تقییم أداء نظام ضخ المیاه بالطاقة الشمسیة

طایل, سمیر أحمد; اللیثی, أحمد ماهر; حجازی, أحمد محمود حجازی; السعداوی, یوسف فایز

doi:10.21608/mjae.2019.94460

تقییم أداء نظام ضخ المیاه بالطاقة الشمسیة

نوع المستند : Original Article

المؤلفون

¹ أستاذ الهندسة الزراعیة المتفرغ - کلیة الهندسة الزراعیة - جامعة الأزهر - القاهرة - مصر.

² أستاذ الهندسة الزراعیة - کلیة الهندسة الزراعیة - جامعة الأزهر - أسیوط - مصر.

³ مدرس - وحدة بحوث المیاه والتربة - هیئة الطاقة الذریة - القاهرة - مصر.

⁴ معید بکلیة الهندسة الزراعیة - جامعة الأزهر - أسیوط - مصر.

10.21608/mjae.2019.94460

المستخلص

هناک العدید من العوامل التی تؤثر على أداء الألواح الشمسیة ومن ثم نظم ضخ المیاه المعتمدة علیها. لذا یجب دراسة هذه العوامل لتجنب أو تقلیل تأثیرها السلبی عند تصمیم النظام الکهروضوئی. وبالتالی؛ کان الهدف الرئیسی من هذه الدراسة هو تقییم أداء نظام ضخ میاه بالطاقة الشمسیة (الکهروضوئیة) تحت ظروف التشغیل الفعلیة من خلال دراسة تأثیر شدة الإشعاع الشمسی، تراکم الغبار على الألواح الکهروضوئیة، درجة حرارة الألواح، کفاءة مکونات النظام، ومقارنة تکلفة الإنشاء ودورة الحیاة لکل من الأنظمة الکهروضوئیة. والأنظمة التی تعمل بشبکة الطاقة (الکهرباء)، والأنظمة المعتمدة على مولدات الدیزل. أجریت التجارب فی بنی سلامة - القناطر - محافظة الجیزة - مصر، والتی تقع على خط العرض 30.325364 درجة شمالا، وخط الطول 30.805797 درجة شرقا، وترتفع 19 م فوق مستوى سطح البحر، خلال الفترة من سبتمبر 2016 إلى یونیو 2017، وکانت تؤخذ القیاسات خلال النهار من شروق الشمس إلى غروب الشمس کل 15 دقیقة. تشمل القیاسات: شدة الإشعاع الشمسی (المباشر، على سطح مائل، على سطح أفقی)، درجة حرارة الألواح، خرج المولد الشمسی-مصفوفة الألواح الشمسیة- (التیار المستمر، فرق الجهد، القدرة)، خرج الانفرتر-العاکس- (التیار المتردد، جهد التیار المتردد، التردد HZ)، تصرف المضخة، الضغط الدینامیکی.
کانت النتائج الرئیسیة کالتالی:
• الإشعاعات المباشرة بلغت أعلى القیم طوال النهار بمتوسط یبلغ 913 واط / م ² ، یلیه الإشعاع الحادث على سطح مائل بزاویة علی الأفقی بمتوسط 764 واط / م ² ، فی حین أن الإشعاع الحادث على سطح أفقی کان الأقل قیمة بمتوسط 637 واط / م ².
• عندما تزداد درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئویة فی الصیف والشتاء ، تنخفض کفاءة الألواح الشمسیة بنسبة 0.48٪ و 0.42٪ على التوالی.
• تأثر معدل التدفق تأثرا مباشرا بشدة الاشعاع الشمسی، وبلغ متوسط معدل التدفق (تصرف المضخة) فی دیسمبر ومارس ویونیو 18.2 و 22.2 و 22.8 م ³ / ساعة على التوالی.
• ﺑﻟﻎ ﻣﺗوﺳط ﻋدد ﺳﺎﻋﺎت السطوع اﻟﺷﻣﺳﻲ (المؤثر) ﻓﻲ ﺷﮭر دﯾﺳﻣﺑر، ﻣﺎرس، ویونیو 7، 8 و9 ﺳﺎﻋﺎت ﻋﻟﯽ اﻟﺗواﻟﻲ، وبلغ متوسط ﮐﻣﯾﺔ اﻟﻣﯾﺎه اﻟﺗﻲ تم ﺿخھﺎ ﺧﻼل اﻟﻧﮭﺎر 129 ،164.1 و181.8 م 3 / ﯾوﻣﯾﺎ ﻋﻟﯽ اﻟﺗواﻟﻲ.
• تدهور أداء وخرج ألواح الطاقة الشمسیة نتیجة لتراکم الأتربة، حیث انخفضت قیمة کل من فرق الجهد والتیار من 32 فولت ،6 أمبیر عند کثافة 0جرام/م² إلی 5 فولت ، 2.3 أمبیر عند کثافة أتربة 375 جرام/م².
• تدهورت کفاءة ألواح الطاقة الشمسیة نتیجة لتراکم الأتربة، حیث انخفضت قیمة الکفاءة من 13.2% عند کثافة 0جرام/م² إلی 0.8% عند کثافة أتربة 375 جرام/م².
• بلغت کثافة الأتربة المتراکمة 20.5 جرام/م² واﻧﺧﻔﺿت ﮐﻔﺎءة الألواح اﻟﺷﻣﺳﯾﺔ ﻣن 14.3٪ ﻟﻸﻟواح اﻟﻧظﯾﻔﺔ إﻟﯽ 13.2٪ ﻟﻸﻟواح الغیر نظیفة (نتیجة تراکم الأتربة لمدة ثلاثة أشهر بدون تنظیف).
• انخفض متوسط معدل التدفق (تصرف المضخة) من 21.3 م ³ / ساعة عند استخدام الألواح الشمسیة النظیفة إلى 17.7 م ³ / ساعة عند استخدام الألواح الشمسیة الغیر نظیفة (کثافة الأتربة المتراکمة 20.5 جرام/م²).
• بلغت تکلفة التشغیل فی کل من نظام الطاقة الشمسیة، ومولد الدیزل 9.22، 37.2 جنیه/الساعة، وتکلفة إنتاج (الکیلوواط. ساعة) بلغت 1.32 ، و4.96 جنیه / کیلوواط. ساعة على التوالی، وتکلفة ضخ المتر المکعب من المیاه (جنیه / م ³) 0.43، و1.75 جنیه /م³ على التوالی.جنیه /م ³ على التوالی.
التوصیات:
1- یجب دراسة شدة الإشعاع الشمسی وتصمیم المنظومات الکهروضوئیة بالاعتماد علی أقل قیمة للإشعاع حتى لا تتوقف المنظومة عن العمل فی فصل الشتاء أو عند انخفاض شدة الإشعاع.
2- یفضل تزوید الألواح الکهروضوئیة بأنظمة تتبع للشمس، حتى تستقبل أکبر قدر ممکن من الإشعاع الشمسی وبالتالی ترتفع الطاقة المنتجة من نفس وحدة المساحة.
3- لاستقبال أکبر قدر ممکن من الاشعاع الشمسی جب الاهتمام بزاویة میل الألواح وتغییرها فی کل فصل تبعا للعلاقة (β = φ ± 15)، وزاویة السمت حیث فی نصف الکرة الشمالی یتم توجیه الألواح فی اتجاه الجنوب.
4- مراعاة التنظیف الدوری (مرة فی الشهر) للألواح من الأتربة المتراکمة، حیث تؤدی الی انخفاض الکفاءة وحدوث حروق بالخلایا ((hot spotsوبالتالی فشل المنظومة کلها.
5- یجب اختیار المضخة المناسبة عن طریق حساب التصرف المطلوب، والضاغط الکلی (TDH) الذی ستعمل عنده المضخة، ثم استخدام مخططات الکفاءة لاختیار المضخة المناسبة من منطقة الکفاءة المرتفعة.
6- الإهتمام بوسائل الأمان والحمایة مثل التأریض، وترکیب قواطع التیار بین الألواح والانفرتر، وبین الانفرتر ووحدة الضخ وذلک لحمایة المنظومة من دوائر القصر والحرائق.
7- دراسة طرق فعالة واقتصادیة لتبرید الألواح لتجنب انخفاض الکفاءة.
8- دراسة نظم التتبع الشمسی لزیادة المردود الاقتصادی والانتاجی للألواح الکهروضوئیة.

الكلمات الرئيسية