كيف يعمل نظام المضخة الشمسية دون كهرباء الشبكة؟

يظل الوصول إلى كهرباء موثوقة تحدياً في العديد من المزارع والقرى ومواقع البناء ومشاريع إمداد المياه النائية. ومع ذلك، فإن مضخة الماء ليست بحاجةٍ دوماً إلى الاتصال بشبكة الكهرباء العامة.

أ مضخة شمسية يستخدم النظام الطاقة التي تولّدها الألواح الشمسية لتشغيل مضخة مائية. وباعتمادٍ على تصميم النظام، يمكن للمضخة أن تعمل مباشرةً خلال ساعات النهار أو تستخدم طاقةً مُخزَّنةً عند غياب أشعة الشمس.

إذن، كيف تعمل المضخة المائية الشمسية دون كهرباء الشبكة؟ يشرح هذا المقال المكونات الرئيسية وعملية التشغيل والعوامل المهمة في تصميم نظام ضخ شمسي بعيد عن الشبكة.

هل تعمل المضخة الشمسية فعلاً دون كهرباء؟

لا يعمل مضخة شمسية دون طاقة. بل تعمل بدون كهرباء الشبكة.

يحوّل النظام ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية عبر ألواح شمسية كهروضوئية. ثم تُدار هذه الطاقة بواسطة وحدة تحكم المضخة الشمسية أو عاكس كهربائي، وتُزوَّد بها المضخة المائية.

وبعبارة أخرى، يكون تدفق الطاقة على النحو التالي:

ضوء الشمس → الألواح الشمسية → وحدة تحكم المضخة أو العاكس → المضخة المائية → نظام تخزين المياه أو توزيعها

وبما أن النظام يُنتج طاقته الكهربائية بنفسه، فإنه قادر على العمل في المواقع التي لا تتوفر فيها كهرباء الشبكة، أو تكون غير مستقرة، أو مكلفة جدًّا تركيبها.

المكونات الرئيسية لنظام المضخة الشمسية

ويشمل نظام المضخة الشمسية الكامل عادةً المكونات التالية.

1. لوحات شمسية

تلتقط الألواح الشمسية ضوء الشمس وتحوله إلى تيار كهربائي مباشر.

ويتوقف عدد الألواح وقدرتها على عدة عوامل من بينها:

• قوة مضخة
• معدل تدفق المياه المطلوب
• إجمالي رأس الضخ
• الإشعاع الشمسي المحلي
• ساعات التشغيل اليومية
• الظروف الجوية الموسمية

يجب أن توفر مجموعة الألواح الشمسية جهدًا وطاقة كافيين لتشغيل المضخة عند بدء التشغيل والعمل تحت ظروف الإضاءة الشمسية العادية.

٢. وحدة تحكم المضخة الشمسية

تُعَد وحدة التحكم واحدة من أهم مكونات نظام الضخ الشمسي.

وتقوم هذه الوحدة بتنظيم الكهرباء التي تولّدها الألواح الشمسية وتزود المضخة بطاقة مستقرة. كما تستخدم العديد من وحدات التحكم الحديثة في المضخات الشمسية تقنية تتبع نقطة القدرة القصوى، والمعروفة اختصارًا باسم MPPT، لتحسين استغلال الطاقة عند تغير شدة الإضاءة الشمسية.

قد توفر وحدة التحكم في المضخة الشمسية أيضًا حمايةً ضد:

• التشغيل الجاف
• الجهد الزائد
• انخفاض الجهد
• التيار الزائد
• إجهاد المحرك الزائد
• عكس القطب
• فيضان خزان المياه

تساعد هذه وظائف الحماية في تحسين موثوقية النظام وتمديد عمر خدمة المضخة.

٣. مضخة مياه تيار مستمر أو تيار متناوب

يمكن لأنظمة ضخ الطاقة الشمسية أن تستخدم إما مضخات تيار مباشر أو مضخات تيار متناوب.

يمكن لمضخة شمسية تعمل بالتيار المباشر عادةً أن تتلقى الطاقة مباشرةً من وحدة تحكم شمسية متوافقة. وتُستخدم غالبًا في الأنظمة الصغيرة والمتوسطة الحجم بسبب بساطة تركيبها وكفاءتها العالية في تحويل الطاقة.

تتطلب مضخة المياه التي تعمل بالتيار المتناوب وجود محول خاص للمضخات الشمسية. ويقوم هذا المحول بتحويل الكهرباء ذات التيار المباشر الناتجة عن الألواح الشمسية إلى كهرباء تيار متناوب مناسبة للمحرك الذي يعمل بالتيار المتناوب.

قد تكون المضخة:

• مضخة لبئٍ عميق مضخة غاطسة
• مضخة طرد مركزي سطحية
• مضخة ري شمسية
• مضخة صرف صحي أو تصريف
• مضخة رافعة للضغط

يعتمد اختيار نوع المضخة الصحيح على مصدر المياه والغرض المطلوب.

٤. أجهزة استشعار مستوى الماء

يمكن تركيب أجهزة استشعار مستوى الماء في البئر وخزان التخزين.

يحمي جهاز الاستشعار المنخفض للماء المضخة عندما ينخفض مستوى الماء في البئر أكثر من اللازم. ويوقف جهاز استشعار مستوى الخزان المضخة عند امتلاء خزان التخزين.

يقلل التحكم الآلي من التشغيل غير الضروري ويساعد في منع تلف المضخة.

٥. خزان تخزين الماء

غالبًا ما يكون خزان تخزين الماء أكثر عمليةً من مجموعة البطاريات.

خلال الساعات المشمسة، تقوم المضخة بنقل الماء إلى الخزان. ويمكن بعد ذلك استخدام الماء المُخزن في المساء أو أثناء الليل أو في الفترات الغائمة.

تتيح هذه الطريقة تخزين الطاقة على هيئة ماء بدلًا من الكهرباء. وعادةً ما تقلل من تكلفة النظام ومتطلبات الصيانة.

٦. نظام بطاريات اختياري

يمكن إضافة البطاريات عندما يجب ضخ الماء خارج ساعات النهار.

مع ذلك، تؤدي البطاريات إلى زيادة الاستثمار الأولي وتحتاج إلى إدارة إضافية. ويجب أخذ سعة البطارية وأداء الشحن ودرجة حرارة التشغيل وعمر الخدمة في الاعتبار جميعها.

للكثير من مشاريع المياه الزراعية والمنزلية، يُعد ضخ المياه إلى خزان تخزين مرتفع خلال النهار حلاً أكثر اقتصادية.

كيف يعمل النظام خلال النهار؟

عندما تصل أشعة الشمس إلى الألواح الشمسية، تبدأ هذه الألواح بإنتاج الكهرباء.

يتحقق وحدة التحكم مما إذا كانت الجهد والطاقة المتاحة كافيتين لتشغيل المضخة. وعند استيفاء شروط التشغيل، تبدأ المضخة بالعمل.

تحت أشعة الشمس القوية، يمكن للمضخة أن تعمل بقرب أدائها الاسمي. وعند انخفاض الإشعاع الشمسي، تقوم وحدة التحكم بتعديل التردد التشغيلي أو سرعة المحرك وفقًا للطاقة المتاحة.

وبالتالي، قد يتغير تدفق المياه على مدار اليوم.

يُنتج المضخة عادةً كمية أقل من المياه في الصباح الباكر والعصر المتأخر، بينما يتحقق أعلى إنتاج عمومًا في منتصف النهار.

ماذا يحدث في الأيام الغائمة؟

يمكن لمضخات الطاقة الشمسية أن تعمل ما زالت تحت ظروف غائمة جزئيًا، لكن أداؤها يعتمد على شدة ضوء الشمس المتاح.

قد تؤدي الغيوم الخفيفة فقط إلى خفض سرعة المضخة ومعدل التدفق. أما الغيوم الكثيفة فقد تخفض طاقة الطاقة الشمسية دون الحد الأدنى المطلوب للتشغيل، مما يؤدي إلى توقف وحدة التحكم عن تشغيل المضخة مؤقتًا.

وعندما يعود ضوء الشمس الكافي، يمكن للنظام أن يبدأ التشغيل تلقائيًا مرة أخرى.

لهذا السبب يجب تصميم أنظمة المضخات الشمسية وفقًا لطلب المياه اليومي، وليس فقط وفقًا لأقصى معدل تدفق للمضخة.

كما أن خزان المياه ذا السعة المناسبة يمكنه توفير احتياطي خلال الفترات الغائمة.

كيف تعمل المضخة الشمسية ليلاً؟

يتوقف نظام المضخة الشمسية المباشر عن العمل عادةً بعد غروب الشمس لأن الألواح لم تعد تُولِّد الكهرباء.

وهناك ثلاث حلول شائعة لتوفير المياه ليلاً:

• تخزين المياه في خزان خلال ساعات النهار.
• إضافة بطاريات لتوفير الكهرباء أثناء الليل.
• استخدام وحدة تحكم هجينة قادرة على استقبال الطاقة من الألواح الشمسية أو الشبكة الكهربائية أو المولد.

في معظم تطبيقات الري وتوفير المياه للماشية، يُفضَّل ضخ المياه خلال النهار مع تخزينها في خزانات.

أما في التطبيقات التي تتطلب ضخًّا مستمرًّا، فقد يكون من الضروري استخدام نظام هجين أو نظام مدعوم بالبطاريات.

كيف يُختار نظام الضخ الشمسي المناسب؟

لا يعتمد اختيار مضخة شمسية فقط على قدرة المحرك.

يجب التأكد من المعلومات التالية قبل اختيار النظام:

مصدر المياه

قد تكون مصدر المياه بئرًا عميقًا أو بئرًا سطحيًّا أو نهرًا أو بركةً أو خزَّانًا تجميعيًّا أو خزَّان تخزين. ويحدد مصدر المياه ما إذا كانت المضخة الغاطسة أو السطحية أكثر ملاءمة.

الرأس الديناميكي الكلي

يشمل ارتفاع الرأس الديناميكي الكلي ما يلي:

• ارتفاع الرفع العمودي
• الضغط المطلوب عند المنفذ
• فقدان الضغط بسبب الاحتكاك في الأنبوب
• التغيرات في مستوى الماء
• المسافة بين المضخة ونقطة التفريغ

تجاهل خسائر الأنبوب قد يؤدي إلى تدفق غير كافٍ بعد التركيب.

الطلب اليومي على الماء

يجب تصميم النظام وفقًا لإجمالي حجم الماء المطلوب يوميًّا.

على سبيل المثال، قد تتطلب مشاريع الري معدل تدفق عاليًا لعدة ساعات، بينما قد تتطلب أنظمة سقي الماشية كمية أصغر لكنها أكثر انتظامًا يوميًّا.

الظروف الشمسية المحلية

يختلف عدد ساعات ضوء الشمس الفعّالة حسب البلد والفصل وموقع التركيب.

قد لا يوفّر النظام المصمَّم لمنطقة ذات إضاءة شمسية قوية على مدار السنة نفس الإنتاج في منطقة تشهد فصولاً غائمة طويلة.

إدرار البئر

يجب ألا يتجاوز تدفق المضخة الإنتاج المستدام للماء من البئر.

قد يؤدي اختيار مضخّة كبيرة الحجم بشكل مفرط إلى انخفاض سريع في مستوى المياه وتفعيل حماية التشغيل الجاف بشكل متكرر.

هل يمكن استخدام مضخّات المياه الموجودة بالفعل مع الألواح الشمسية؟

في بعض الحالات، يمكن تشغيل مضخّة تيار متناوب موجودة باستخدام محول مضخّة شمسية.

ومع ذلك، يجب أن تكون المحول والألواح الشمسية والمضخّة متناسقةً بشكل مناسب. ويجب التحقق من متطلبات بدء تشغيل المحرك والتيار المُصنَّف وفولتية التشغيل وأداء المضخّة.

لا يُوصى بتوصيل الألواح الشمسية مباشرةً بمضخّة تيار متناوب تقليدية.

لِمَشْرُوعٍ جَدِيدٍ، يُوفِّرُ اخْتِيَارُ نِظَامِ ضَخٍّ شَمْسِيٍّ كَامِلٍ عَادَةً تَوَافُقًا أَفْضَلَ وَحِمَايَةً أَكْثَرَ.

الفَوَائِدُ الرَّئِيسِيَّةُ لِنِظَامِ الضَّخِّ الشَّمْسِيِّ غَيْرِ المُتَّصِلِ بِالشَّبَكَةِ

يُمْكِنُ لِنِظَامِ الضَّخِّ الشَّمْسِيِّ المُصَمَّمِ تَصْمِيمًا صَحِيحًا أَنْ يُوفِّرَ عَدَّةَ فَوَائِدَ:

• عَدَمُ الاتِّكَالِ عَلَى شَبَكَةِ الكَهْرَبَاءِ العَامَّةِ
• خَفْضُ اسْتِهْلَاكِ وَقُودِ الدِّيزِلِ
• خَفْضُ التَّكَالِيفِ اليَوْمِيَّةِ لِلْعَمَلِ
• العَمَلُ التَّلْقَائِيُّ خِلَالَ فَتْرَةِ سُطُوعِ الشَّمْسِ
• مُنَاسِبٌ لِلتَّثْبِيتَاتِ النَّاءِيَةِ
• تَهْيِئَةُ لَوَحَاتٍ شَمْسِيَّةٍ قَابِلَةٍ لِلتَّوْسِعِ
• خَفْضُ الصِّيَانَةِ مُقَارَنَةً بِنِظَامَاتِ المُولِّدَاتِ
• استخدام مرن للري الزراعي وتغذية الماشية والإمدادات المنزلية للمياه

ومع ذلك، تعتمد هذه الفوائد على تحديد حجم النظام وتركيبه بشكلٍ صحيح.

الخاتمة

يعمل نظام الضخ الشمسي دون الحاجة إلى الكهرباء من الشبكة، وذلك عبر تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية واستخدام وحدة تحكّم أو عاكس لتشغيل مضخة المياه.

يمكن أن يعمل النظام مباشرةً أثناء ساعات النهار، أو يخزن المياه للاستخدام لاحقًا، أو يدمج الطاقة الشمسية مع بطاريات أو مولّد أو كهرباء الشبكة.

سر التشغيل الموثوق ليس مجرّد تركيب عدد أكبر من الألواح الشمسية. بل يجب أخذ المضخة ووحدة التحكّم والمصفوفة الشمسية ومصدر المياه والارتفاع الإجمالي والطلب اليومي على المياه في الاعتبار كنظامٍ كاملٍ واحد.

توفر شركة AINAFLY مضخات شمسية لآبار عميقة، ومضخات غاطسة شمسية، وحلول ضخ شمسية مخصصة للري الزراعي وتغذية الماشية والإمدادات المنزلية للمياه والمشاريع النائية.

اتصل بفريق AINAFLY للحصول على توصيف مناسب للمضخة والألواح الشمسية بناءً على متطلبات مشروعك.