شرح مختصر لعمل المضخات الشمسية

[د.فهر حياتي]

Abstract

Water shortage is one of the major problems that face Yemen and in certain areas it is becoming critical . Most people in several areas rely on collectable water in ponds and mountain hides which is normally not sufficient for their need . The water supply in some places comes from wells . This is true in most parts of Yemen. In some areas the wells are as deep as 100 meters . In the majority of locations where water pumping is required out of wells or up along steep mountains the means to power pumps are not available or they are difficult and costly to provide. Photovoltaic power or wind power has been proposed as viable alternatives to conventional power . This work has been carried out with the aim of evaluating PV pumping system.
The system under study is made up of a submersible pump type Grundfos SP1A-28 with 100 - 200m head driven by 3x65 V , 550 W motor . The power is delivered from 24 PV modules , each rated at 50 Wp coupled through 1500VA dc/ac inverter . The system is used to pump water out of well to an overall height of 54 meters .
The location chosen for the test is at Al-Jarahi Lat 14deg N , Al-Hodeidah Governate , 30 km inland from the Red Sea coast.
Our observation of the system over the last five months has shown that the average daily pumping capacity was 8.5 m3 /day, the highest pumping was seen to be 10.4 m3/day and the minimum to be
5.9 m3 / day. The maximum pumping rate was achieved at an insolation of 750 W/m2 on inclined modules: Thus for a normal clear day the utilization of the available solar energy was 75 % .


المقـدمة


تعتبر الطاقة الشمسية أهم بدائل الطاقة في الفترة القادمة ولذا تلقى الاهتمام الكبير من الباحثين والمهتمين ببدائل الطاقة لما تتميز به عن مصادر الطاقة الأخرى .
واليمن تعتبر من المناطق التي تتميز بارتفاع نسبة الطاقة الساقطة على المتر المربع على اختلاف مناطقها الجغرافية ما يجعل استغلال الطاقة الشمسية فيها كبديل مجدي للطاقة التقليدية .
كما أن الطبيعة الجغرافية للبلاد (التنوع التضاريسي فيها) يجعل الطاقة الشمسية واستغلالها ذو أهمية كبيرة كونها تعتبر الحل الأمثل لإيصال الطاقة الكهربائية لكثير من مناطقها الجبلية و النائية والتي تتركز فيها كثير من التجمعات السكانية .
ومن ناحية أخرى في المناطق السهلية كسهل تهامة والأودية الكبيرة كوادي حضرموت يمكن استغلال المضخات التي تعمل بالطاقة الشمسية كإحدى التطبيقات الهامة في هذا المجال إذ أن عمق الآبار غالباً تقل في هذه المناطق عن 100 متر ، مما يجعل استغلال الطاقة الشمسية ذو جدوى اقتصادية ، وسوف نركز في هذا البحث على تجربة تطبيقية لمضخة تعمل بالطاقة الكهربائية المولدة من الألواح الشمسية .ولأن خرج الخلايا الشمسية تياراً مستمر لذلك تستخدم المضخات بإحدى طريقتين إما بالتوصيل المباشر للمضخات التي تستخدم موتورات التيار المستمر أو استخدام
(DC/AC inverter) لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد ومن ثم استخدام مضخة تستخدم موتورات التيار المتردد (AC motor) .
ولحساب كمية الطاقة الكهربائية اللازمة من الخلايا نستخدم العلاقات المبينة في المعادلات التالية :[ 1]
EH (kwh / day) = 2.778x10-3 *V(m3 /day)
حيث EH كمية الطاقة الهيدرولوكية اللازمة لضخ حجم V من الماء لارتفاع مقداره H .

القياسات

أولاً : أجريت قياسات المنظومة بالأجهزة الآتية :
جهاز قياس الإشعاع الشمسي بذاكرة مصاحبة .
فولتميتر رقمي .
كليب ميتر .
عداد لقياس كمية الماء .

ثانياً : أسلوب أخذ القياسات للمنظومة :
القياسات اليومية وهي التي تُأخذ بشكل يومي لكمية الطاقة اليومية المجمعة وكمية الماء الذي تم ضخه خلال نفس اليوم .
قياسات دورية لحظية لكمية الطاقة الساقطة لحظياً وتيار وجهد الخلايا وكمية الماء الذي تم ضخه لمدة دقيقة والمناظر للإشعاع الساقط .
قياسات جهاز قياس الإشعاع الشمسي كل نصف ساعة ويخزن في ذاكرة لمدة 22 يوم حتى يتم سحب النتائج وتعاد الدورة مجدداً .
ثالثاً : النتائج المأخوذة من القياسات :
و يوضح الجدول (1) والشكل(1) العلاقة بين شدة الإشعاع الساقط وكمية الماء المجمعة في الدقيقة .
يوضح الجدول (2) والشكل( 2 )العلاقة بين كل من كمية الطاقة الساقطة يومياً وكمية الماء الذي تم ضخه خلال الفترة من 14/2/1999م إلى 5/5/1999م.
و يوضح الشكل (3) كيفية تغير الإشعاع الشمسي لعينات من الأيام خلال فترة الدراسة .

التحليل والاستنتاجات

بالرجوع إلى العلاقة بين الإشعاع الشمسي وكمية الماء المصاحب الموضحة في الجدول (1) ،والشكل (1)
يمكننا أن نلاحظ أن استجابة المضخة لخرج الألواح الشمسية تمر بمنطقتين هما
1- منطقة الهمود للمضخة وهي المنطقة التي لا تدور فيها المضخة ومن خلال الدراسة تقع هذه المنطقة عندما يكون الإشعاع الشمسي الساقط على الألواح أقل من 200 وات/م2 لان التيار الخارج من الألواح الشمسية لايكفي للنهوض بالمضخة أي أن:
Gthreshold = 200 W/m2
2- منطقة العمل للمضخة عندما يكون الإشعاع الشمسي الساقط أعلى من 200 وات/م2 والتي يمكن أن نحللها رياضياً في الشكل(1) باستخدام معادلة ميل المنحني إلى قطاعين هما :
أ-الفترة من 200-500
Slope =(18-1)/(500-200)*100=5.7 L/100 watt ………. (3)
ب-الفترة من 500-1050
Slope =(21-18)/(1000-500)*100=0.6 L/100 watt ………. (4)
حيث:
Slope ميل المنحنى والذي يمثل هنا عدد اللترات من الماء لكل 100 وات ساقطة على المتر المربع من الألواح الشمسية.
يتضح من كمية الطاقة الساقطة في اليوم أنها لا تتناسب بشكل طردي مع كمية الضخ وخصوصاً عند ارتفاع نسبة الطاقة الساقطة ، إذ أنه توجد كمية كبيرة من الطاقة الشمسية لا تستغل وهذا مبين في المعادلتين 3،4 واللتان بينتا الفارق في كمية ضخ الماء عندما يكون الإشعاع الشمسي الساقط على الألواح أقل وأعلى من(500 وات / مترمربع ) فان معدل الماء الذي يضخ يهبط من 5.7لتر/100وات إلى 0.6 لتر/100وات وهذا يعني أن الطاقة التي تزيد عن 500وات /متر المربع مهدرة تقريباً .وبعمل حساب تقريبي مبسط للمنحيات ليوم 18 فبراير ، 15مارس في الشكل
(3) لمعرفة كمية الطاقة الشمسي الساقطة على المتر المربع في اليوم الصحو نجد أن :
كمية الطاقة الساقطة في اليوم = 6300 وات/متر مربع
بينما الطاقة المهدرة من الساعة 8:30 صباحا وحتى 4 عصراً وهي الفترة التي يكون فيها كمية الطاقة الساقطة أعلى من 500وات/متر مربع بحساب المساحة أعلي المنحنى كما يأتي:
كمية الطاقة المهدرة = 2060 وات في اليوم. وتمثل هذه الطاقة 33% من الطاقة الكلية وتنخفض هذه النسبة في الأيام التي يكون الجو فيها ملبداً بالغيوم.وهذه الطاقة الغير مستغلة يمكن استغلالها في تطبيق آخر.
والجدول (2) والشكل (2) يوضحان أن كمية الماء تتناسب تناسباً طردياً مع كمية الطاقة الساقطة في اليوم في أول المنحنى حتى تصل إلى القيمة 5400 وات / اليوم يبدأ التذبذب بين قيمة الطاقة الساقطة في اليوم وكمية الماء الذي تم ضخه ، ويرجع ذلك كون المضخة تعمل في نطاق تشغيلي غير الذي صممت لاجله حيث أن المضخة صممت لرفع حجم ماء أقل من المعطاة في الجدول لارتفاع يزيد عن ضعف الارتفاع الحالي لها وإن كانت القيم التي تبين علو كمية الطاقة الساقطة مع انخفاض كمية الماء ينشأ بعضها عن عدم تنظيف للألواح الشمسية بسبب الأتربة المتراكمة من الرياح التي تكثر في بعض المواسم كون المنطقة زراعية.وعليه يمكننا القول بأنه يوجد حد أدنى للإشعاع الشمسي تبدأ المضخة عنده بالعمل أي لا بد من تيار ابتدائي للمضخة تبدأ عنده بالعمل ،كما أنه يوجد حد علوي مهما زاد الإشعاع الشمسي فإن المضخة لا تعطي ضخاً أعلى منه ، وهذا عادةً يدخل في تصميم المضخة والذي يهم هنا كيف تصمم المضخة وكذلك عدد الألواح الشمسية اللازمة لها لكي تعطي أعلى نسبة ضخ كما يجب مراعاة الحد الأعلى للإشعاع الشمسي وكيف يمكن استغلاله بشكل أمثل في عملية التصميم .ويتضح من المنحنيات المعطاة من المصنع للمضخة المستخدمة في النظام(sp1-28/28) وجد أنها تعطي ماء بمعدل 5 متر مكعب/ اليوم عند ارتفاع 100متر وأنها صممت لهذا لارتفاع أعلى من 100متر[2].ولكن إذا استبدلت بالمضخة (sp 2-28/28) والتي تعمل بنفس القدرة السابقة وبنفس عدد الألواح الشمسية (1200 pw) فانه ستعطي كمية ماء تصل إلى22 متر مكعب/اليوم عوضاً عن كمية الماء المعطاة حالياً عند العمق الذي وضعت فيه المضخة .

التوصيات

1- الاختيار الجيد لنوعية المضخة التي تعمل بالطاقة الشمسية بمراعاة كمية الإشعاع الساقط على المنطقة وعمق الماء
والظروف البيئية المحيطة بالنظام يجعل المضخة تعمل بكفاءة تشغليه عالية.
2- قد يضطر مصمم المضخة تصميمها على حد أعلى للإشعاع الشمسي أقل من القيمة العليا للإشعاع الشمسي
للمنطقة مراعاة للفترات التي ينخفض فيها الشعاع الشمسي نتيجة للظروف المناخية لذا نوصي بعمل دراسة إمكانية
استغلال الطاقة الزائدة في تطبيق آخر وخاصة في الأيام التي يكون الإشعاع الشمسي مرتفعاً خلال ساعات النهار.
3- من المعلوم أن عملية الضخ تتم خلال ساعات النهار فقط لذا يجب دراسة كمية الماء المتدفقة في البئر في الساعة
واختيار العمق المناسب في الماء الذي توضع المضخة فيه وهذا يقودنا إلى التأكيد على عمل دراسة جدوى
اقتصادية للمقارنة بين استخدام أكثر من مضخة صغيرة لأبار متجاورة أو استخدام مضخة أكبر وتغذيتها بعدد
أكبر من الألواح الشمسية وبالتالي إنزال المضخة لأعماق كبيرة.