشكل 8 أداء المضخة

تستمر تكنولوجيا ضخ المياه بالطاقة الشمسية في التحسن. في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، كانت كفاءة الطاقة الشمسية إلى الطاقة الهيدروليكية (المياه المُضخّة) النموذجية حوالي 2%، بينما كانت كفاءة مصفوفة الخلايا الكهروضوئية تتراوح بين 6% و8%، بينما كانت كفاءة مجموعة المضخات المحركة 25%. أما اليوم، فتتمتع مضخة الطاقة الشمسية الكفؤة بكفاءة يومية تتجاوز 4% في المتوسط. وتتجاوز كفاءة الوحدات الكهروضوئية أحادية البلورة الآن 12%، وتتوفر محركات ومضخات أكثر كفاءة. يجب أن يتمتع النظام الفرعي الجيد (أي المحرك والمضخة وأي نظام لتكييف الطاقة) بكفاءة يومية متوسطة في إنتاج الطاقة تتراوح بين 30% و40%.

التكاليف

يتطلب نظام ضخ كهروضوئي لضخ ٢٥ مترًا مكعبًا يوميًا عبر ٢٠ مترًا من الضغط الجوي مجموعةً شمسيةً بقوة ٨٠٠ واط تقريبًا في مناطق الساحل. تبلغ تكلفة هذه المضخة حوالي ٦٠٠٠ دولار أمريكي (فوب). وتوضح الجدول ٣ أمثلةً أخرى للتكاليف.

من المتوقع وجود نطاق واسع من الأسعار، إذ يشمل النظام الإجمالي تكلفة الوحدات، والمضخة، والمحرك، والأنابيب، والأسلاك، ونظام التحكم، وهيكل دعم المصفوفة، والتغليف. عادةً ما تكون تكلفة/وحدة الطاقة الإنتاجية للأنظمة ذات أحجام المصفوفات الأكبر أقل. تختلف تكلفة مجموعة مضخات المحرك باختلاف الاستخدام والمهام؛ فقد تقل تكلفة مضخة الشفط منخفضة الرفع عن 800 دولار أمريكي، بينما تصل تكلفة مجموعة مضخات الآبار الغاطسة إلى 1500 دولار أمريكي أو أكثر.

الجدول 3: مواصفات نظام ضخ الطاقة الكهروضوئية

المشتريات

تقييم المتطلبات

يعتمد إنتاج نظام الضخ الشمسي بشكل كبير على التصميم الجيد للنظام، والمستند إلى بيانات دقيقة للموقع والطلب. لذلك، من الضروري وضع افتراضات دقيقة بشأن الطلب على المياه وأنماط استخدامها وتوافرها، بما في ذلك إنتاج البئر والاستهلاك المتوقع.

يتفاوت استهلاك الفرد من المياه المنزلية تفاوتًا كبيرًا تبعًا لتوافرها. الهدف طويل المدى هو توفير المياه بكميات كافية لتلبية جميع احتياجات الشرب والغسيل والصرف الصحي. أما الأهداف قصيرة المدى الحالية فتهدف إلى توفير 40 لترًا للفرد يوميًا، وبالتالي تحتاج قرية يبلغ عدد سكانها 500 نسمة إلى 20 مترًا مكعبًا يوميًا. وتحتاج معظم القرى إلى الري المنزلي وسقاية الماشية معًا.

تعتمد متطلبات الري على احتياجات المحاصيل من المياه، ومساهمات المياه الجوفية الفعالة، وكفاءة نظام التوزيع والتطبيق الميداني.

يمكن تحديد متطلبات الري من خلال التشاور مع الخبراء المحليين والمهندسين الزراعيين أو بالرجوع إلى وثيقة منظمة الأغذية والزراعة "متطلبات المياه للمحاصيل" (J Dorrenbos، WO Pruitt - FAO، روما، إيطاليا - 1977).

المياه

يجب مراعاة عدة معايير لمصدر المياه، وقياسها إن أمكن. وتشمل هذه المعايير عمق مصدر المياه تحت مستوى سطح الأرض، وارتفاع خزان التخزين أو نقطة تصريف المياه فوق مستوى سطح الأرض، والتغيرات الموسمية في منسوب المياه. كما يجب مراعاة انخفاض منسوب المياه بعد بدء الضخ في إمدادات الآبار والآبار الجوفية. ويعتمد ذلك على نسبة معدل الضخ إلى معدل إعادة ملء مصدر المياه.

ينبغي أيضًا مراعاة نمط استخدام المياه عند تصميم النظام ومتطلبات التخزين. يجب أن تتضمن أنظمة إمداد المياه مخزونًا كافيًا من المياه المغطاة لتلبية الاحتياجات اليومية من المياه، وفي فترات الطقس الغائم القصيرة. وعادةً ما يتم تخزين احتياجات المياه لمدة تتراوح بين يومين وخمسة أيام.

حجم المضخات الشمسية

الطاقة الهيدروليكية المطلوبة (كيلوواط ساعة / يوم)

الطاقة المطلوبة لمجموعة الألواح الشمسية (كيلوواط) = الطاقة الهيدروليكية المطلوبة (كيلوواط ساعة/يوم)/متوسط ​​الإشعاع الشمسي اليومي (كيلوواط ساعة/م²/يوم × الطاقة × الطاقة)

حيث F = عامل عدم تطابق المصفوفة = 0.85 في المتوسط

وE = كفاءة النظام الفرعي اليومي = 0.25 - 0.40 عادةً

الاقتصاد

بشكل عام، تعتبر المضخات الكهروضوئية اقتصادية مقارنة بمضخات الديزل حتى حوالي 3 كيلو وات لإمدادات المياه في القرية وحوالي 1 كيلو وات للري.

المراجع

روي بارلو، برنارد ماكنيليس، وأنتوني ديريك: ضخ المياه بالطاقة الشمسية. مقدمة وتحديث حول التكنولوجيا والأداء والتكاليف والاقتصاد.
منشورات تكنولوجيا المعلومات، ١٩٩٣.
بيتر فرانكل: أجهزة ضخ المياه. دليل للمستخدمين والمختارين.
منشورات ITDG، ١٩٩٧.
جيف كينا وبيل جيليت: ضخ المياه بالطاقة الشمسية. دليل.
منشورات تكنولوجيا المعلومات، ١٩٨٥.
يو آر إس رينتش: الخلايا الكهروضوئية الشمسية لضخ مياه الري.
SKAT، سانت غالن، ١٩٨٢.
المياه الجوفية: خطوط المياه، المجلد ٢٠، العدد ٢، أكتوبر ٢٠٠١، منشورات ITDG.

عناوين مفيدة

المقر الرئيسي الدولي للجمعية الدولية للطاقة الشمسية (ISES):
فيلا تانهايم، شارع فيزنتال، 50
، فرايبورغ، ألمانيا.
هاتف: 49761459060+
، فاكس: 497614590699+،
بريد إلكتروني: hq@ises.org،
موقع إلكتروني: http://www.ises.org/

المركز الدولي لتطبيقات الطاقة الشمسية (CASE)،
الطابق الثامن، 220 شارع سانت جورج،
بيرث، غرب أستراليا 6000، أستراليا.
هاتف: 61 (08) 9321 7600+
، فاكس: 61 (08) 9321 7497+
، بريد إلكتروني: info@case.gov.au،
موقع إلكتروني: www.case.gov.au

HTN/SKAT
Vadianstrasse 42، CH-9000 سانت غالن، سويسرا.
الهاتف: +41 71 228 54 54
الفاكس: +41 71 228 54 55
البريد الإلكتروني: info@skat.ch
الموقع الإلكتروني: http://www.skat.ch/htn

Lifewater International
2840 Main Street, Morro Bay, CA 93442
عنوان البريد: PO Box 3131, San Luis Obispo, CA 93403, USA
هاتف: +1 805 772 0600، +1 888 543 3426
فاكس: +1 805 772 0606
البريد الإلكتروني: info@lifewater.org
الموقع الإلكتروني: https://lifewater.org/

الشركات المصنعة

يمكنك العثور على قائمة كاملة بجميع مصنعي مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية هنا: http://www.enfsolar.com/directory/application/Water-Pumps

الموردين

ملحوظة: هذه قائمة مختارة من الموردين ولا تعني موافقة شركة Practical Action عليها.

شركة AEG،
شارع إندستريز تراس ٢٩، دي-٢٠٠٠ فيدل، هولشتاين، ألمانيا.
هاتف: ٤٩٤١٠٣٧٠٢١+
فاكس: ٤٩٤١٠٣٨٤٤٧٤+
شركة AY MacDonald للتصنيع،
٤٨٠٠ طريق شافينيل، دوبيوك، آيوا ٥٢٠٠، الولايات المتحدة الأمريكية.
هاتف: ١٣١٩٥٨٣٧٣١١+
فاكس: ١٣١٩٥٨٨٠٧٢٠+
الموقع الإلكتروني: www.aymcdonald.com

BP Solar،
صندوق بريد 191، طريق تشيرتسي،
صنبري أون تيمز TW16 7XA، المملكة المتحدة
هاتف: +44 1932 779543
​​فاكس: +44 1932 762686
الموقع الإلكتروني: www.bpsolar.com

Grundfos International A/S,
Poul Due Jensens Vej 7,Bjerroingbo, DK-8850 الدنمارك
هاتف: 45 86 68 1400+
فاكس: 45 86 68 0468+
الموقع الإلكتروني: www.grundfos.com

Italsolar،
Via A D'Andrea، 6 Nettuno 00048، Italy
هاتف: +39 6 985 0246
فاكس: +39 6 985 0269

شركة مونو للمضخات المحدودة،
صندوق بريد 14، شارع مارتن، أودينشو، مانشستر M34 5DQ، المملكة المتحدة،
هاتف: +44 (0)161 339 9000
، فاكس: +44 (0)161 344 0727،
الموقع الإلكتروني: www.mono-pumps.com

Siemens Solar GmbH،
Frankfurter Ring 152، 80807 ميونيخ، ألمانيا
هاتف: +49 89 636 59158
فاكس: +49 89 636 59173
الموقع الإلكتروني: www.solarpv.com

شركة سينود لمضخات الطاقة الشمسية المحدودة،
٣-٤٤٨ طريق هينجكسين، شنغهاي، الصين
، هاتف: ٨٦-٢١-٢٩٤٢ ٢٧٦٩،
فاكس: ٨٦-٢١-٢٩٤٢ ٢٧٦٩-١٥،
الموقع الإلكتروني: www.seniod-solar.com

Total Energie,
7 Chemin du Plateau, 69570 Dardilly, France
هاتف: 33 4 7252 1320+
فاكس: 33 4 7864 9100+
الموقع الإلكتروني: www.total-energie.com