في هذا البرنامج التعليمي، نتعمق في تعقيدات تصميم نظام المضخة الشمسية، وهو حل مستدام يستخدم الطاقة الشمسية لضخ المياه. تعتبر هذه الأنظمة مثالية للمواقع النائية أو خارج الشبكة، وهي ذات أهمية متزايدة في الزراعة الحديثة، وإدارة الثروة الحيوانية، وإمدادات المياه في المناطق الريفية.

ملخص

يستخدم نظام المضخة الشمسية الألواح الكهروضوئية لتشغيل مضخة المياه، مما يلغي الحاجة إلى الكهرباء التقليدية أو الديزل. وتمتد تطبيقاته من الري إلى إمدادات مياه الشرب في المناطق التي تفتقر إلى الاتصال بالشبكة.

فوائد

الميزة الأساسية لأنظمة المضخات الشمسية تكمن في مصدر الطاقة المتجددة، مما يقلل من تكاليف التشغيل والبصمة الكربونية. وهي مفيدة بشكل خاص في المناطق النائية، حيث توفر حلاً موثوقًا وصديقًا للبيئة لضخ المياه.

الخطوة 1: تقييم الاحتياجات المائية

تحديد معدل التدفق والرأس الديناميكي الإجمالي (TDH): احسب معدل تدفق المياه اللازم، معبرًا عنه باللتر في الثانية أو الجالون في الدقيقة. يشمل TDH الرفع الرأسي، والمسافة الأفقية، وفقد الاحتكاك داخل النظام.

على سبيل المثال: نوع المضخة: مضخة غاطسة، معدل التدفق: 6 م3/، الرأس الرأسي: 60 متر المسافة الأفقية: 100 متر

تحليل المتطلبات:
متطلبات معدل التدفق: 6 م³/ساعة
الرأس العمودي: 63.3 متر (مسافة أفقية 100 متر = رأس عمودي 3.3 متر)
وقت تشغيل النظام يوميًا: 6 ساعات (بافتراض يوم مشمس)

الخطوة 2: اختيار المضخة

نوع المضخة: اختر بين المضخات الغاطسة للآبار أو المضخات السطحية لمصادر المياه مثل الأنهار أو البحيرات.
مواصفات المضخة: تأكد من أن معدل تدفق المضخة وسعة الرأس يلبيان متطلباتك المحسوبة.

المضخة : مضخة 2.2 كيلو وات 220 فولت أو 380 فولت. الحد الأقصى لرأسه هو 127 مترا.
معدل التدفق هو 6 متر مكعب/ساعة عند 83 مترًا، وهو ما يلبي المتطلبات.

ملحوظة:
نظرًا لأن المضخة والعاكس 380 فولت تتطلب مدخلات جهد أعلى، مما قد يؤدي إلى هدر الطاقة عند توصيلها بالألواح الشمسية، فإننا نقترح اختيار مضخة 220 فولت بدلاً من ذلك.
بالنسبة لمضخة أحادية الطور 220 فولت، يكون المكثف الخارجي ضروريًا (حيث يقوم العاكس بالفعل بإجراء تحويل الطور داخليًا)، بينما يجب إزالة مكثف التشغيل/التشغيل.

الخطوة 3: اختيار العاكس المناسب

نوع العاكس: اختر عاكسًا مزودًا بتقنية MPPT (أقصى تتبع لنقطة الطاقة) لتحسين الكفاءة.
الحجم والمواصفات: يجب أن يتطابق العاكس مع متطلبات طاقة المضخة وإخراج الألواح الشمسية.

بناءً على المواصفات المعروفة للمضخة (2.2 كيلو واط، 220 فولت، مرحلة واحدة)، نموذج العاكس الموصى به هو HSPH2200L ونطاق جهد الإدخال MPPT DC الموصى به على النحو التالي:
300Vmp <DC Input<450Voc (Only Solar)
340Vmp <DC Input<400Voc (Hybrid Power)

ملحوظة: الحد الأقصى لجهد الإدخال وجهد العمل للعاكس سيحدد طريقة توصيل الألواح الشمسية.

الخطوة 4: حساب الألواح الشمسية

طاقة الألواح الشمسية: يجب ضرب إجمالي الطاقة التي تحتاجها المضخة بـ 1.5 للتعويض عن عدم الكفاءة وتقلب ضوء الشمس.
عدد اللوحات: احسب عدد اللوحات المطلوبة بناءً على القوة الكهربائية للوحة الفردية.

طاقة الألواح الشمسية

يجب أن تكون الطاقة الإجمالية للألواح الشمسية 1.5 مرة من قوة مضخة المياه وهي 2.2 كيلو واط * 1.5 = 3.3 كيلو واط. 3.3 كيلو واط / 0.405 كيلو واط = 8.148 لوحة.

اتصال الألواح الشمسية

الحد الأقصى لجهد دائرة الإدخال للعاكس هو 450Voc. إذا أخذنا في الاعتبار جهد التشغيل الموصى به وهو 300Vmp، فيمكننا حساب عدد اللوحات التي يمكن توصيلها على التوالي.

450Voc/37.58Voc = 11.97 لوحة (الحد الأقصى)

300Vmp/31.47Vmp = 9.53 لوحة (الحد الأدنى)

ملحوظة
يعد ضبط طاقة اللوحة الشمسية على 1.5 مرة من قوة مضخة المياه قيمة نظرية. يمكن تعديله وفقًا لظروف ضوء الشمس المحلية. إذا كانت ظروف ضوء الشمس جيدة، يمكنك تقليل عدد الألواح الشمسية. وعلى العكس من ذلك قد تحتاج إلى زيادة عدد الألواح الشمسية لضمان إمدادات الطاقة الكافية.

الخطوة 5: تكوين النظام

ترتيب اللوحة: حدد التكوين المتسلسل أو المتوازي بناءً على مواصفات جهد العاكس والتيار.
التركيب والتوجيه: خطط للتعرض الأمثل لأشعة الشمس أثناء تركيب الألواح وتوجيهها.

كيف يعمل النظام مع 11 قطعة من الألواح الشمسية المتصلة في السلسلة؟
ربط 11 لوحة بدلاً من الحد الأدنى المطلوب 8 لوحات سيكون له تأثير على تشغيل النظام. يمكن حساب إجمالي إمدادات المياه يوميًا على أساس 7 ساعات من التشغيل. مع تركيب المزيد من الألواح الشمسية، سيكون وقت إخراج المياه المقدر أعلى. وعلى العكس من ذلك، إذا تم توصيل عدد أقل من الألواح، فسيتم تقليل إجمالي إمدادات المياه. ولذلك، فإن عدد الألواح الشمسية المتصلة يؤثر بشكل مباشر على القدرة الإجمالية لإمدادات المياه للنظام.
كيف يعمل النظام مع 6 قطع من الألواح الشمسية متصلة في سلسلة؟
6 * 31.47 = 188.82. نظرًا لأن الحد الأدنى لمتطلبات جهد الإدخال للعاكس هو 200 فولت أو أكثر، فإن توصيل 6 لوحات فقط قد يؤدي إلى تشغيل حماية الجهد المنخفض للعاكس
كيف يعمل النظام مع 7 قطع من الألواح الشمسية متصلة في سلسلة؟
لن يؤدي استخدام 7 لوحات إلى تشغيل حماية الجهد المنخفض للعاكس (7 * 31.47 فولت = 220.29 فولت). لا يزال بإمكان النظام العمل، ولكن سيتم تقليل خرج مضخة المياه، وقد لا يصل إلى معدل التدفق المقدر.

لذلك تكوين النظام:

تدفق المياه: 6 م³/ساعة، ارتفاع الرفع العمودي: 60 م،

المسافة الأفقية 100 متر.

حل:

المضخة: 2.2KW 220V 1phase (مكثف خارجي)

العاكس: HSPH2200L

الألواح الشمسية: 9 قطع بقوة 405 وات في السلسلة

التدفق المقدر: 6 م³/ساعة*6 = 36 م³ @ 80 رأس (يوم مشمس)

الخطوة 6: التوصيلات الكهربائية لتصميم نظام المضخة الشمسية

1. تخطيط التخطيط الكهربائي

تحديد موضع المكون: التعرف على مواضع الألواح الشمسية وصندوق التجميع والعاكس ومضخة المياه.

حساب أطوال الكابلات: قياس وحساب أطوال الكابلات المطلوبة لتوصيل جميع المكونات بكفاءة.

2. اختيار الكابلات

كابلات العاصمة: استخدم كابلات القياس المناسبة لتوصيل الألواح الشمسية بصندوق الموحد ومن صندوق الموحد إلى العاكس.

كابلات التيار المتردد: استخدم الكابلات المناسبة لتوصيل العاكس بمضخة المياه.

التأريض: التأكد من وجود كابلات التأريض المناسبة لحماية النظام من الأعطال الكهربائية.

3. تثبيت صندوق الموحد

تصاعد: قم بتركيب صندوق الدمج الكهروضوئي بشكل آمن بالقرب من الألواح الشمسية.

روابط: قم بتوصيل الأطراف الموجبة والسالبة للألواح الشمسية بالمدخلات المقابلة في صندوق الموحد.

أجهزة السلامة: تأكد من تركيب الصمامات وأجهزة الحماية من زيادة التيار داخل صندوق الموحد.

4. توصيل العاكس

مدخلات العاصمة: قم بتوصيل الإخراج من صندوق الموحد إلى أطراف إدخال التيار المستمر للعاكس.

إخراج التيار المتردد: قم بتوصيل أطراف إخراج التيار المتردد للعاكس بمضخة المياه.

مدخل التيار المتردد (وظيفة هجينة): قم بتوصيل أطراف إدخال التيار المتردد للعاكس بمضخة المياه.

5. التأريض

تركيب قضيب الأرض: قم بتركيب قضبان أرضية بالقرب من العاكس وصندوق الدمج.

اتصالات التأريض: قم بتوصيل جميع الأجزاء المعدنية للنظام بالقضبان الأرضية باستخدام كابلات التأريض.

6. الفحوصات والاختبارات النهائية

فحص الاتصالات: تأكد من أن جميع التوصيلات محكمة وآمنة.

فحص القطبية: تحقق من القطبية الصحيحة لجميع توصيلات التيار المستمر لمنع تلف المكونات.

اختبار النظام: قم بتشغيل النظام وتحقق من التشغيل السليم. مراقبة الجهد والتيار للتأكد من أنها ضمن النطاقات المقبولة.

7. التوثيق والسلامة

وضع العلامات: قم بتسمية جميع الكابلات والمكونات لسهولة التعرف عليها.

احتياطات السلامة: اتبع جميع بروتوكولات السلامة وتأكد من تثبيت النظام وفقًا للقوانين والمعايير الكهربائية المحلية.

8. اختيار المفاعلات

تحديد الحاجة إلى المفاعلات: يمكن للمفاعلات أن تساعد في إدارة ارتفاعات الجهد، وتقليل التوافقيات، وتحسين جودة الطاقة بشكل عام. يوصى بشدة باستخدام المفاعلات عندما يتجاوز طول كابل المضخة 100 متر.

أنواع المفاعلات:

مفاعلات العاصمة: يتم وضعه على جانب التيار المستمر لتنعيم تيار التيار المستمر.
مفاعلات التيار المتردد: يتم وضعه على جانب التيار المتردد لتصفية التوافقيات وتحسين جودة الطاقة.

التوصيات:

متى يتم استخدام المفاعلات: يوصى بشدة باستخدام المفاعلات عندما يتجاوز طول كابل المضخة 100 متر.
فوائد: استخدام المفاعلات يساعد على:
- حماية العاكس والمضخة من طفرات الجهد.
- تقليل الضوضاء الكهربائية والتوافقيات.
- تحسين كفاءة وطول عمر النظام.

اختيار المفاعلات المناسبة:

التصويت الحالي: التأكد من قدرة المفاعل على التعامل مع المستويات الحالية للنظام.
قيمة الحث: اختر مفاعلًا ذا قيمة حثية تتوافق مع متطلبات النظام.
تثبيت: يتم تركيب المفاعل بين العاكس ومضخة الماء أو حسب ما يحدده تصميم النظام.

الخطوة 7: اختيار الأنابيب والصمامات لنظام المضخة الشمسية

يعد الاختيار الصحيح للأنابيب والصمامات أمرًا بالغ الأهمية لضمان كفاءة وطول عمر نظام المضخة الشمسية. فيما يلي الاعتبارات الرئيسية:

1. تحديد مادة الأنابيب

PVC (البولي فينيل كلورايد):

مزايا: خفيف الوزن، مقاوم للتآكل، سهل التركيب.
التطبيقات: مناسب لمعظم أنظمة المضخات الشمسية، خاصة للمنشآت الصغيرة والمتوسطة الحجم.

HDPE (البولي إيثيلين عالي الكثافة):

مزايا: مرن ومتين ومقاوم للصدمات والمواد الكيميائية.
التطبيقات: مثالي للأنظمة والمنشآت الأكبر حجمًا في البيئات القاسية.

الصلب المجلفن:

مزايا: قوي ومتين.
التطبيقات: يستخدم في أنظمة الضغط العالي أو حيث تتعرض الأنابيب للتلف الميكانيكي.

2. قطر الأنبوب

حساب متطلبات معدل التدفق:

حدد معدل التدفق المطلوب لنظامك بناءً على سعة المضخة واحتياجات التطبيق.

اختيار القطر الصحيح:

تعمل الأنابيب ذات القطر الأكبر على تقليل خسائر الاحتكاك وتحسين الكفاءة ولكنها قد تكون أكثر تكلفة.
استخدم مخططات معدل التدفق وجداول فقدان الاحتكاك لتحديد قطر الأنبوب المناسب لمتطلباتك المحددة.

3. طول الأنبوب

قياس المسافة:

قياس المسافة الإجمالية من مصدر المياه إلى نقطة الاستخدام.

تقليل الانحناءات والتجهيزات:

يؤدي تقليل عدد الانحناءات والتجهيزات إلى تقليل فقد الضغط وتحسين كفاءة النظام.

4. تصنيف الضغط

تطابق تصنيف ضغط الأنابيب:

تأكد من أن الأنابيب يمكنها تحمل أقصى ضغط تنتجه المضخة.

النظر في خسائر الضغط:

ضع في الاعتبار فقدان الضغط الناتج عن الاحتكاك وتغيرات الارتفاع في عملية اختيار الأنابيب.

5. اعتبارات التثبيت

تأمين ودعم الأنابيب:

تأمين ودعم الأنابيب بشكل صحيح لمنع الترهل والتلف.

السماح بالتمدد الحراري:

مراعاة التمدد الحراري، خاصة بالنسبة للأنابيب البلاستيكية، لتجنب التلف الناتج عن التغيرات في درجات الحرارة.

تجنب غرف معادلة الضغط:

تأكد من المنحدر والتهوية المناسبين لمنع غرف معادلة الضغط في النظام.

6. اختيار الصمامات

نوع الصمامات:

بوابة الصمامات: يستخدم للتحكم في التشغيل/الإيقاف مع الحد الأدنى من انخفاض الضغط.
الصمامات الكروية: توفير ختم موثوق وسهل التشغيل.
فحص الصمامات: منع التدفق العكسي وضمان التدفق أحادي الاتجاه.

مادة الصمامات:

بولي كلوريد الفينيل: مقاومة للتآكل ومناسبة لتطبيقات الضغط المنخفض.
نحاس: متين ومناسب لمجموعة واسعة من التطبيقات.
الفولاذ المقاوم للصدأ: قوة عالية ومقاومة للتآكل لأنظمة الضغط العالي.

تحجيم الصمام:

قم بمطابقة حجم الصمام مع قطر الأنبوب لضمان التحكم الفعال في التدفق والحد الأدنى من فقدان الضغط.

7. الصيانة وإمكانية الوصول

سهولة الوصول للصيانة:

صمم النظام بحيث يمكن الوصول إلى الأنابيب والصمامات للفحص والصيانة.

المتانة وعمر الخدمة:

اختر المواد وطرق التثبيت التي تزيد من عمر ومتانة الأنابيب والصمامات.

الخطوة 8: النظام تثبيت

الاعتبارات العملية لتركيب نظام المضخة الشمسية

عند تركيب نظام المضخة الشمسية، ضع النقاط الرئيسية التالية في الاعتبار لضمان إعداد ناجح وفعال:

احتياطات السلامة

شخص مؤهل: يجب على الفنيين المؤهلين فقط إجراء عملية التثبيت.
إيقاف التشغيل: التأكد من تنفيذ كافة التوصيلات الكهربائية مع إيقاف التيار الكهربائي.
واقية: ارتداء القفازات والنظارات الواقية وأحذية السلامة.

اختيار الموقع وإعداده

تجنب الظلال: تركيب الألواح الشمسية في أماكن خالية من الظل.
مؤسسة قوية: تأكد من أن هيكل التثبيت آمن ويمكنه تحمل الرياح القوية.
التباعد المناسب: الحفاظ على مسافة كافية بين الألواح الشمسية.

تركيب الألواح الشمسية

استخدم مواد مقاومة للتآكل: اختر سبائك الصلب أو الألومنيوم للأقواس الشمسية.
تسوية الأساس: مراعاة تسوية الأساسات خاصة في التربة الناعمة أو الرملية.
تقليل طول السلك: ضع الألواح الشمسية بالقرب من العاكس.
معلمات متسقة: استخدام الألواح الشمسية ذات المواصفات المطابقة.
التهوية لصندوق الموحد: يتم تركيبه في منطقة جيدة التهوية، بعيدًا عن أشعة الشمس المباشرة.

توصيلات كهربائية

تحقق من القطبية: تأكد من القطبية الصحيحة لجميع توصيلات التيار المستمر.
الحجم المناسب للكابل: استخدم الكابلات التي يمكنها التعامل مع الحمل الحالي وتقليل انخفاض الجهد.
اتصالات آمنة: أحكم ربط جميع التوصيلات الكهربائية لمنع حدوث قوس كهربائي.

تركيب العاكس

تهوية جيدة: قم بتركيب العاكس في منطقة جيدة التهوية، بعيدًا عن أشعة الشمس المباشرة.
التثبيت جنبًا إلى جنب: ضع محولات متعددة جنبًا إلى جنب، وليس مكدسة.

تركيب المضخة

العمق الصحيح: تركيب المضخات على الأقل 1 متر تحت مستوى الماء الديناميكي و 5 أمتار فوق قاع البئر.
تركيب آمن: استخدم حبلًا سلكيًا ومشابك لتأمين المضخة.
اختيار الأنابيب المناسب: استخدم أنابيب PVC للرؤوس التي تصل إلى مسافة 100 متر وأنابيب الصلب المعالجة للصدأ للتركيبات العميقة.

استخدام المفاعل

الكابلات الطويلة: استخدم مفاعلات لكابلات المضخة التي يزيد طولها عن 100 متر لإدارة ارتفاعات الجهد وتقليل التوافقيات. ثخن كابل الإخراج.

التأريض والحماية من الصواعق

التأريض الموثوق: قم بتأريض جميع المكونات بشكل صحيح.
مانعات الصواعق: التثبيت كما هو محدد للحماية من الصواعق

الخطوة 9: الاختبار والتشغيل

اختبار النظام: وصف الإجراءات للتأكد من أن النظام يعمل بشكل صحيح.
نصائح استكشاف الأخطاء وإصلاحها: تقديم حلول لمشاكل النظام المشترك.

الخطوة 10: الصيانة والمراقبة(كيفية صيانة نظام المضخة الشمسية)

صيانة دورية: وضع جدول صيانة للمضخة والألواح والعاكس.
أداء نظام المراقبة: مناقشة طرق مراقبة وضمان كفاءة النظام على المدى الطويل.

الخطوة 11: استكشاف أخطاء نظام المضخة الشمسية وإصلاحها

1. تحقق من مصدر الطاقة

أولاً، تأكد من أن الألواح الشمسية أو مجموعة البطاريات تعمل بشكل صحيح. تشمل مشكلات إمدادات الطاقة الشائعة ما يلي:

عوائق الألواح الشمسية: تحقق من عدم وجود غبار أو أوراق شجر أو أي حطام آخر يغطي الألواح الشمسية، مما قد يؤثر على امتصاص الضوء.
مشكلات الاتصال: فحص التوصيلات بين الألواح الشمسية وحزمة البطارية للتأكد من أنها آمنة وخالية من التآكل.
فحص الجهد: استخدم مقياسًا متعددًا لقياس الجهد الناتج من الألواح الشمسية وحزمة البطارية، والتأكد من أنه ضمن النطاق الطبيعي.

2. تحقق من العاكس

يعد العاكس مكونًا حاسمًا يحول طاقة التيار المستمر من الألواح الشمسية إلى طاقة تيار متردد للمضخة. يمكن أن تؤثر مشاكل العاكس على النظام بأكمله:

رموز الخطأ: تحقق من وجود أي رموز خطأ أو مؤشرات خطأ على لوحة عرض العاكس.
روابط: التأكد من أن جميع التوصيلات الكهربائية من وإلى العاكس آمنة وخالية من التآكل.
ارتفاع درجة الحرارة: تأكد من ارتفاع درجة حرارة العاكس، مما قد يكون علامة على وجود خلل أو عدم كفاية التهوية.

3. فحص نظام المضخة وخطوط الأنابيب

تعد المضخة وخطوط الأنابيب المكونات الأساسية لنظام المضخة الشمسية، وتؤثر حالتها بشكل مباشر على الكفاءة:

محرك المضخة: استمع للضوضاء أو الاهتزازات غير العادية الصادرة من محرك المضخة، حيث أن ارتفاع درجة الحرارة أو الأصوات غير الطبيعية يمكن أن تشير إلى وجود مشاكل.
مضخة المكره: تأكد من عدم انحشار دافعة المضخة بالحطام أو تلفها.
تسربات خطوط الأنابيب: افحص خط الأنابيب بحثًا عن أي تسربات، والتي يمكن أن تسبب عدم كفاية ضغط الماء وتقليل أداء المضخة.

4. تحقق من أجهزة الاستشعار والمفاتيح

تقوم أجهزة الاستشعار والمفاتيح بمراقبة تشغيل النظام والتحكم فيه، وأي أخطاء يمكن أن تعطل الأداء الطبيعي:

مفتاح التبديل بالعوامة: تحقق مما إذا كان المفتاح العائم عالقًا أو تالفًا. يكتشف هذا المفتاح مستويات المياه ويتحكم في تشغيل وإيقاف تشغيل المضخة.
مقياس الضغط: تأكد من عدم انسداد أو تلف مستشعر الضغط. يراقب ضغط النظام ويمنع الضغط الزائد أو الضغط المنخفض.

5. العوامل البيئية

يمكن أن تؤثر الظروف البيئية أيضًا على تشغيل نظام المضخة الشمسية:

تأثير درجة الحرارة: درجات الحرارة القصوى يمكن أن تؤثر على كفاءة الألواح الشمسية وأداء البطارية. تأكد من أن النظام يعمل ضمن نطاق درجة الحرارة الموصى به.
احوال الطقس: فترات طويلة من الطقس الغائم أو الممطر يمكن أن تؤدي إلى عدم كفاية شحن الألواح الشمسية. تحقق من سجلات الطقس والتنبؤات لتحديد ما إذا كانت مشكلة الطاقة مؤقتة.

6. استشر الدعم الفني المحترف

إذا لم تحل الاختبارات المذكورة أعلاه المشكلة، فمن المستحسن الاتصال بالدعم الفني المتخصص. يمكن للخبراء تقديم تشخيصات وحلول متعمقة:

أعراض خطأ الوثيقة: قم بتسجيل أعراض الخطأ وخطوات استكشاف الأخطاء وإصلاحها التي تم اتخاذها بالفعل، حتى يتمكن فريق الدعم الفني من فهم المشكلة بشكل أفضل.
توفير معلومات النظام: قم بمشاركة التفاصيل حول طراز النظام وتاريخ التثبيت وبيئة التشغيل لمساعدة الفنيين على تحديد المشكلة بسرعة.