تعتبر أنظمة ضخ المياه بالطاقة الشمسية من التطبيقات العملية والمهمة للطاقة الشمسية، خصوصاً في المناطق القروية والفلاحية التي تحتاج إلى ضخ المياه من الآبار أو الخزانات لري المزروعات أو توفير الماء للاستعمال المنزلي.

في هذا المقال سنتعرف بالتفصيل على كيفية تشغيل مضخة الماء بواسطة الألواح الشمسية، وما هي المكونات الضرورية، وكيفية اختيار المضخة والإنفرتر والألواح، بالإضافة إلى مثال مبسط لفهم طريقة حساب النظام.

ما هو نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية؟

نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية هو منظومة تقوم بتحويل الطاقة القادمة من أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية تستعمل لتشغيل مضخة المياه.

تتكون المنظومة عادةً من:

• الألواح الشمسية Panneaux photovoltaïques
• جهاز التحكم أو Solar Pump Controller / MPPT
• إنفرتر شمسي عند الحاجة، خصوصاً مع المضخات التي تعمل بالتيار المتردد
• مضخة المياه Pompe à eau
• الحمايات الكهربائية
• الكابلات
• الأنابيب
• خزان المياه، ويمكن استعماله لتخزين الماء بدل تخزين الكهرباء

وتعتمد عملية اختيار المكونات على كمية المياه المطلوبة، ارتفاع الضخ، معدل التدفق، قدرة المضخة والإشعاع الشمسي المتوفر في الموقع.

المكونات الأساسية للنظام

1. الألواح الشمسية

الألواح الشمسية هي مصدر الطاقة في النظام.

عندما تصل أشعة الشمس إلى الخلايا الكهروضوئية، تقوم الألواح بإنتاج تيار كهربائي مستمر DC.

مثلاً، يمكن استعمال عدة ألواح وربطها:

Series – على التوالي

لرفع الجهد.

أو:

Parallel – على التوازي

لرفع التيار.

ويجب تحديد عدد الألواح وطريقة ربطها حسب الجهد المطلوب من جهاز التحكم أو الإنفرتر، وليس فقط حسب مجموع القدرة بالواط.

2. Solar Pump Controller أو MPPT

جهاز التحكم الخاص بالمضخة الشمسية يعتبر من أهم أجزاء المنظومة.

وظيفته تنظيم الطاقة القادمة من الألواح وتكييفها مع احتياجات المضخة.

تقنية MPPT – Maximum Power Point Tracking تسمح باستغلال نقطة القدرة القصوى للألواح، وهي مهمة لأن الجهد والتيار الناتجين من الألواح يتغيران حسب الإشعاع ودرجة الحرارة.

3. الإنفرتر الشمسي 

إذا كانت المضخة تعمل بالتيار المتردد AC، يمكن استعمال Solar Pump Inverter لتحويل الكهرباء المستمرة القادمة من الألواح إلى تيار متردد مناسب للمحرك.

كما يقوم الإنفرتر المتخصص بالمضخات بالتحكم في تشغيل المحرك حسب الطاقة الشمسية المتوفرة.

يجب الانتباه إلى أن اختيار الإنفرتر لا يعتمد فقط على قدرة المحرك بالكيلوواط، بل يجب أيضاً التأكد من:

• جهد الألواح
• مجال MPPT
• أقصى جهد DC
• نوع المضخة
• عدد الأطوار
• تيار المحرك
• قدرة الإنفرتر

4. مضخة المياه

يمكن استعمال أنواع مختلفة من المضخات حسب التطبيق.

مضخة غاطسة – Pompe immergée

تستعمل داخل البئر أو مصدر المياه، وهي مناسبة لضخ المياه من الأعماق.

مضخة سطحية – Pompe de surface

تستعمل عندما تكون المضخة خارج مصدر المياه وتقوم بسحب أو دفع المياه.

اختيار المضخة لا يعتمد فقط على قدرتها الكهربائية، بل يجب معرفة التدفق المطلوب وارتفاع الضخ الكلي.

5. الحمايات الكهربائية

يجب عدم إهمال الحماية في نظام الطاقة الشمسية.

يمكن أن تشمل المنظومة حسب التصميم:

• Fusible DC
• Disjoncteur DC
• Sectionneur DC
• Parafoudre DC
• Disjoncteur AC
• Parafoudre AC
• Mise à la terre

ويجب اختيار الحماية والكابلات وفق الجهد والتيار الفعليين للمعدات وتعليمات المصنع والمعايير الكهربائية المعمول بها.

6. الخزان والعوامة

من أفضل الطرق العملية في أنظمة ضخ المياه الشمسية هي استعمال خزان لتخزين الماء.

مثلاً:

Panneaux solaires → Controller/MPPT → Pompe → Réservoir

وعندما يمتلئ الخزان يمكن استعمال Flotteur أو حساس مستوى لإيقاف المضخة.

بهذه الطريقة يمكن تخزين الطاقة على شكل ماء بدل الحاجة إلى تخزينها دائماً في البطاريات.

مخطط مبسط للنظام

يمكن أن يكون الترتيب الأساسي هكذا:

☀️ Panneaux solaires

↓

🛡️ Protection DC

↓

⚡ Solar Pump Controller / MPPT

↓

↓

💧 Pompe à eau

↓

🚰 Tuyau

↓

🛢️ Réservoir

↓

💦 استعمال المياه / الري

ويمكن إضافة عوامة أو حساس مستوى للتحكم في تشغيل وإيقاف المضخة.

هل نحتاج إلى البطاريات؟

ليس بالضرورة.

في بعض أنظمة ضخ المياه، يمكن تشغيل المضخة خلال فترة توفر الطاقة الشمسية، ثم تخزين المياه في خزان.

وهذا قد يكون أكثر بساطة من إضافة بنك بطاريات، خصوصاً في تطبيقات الري وضخ المياه خلال النهار.

لكن إذا كان مطلوباً تشغيل المضخة في أوقات لا تتوفر فيها الطاقة الشمسية، فقد تحتاج المنظومة إلى حل تخزين أو مصدر كهرباء احتياطي حسب التطبيق.

كيف نحسب نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية؟

قبل شراء المعدات، يجب معرفة عدة معلومات أساسية:

1. كمية المياه المطلوبة

مثلاً:

10 m³/jour

أي نحتاج إلى ضخ 10 أمتار مكعبة من الماء يومياً.

2. ارتفاع الضخ

يجب معرفة الارتفاع بين مستوى الماء ونقطة خروج الماء، بالإضافة إلى خسائر الضغط في الأنابيب.

هذا يسمى غالباً:

Total Dynamic Head – TDH

3. معدل التدفق

مثلاً نريد:

2 m³/h

أي أن المضخة تضخ مترين مكعبين من الماء في الساعة عند نقطة التشغيل المطلوبة.

4. قدرة المضخة

بعد معرفة التدفق وارتفاع الضخ، يتم اختيار مضخة لها منحنى أداء مناسب لنقطة التشغيل.

5. قدرة الألواح الشمسية

بعد تحديد احتياجات المضخة، يتم تحديد قدرة المصفوفة الشمسية المناسبة.

لا توجد قاعدة واحدة تصلح لجميع الأنظمة؛ فالحساب يتأثر بالإشعاع الشمسي، درجة الحرارة، خسائر الكابلات، كفاءة المضخة، ظروف الموقع، وكمية المياه المطلوبة.

مثال مبسط

لنفترض أننا نريد إنشاء نظام لضخ:

10 m³ من الماء يومياً

من بئر، مع ارتفاع ضخ إجمالي قدره:

30 متر

ونريد استعمال مضخة شمسية خلال ساعات النهار.

الخطوات تكون:

المرحلة الأولى: تحديد الاحتياج

نحدد كمية الماء المطلوبة:

10 m³/jour

المرحلة الثانية: تحديد الارتفاع

نحسب:

Total Dynamic Head = 30 m

مع مراعاة خسائر الأنابيب والضغط المطلوب عند نقطة الاستخدام.

المرحلة الثالثة: اختيار المضخة

نبحث عن مضخة تستطيع توفير التدفق المطلوب عند 30 m TDH.

لا يكفي أن نقول مثلاً إن المضخة قدرتها 1 kW؛ يجب الرجوع إلى منحنى المضخة لمعرفة كمية الماء التي تستطيع ضخها عند الارتفاع المطلوب.

المرحلة الرابعة: اختيار الإنفرتر

إذا كانت المضخة AC، نختار Solar Pump Inverter متوافقاً مع:

•  قدرة المحرك
• جهد المحرك
• تيار المحرك
• عدد الأطوار
• جهد الألواح
• مجال MPPT

المرحلة الخامسة: اختيار الألواح

يتم تحديد عدد الألواح وقدرتها الإجمالية حسب الطاقة اليومية المطلوبة وظروف الموقع، مع التأكد أن جهد سلسلة الألواح يقع داخل مجال تشغيل MPPT وأن جهد الدارة المفتوحة لا يتجاوز الحد الأقصى للجهاز.

لماذا لا يجب اختيار الألواح حسب قدرة المضخة فقط؟

خطأ شائع هو أن يقول الشخص:

عندي مضخة 1.5 kW، إذن سأضع ألواحاً بقدرة 1.5 kWp فقط.

هذا ليس دائماً اختياراً صحيحاً.

لأن قدرة الألواح الفعلية تتغير مع:

• شدة أشعة الشمس
• درجة الحرارة
• الغبار
• اتجاه الألواح
• زاوية التركيب
• خسائر الكابلات
• خسائر الإنفرتر
• ظروف التشغيل

كما أن اختيار النظام يجب أن يراعي كمية المياه المطلوبة وارتفاع الضخ، وليس القدرة الكهربائية للمضخة فقط.

أهم الأخطاء التي يجب تجنبها

❌ اختيار المضخة حسب القدرة فقط

يجب النظر إلى منحنى الأداء والتدفق والارتفاع.

❌ تركيب عدد عشوائي من الألواح

يجب احترام جهد وتيار مجال MPPT للـController أو Inverter.

❌ تجاهل خسائر الأنابيب

طول وقطر الأنابيب والانحناءات والصمامات يمكن أن تؤثر على الضغط والتدفق.

❌ استعمال كابل غير مناسب

خصوصاً عندما تكون المسافة بين الألواح والمضخة أو الإنفرتر كبيرة.

❌ عدم تركيب الحماية

يجب تصميم الحماية DC وAC والتأريض حسب النظام والمعدات والمعايير المناسبة.

❌ الاعتماد على البطاريات بدون دراسة

في بعض مشاريع ضخ المياه يمكن أن يكون تخزين الماء في خزان حلاً عملياً بدلاً من تخزين الكهرباء في البطاريات. وتبين دراسات أن تصميم النظام يجب أن يراعي الطلب على المياه والارتفاع والطاقة الشمسية المتاحة وطريقة التحكم.

الخلاصة

تشغيل مضخة الماء بالطاقة الشمسية يحتاج إلى أكثر من مجرد توصيل الألواح بالمضخة.

المنظومة الصحيحة تبدأ بـ:

حساب كمية المياه → حساب ارتفاع الضخ → اختيار المضخة → اختيار Controller/MPPT أو Solar Inverter → تحديد الألواح → اختيار الكابلات والحمايات → تركيب النظام واختباره.

وفي كثير من التطبيقات، يمكن استعمال خزان مياه لتخزين المياه التي يتم ضخها خلال ساعات الشمس، مما يجعل النظام أكثر عملية.

وتعتبر أنظمة الضخ بالطاقة الشمسية حلاً مهماً للري وتوفير المياه في المناطق التي يصعب فيها الوصول إلى شبكة الكهرباء، وقد تناولت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة IRENA هذه التطبيقات وفوائدها في مجال الري.

ملاحظة مهمة: القيم والأمثلة في هذا المقال تعليمية. التصميم النهائي يجب أن يعتمد على بيانات المضخة، عمق البئر، TDH، التدفق المطلوب، Datasheet ديال الإنفرتر والألواح، وظروف الموقع، وأن يتم التركيب الكهربائي وفق القواعد والمعايير المعمول بها.

مواضيع مرتبطة يمكنك إضافتها في Noutreelec

• كيفية حساب عدد الألواح الشمسية للمضخة
• كيفية اختيار Solar Pump Inverter
• طريقة حساب قدرة مضخة الماء
• الفرق بين مضخة AC ومضخة DC بالطاقة الشمسية
• طريقة توصيل عوامة الخزان مع مضخة شمسية
• شرح MPPT في أنظمة ضخ المياه
• مخطط كامل لنظام مضخة غاطسة بالطاقة الشمسية
• كيفية اختيار كابل مضخة غاطسة