تطویر نظام للزراعة المائیة باستخدام الطاقة المتجددة لیناسب ظروف المناطق النائیة

نوع المستند : Original Article

المؤلفون

1 أستاذ الهندسة الزراعیة المتفرغ - قسم الهندسة الزراعیة - کلیة الزراعة - جامعة عین شمس - مصر.

2 أستاذ مساعد بقسم الهندسة الزراعیة - کلیة الزراعة – جامعة عین شمس - مصر.

3 باحث - معهد بحوث البساتین - مرکز البحوث الزراعیة بالدقی - الجیزة - مصر.

4 مهندس تنفیذ - مرکز البحوث الزراعیة بالدقی - الجیزة - مصر.

المستخلص

ان الزیادة فی انتاج المحاصیل عن طریق أنظمة الغشاء المغذی تعتبر عملیة اساسیة موجهة للتصدیر للخارج, لتلبیة الطلب المتزاید على الغذاء من سکان جمهوریة مصر العربیة. یعد استخدام الخلایا الشمسیة کمصدر بدیل للطاقة التقلیدیة فی أنظمة ضخ المیاه, واحدا من أهم الاستخدامات الواعدة فی تطبیقات الأنظمة الشمسیة, حیث مع زیادة استخدام أنظمة الضخ ازداد مع توجیه الأنظار للاهتمام بتصمیم هذه الأنظمة (أنظمة الضخ الشمسیة) بشکل أکثر فعالیة لتحقیق الاستفادة القصوى منها, وبالتالی تحقیق عائد اقتصادی مناسب. تهدف هذه الدراسة إلی تقییم نظامین لضخ المیاه بالطاقة الشمسیة تحت ظروف منطقة الوادی الجدید, وهذان النظامین هما نموذج کبیر وآخر صغیر لهما نفس طریقة التصمیم والتشغیل,کل منهما یعتبر نظام مغلق للزراعة المائیة (NFT) وهو نظام تقنیة الفیلم المغذی, وذلک للمساهمة فی تقدیم حل مناسب لمشکلة الکهرباء بالمناطق النائیة, بالاضافة الی ادخال نوع حدیث من الزراعات وهو الزراعة المائیة والتى تعمل على توفیر کمیات المیاه من اجل حل مشکلة ندرة المیاه لمنطقة الدراسة.
أجریت التجارب العملیة بمحافظة الوادی الجدید, مرکز الداخلة, مدینة موط, وقد تم إنشاء النظامین السابقین بنفس التصمیم, ولکن  النظام الأول فی الفترة من بدایة شهر أکتوبر حتى شهر دیسمبر لعام 2013, حیث تم استخدام 4 مودیولات شمسیة ، متصلة مع بعضها على التوازی, کانت مواصفات المودیول الواحد (75 وات, 12 فولت, 4,8 أمبیر)، تم استخدام منظم شحن (50 أمبیر), بطاریة (100 أمبیر/ساعة), انفرتر (300 وات), لتکون بذلک الوحدة الشمسیة مکتملة والتى استخدمت لأدارة مضخة ری شمسیة ذو التیار المتردد، مواصفاتها (375 وات، 220 فولت، 1500 لفة/دقیقة، 2,4 م3/ساعة, 30 م ضاغط) والمستخدمة فی نظام للزراعة المائیة (NFT) على مساحة (3م × 5م)، یتم ملئ الخزان العلوی باستخدام میاه البلدیة (خزان التغذیة, بارتفاع 5ر1 م عن سطح الأرض, بحجم 300 لتر) یدویا  ثم إضافة المحلول المغذی بالمعاییر المطلوبة الی الخزان, وبعدها یتم انسیاب المحلول المغذی مارا بخطوط الزراعة (قطر کل منها 4 بوصة, وبطول 3 م) والمحتویة على شتلات الخیار (عمر 15 یوم), ومنها إلى الخزان الأرضی (خزان التجمیع, مساوی لمستوی سطح الأرض, بحجم 300 لتر), بعد ذلک یتم إعادة تدویر المحلول المغذی منه إلى خزان التغذیة مرة أخری عن طریق المضخة الشمسیة، وتتکرر هذه الدورة عند ری الشتلات.
والثانی نموذج مصغر له على مساحة (5ر0 م × 3 م) فی الفترة من بدایة شهر فبرایر و حتى نهایة شهر ابریل لعام 2014, حیث استخدم مودیول واحد بنفس مواصفات المودیول فی النظام السابق, والذی استخدم معه منظم للشحن (5 أمبیر)، وبطاریة (100 أمبیر/ساعة)، استخدمت هذه الوحدة لأدارة مضخة ری صغیرة من نوع التیار المستمر (30 وات، 12 فولت، 22 لفة/دقیقة، 2 لتر/دقیقة)، اعتمد انسیاب المحلول بنفس الطریقة السابقة للنظام الأول, من خلال انسیابه من خزان التغذیة (25 لتر, وبارتفاع 5ر. م عن سطح الأرض, مارا بخط واحد للزراعة (بقطر 4 بوصة , بطول 3 م), والمحتوی علی شتلات النعناع (عمر 20 یوم), ومنه إلى خزان التجمیع وهو بنفس مواصفات خزان التغذیة ولکنه مساوی لمستوى سطح الأرض, والذی یتم إعادة تدویر المحلول المغذی منه إلى خزان التغذیة مرة أخرى بواسطة المضخة الشمسیة الصغیرة وتتم تکرار هذه الدورة عند ری الشتلات. 
تم تقییم بعض المعاملات على معدل تصرف المحلول للنظامین، هذه المعاملات هی : الاشعاع الشمسی الیومی، سرعة الوران لمحرک المضخة لکلا النظامین، أشارت النتائج الی:
1-     أظهرت نتائج کل من النظامین استجابة جیدة مع التغیر فی کل من هذه العوامل, حیث بزیادة معدل الإشعاع الشمسی الیومی وکذلک عدد اللفات فی الدقیقة لکل من الموتورین, زاد معدل تصرف کل منهما, مع ملاحظة أن زیادة معدل التصرف للموتور ذو التیار المستمر کانت ملحوظة عن زیادة معدل التصرف للموتور ذو التیار المترددز
2-      أقصى معدل التصرف للموتور الأول (ذو التیار المستمر) کان 1.65لتر/ دقیقة عند أقصى قیمة للإشعاع الشمسی لیوم 13 فبرایر 2014 وهى 2.9 میجا جول/م2/یوم  فی تمام الساعة 12:00 ظهرا, وکان معدل التصرف للموتور ذو التیار المتردد (AC) 27 لتر/ دقیقة عند أقصى قیمة للإشعاع الشمسی لیوم 13 أکتوبر 2013 وهی 2.95 میجا جول / م2 / یوم.
3-     بالنسبة للنظام الکبیر کان معدل التغیر فی سرعة دوران الموتور ذو التیار المترر کانت غیر ملحوظة من الساعة 6 صباحا وحتى الساعة الرابعة مساءا خلال ساعات الیوم، بینما النموذج الصغیر کان معدل التغیر فی سرعة دوران الموتور ذو التیار المستمر کانت ملحوظة خلال ساعات الیوم مع تغیر معدل الاشعاع الشمسی، حیث کانت سرعة دوران الموتور 22 لفة/دقیقة عند اعلى قیمة للاشعاع الشمسی 2,9 میجا جول/م2/یوم عند الساعة 12 ظهرا لیوم 13 فبرایر 2014.
بالنسبة لأداء وحدة الزراعة المائیة، أظهر کل من النظامین استجابة جیدة لنمو نباتی الخیار والنعناع تحت ظروف الزراعة المائیة وظروف منطقة الدراسة، قد تم حساب الاستهلاک المائی لنباتی الخیار والنعناع خلال موسم الزراعة (90 یوم)، وأیضا کفادة استخدام المیاه، متوسط مساخة الورقة لکل من النباتین، بالاضافة الى الوزن الطازج لکل من ثمار الخیار، نبات النعناع بأکمله، فی نهایة موسم الزراعة، وکانت النتائج کالتالی:
4-     کان أقصى استهلاک مائی فی اخر 30 یوم (من 61 – 90 یوم) للنبات الواحد لکل من الخیار والنعناع، وکان الاستهلاک المائی الکلی لنبات الخیار والنعناع بعد نهایة موسم الزراعة 46,7 لتر، 9,45 لتر على الترتیب.
5-     أقصی قیم لکفاءة استهلاک المیاه لکلا النباتین فی اول 30 یوم (1 – 30 یوم) من عمر النباتین, وکانت قیم استهلاک المیاه لکلا من نباتی الخیار والنعناع 53,5 جم/لتر ، 42,3 جم/لتر على الترتیب فی نهایة موسم الزراعة.
6-     کانت قیم متوسط مساحة الورقة لکل من نباتی الخیار والنعناع 196,08 سم2، 2,7 سم2 على الترتیب.
7-     الوزن الطازج لثمرة الخیار الواحدة کانت 2500 جم/للنبات الواحد، الوزن الطازج لنبات النعناع بأکمله کانت 400 جم/للنبات الواحد.
التوصیات
1-     لابد من تفعیل الدراسات العلمیة و الأبحات على منطقة الوادى الجدید لتحقیق أقصى استفادة من مواردها.
2-     تفعیل هذا النوع من الزراعات (الزراعة المائیة) على مساحات اکبر فی منطقة الوادی الجدید للحفاظ على کمیات المیاه من الهدار وأیضا للمساهمة فی انتاج محاصیل جدیدة وتحقیق الاکتفاء الذاتی.
 

المراجع

Abd El-Reheim, Z. S. A. and L. Ashraf, 2007, Experimental and theoretical study of a solar desalination system located in Cairo, Egypt, Desalination, 217:52 – 64.

Abdel-Shafy, H. I. and Aly, R. O., 2002, Water Issue in Egypt: Resources and Protection Endeavorse, CEJOEM, Vol.8. No. 1: 3- 21.

Ahmad, G. E. and Schmid, J., 2002, Feasibility study of brackish water desalination in the Egyptian deserts and rural regions using PV systems, Energy Conversion and Management, 43: 2641 – 2649.

Alazard, M.; Leduc, C.; Travi, Y.; Boulet, G. and Ben Salem, A., 2015, Estimating evaporation in semi-arid areas facing data scarcity: Example of the El Haouareb dam (Merguellil catchment, Central Tunisia), Journal of Hydrology: Regional Studies 3 (2015) 265–284.

Awady, M. N., 1978, Tractor and Farm Machinery. Txt bk., Col. Ag., Ain Shams U.: 146 – 167.

Dinar, A.; Benhin, J.; Hassan, R. and Mendelsohn, R., 2012, Climate change and agriculture in Africa, impact assessment and adaption strategies, page 2.

El-Shinawy, M. Z. 1997,Response of cucumber plants to irrigation under some environmental conditions Ph.D. Thesis, Fac. Agric., Ain Shams Univ., Cairo, Egypt, 65 – 66.
Gallardo, M.; L. E. Jackson; K. Schulbach; R. L. Snyder; R. B. Thompson and L. J. Wyland, 1996, Production and water use in lettuces under variable water supply. Irrig. Sci., 16: 125 – 137.

Ghoneim, A. A., 2006, Design optimization of photovoltaic powered water pumping systems, Energy Conversion and Management 47 : 1449–1463.

Grewal, H. S.; Maheshwari, B. and Parks, S. E., 2011, Water and nutrient use efficiency of a low-cost hydroponic greenhouse for a cucumber crop: An Australian case study, Agricultural WaterManagement xxx : xxx–xxx.

Hanif, M.; Ramzan, M.; Rahman, M.; Khan, M.; Amin, M.; Aamir, M., 2012, Studying Power Output of PV Solar Panels at Different Temperatures and Tilt Angles, ISESCO JOURNAL of Science and Technology, volume 8, number 14: 9 – 12 .

Hashem, F. H. 2007, Studies on water requirements and nitrogen fertilization for cucumber under protected cultivation, Master. Thesis, Fac. Agric., Ain Shams Univ., Cairo, Egypt, 41 – 49.

Hegazi, A. M. M., 2010, Solar Powered Irrigation Management Using Neutron Scattering Technique, Agriculture Engineering department, Faculty of Agriculture, Ain Shams University.

New & Renewable Energy Authority (NREA), 2010, Annual Report, Ministry of Electricity & Energy, Pages 28 – 29.
New and Renewable Energy Authority (NREA) 2012, annual report 2012/2013, Ministry of Electricity and Energy, pages 11 – 12.

Senol, R., 2012, An analysis of solar energy and irrigation systems in Turkey, Energy Policy 47: 478 – 486 .

Shabana, H. R. and N. S. Antoun, 1980, The determination of Leaf Area Indate Palm "BeitroyaZurTropischen Land Wirtschaft and VearinarMedizin", 18 (4): 345 – 349 (C. F. Hort. Abst., 51: 9012).

Sopian, K.; Ali, B.; Asim, N., 2011, Strategies for renewable energy applications in the organization of Islamic conference (OIC) countries, Renewable and Sustainable Energy Reviews, volume 15, Issue 9, Pages 4706–4725.

Stamps, R. H., 2007, Effect of Hogland's Solution Concentration and Aeration on Hydroponic PterisVittata Production, Proc. Fla. State Hort. Soc. 120: 337 – 339.

Tawfiq, F. D., 2007, M. N. El-Awady, M. M.; M. M. Hegazy and M. F. M. Abd El-Salam, Utilization of non-traditional energy in water culture for remote areas, Misr Journal of Agricultural Engineering, Vol. 24. No. 1.

Vick, B. D.; Clark, R. N., 2009, Determining the Optimum Solar Water Pumping System for Domestic Use, Livestock Watering or Irrigation, A SES National Solar Conference, American Solar Energy Society.

Wang, S. and F. Zhang. 2004, Effect of different water treatment on photosynthesis characteristics and leaf ultra structure of cucumber growing in solar greenhouse. Acta Hort., 633:397 – 401.

Abd El-Reheim, Z. S. A. and L. Ashraf, 2007, Experimental and theoretical study of a solar desalination system located in Cairo, Egypt, Desalination, 217:52 – 64.

Abdel-Shafy, H. I. and Aly, R. O., 2002, Water Issue in Egypt: Resources and Protection Endeavorse, CEJOEM, Vol.8. No. 1: 3- 21.

Ahmad, G. E. and Schmid, J., 2002, Feasibility study of brackish water desalination in the Egyptian deserts and rural regions using PV systems, Energy Conversion and Management, 43: 2641 – 2649.

Alazard, M.; Leduc, C.; Travi, Y.; Boulet, G. and Ben Salem, A., 2015, Estimating evaporation in semi-arid areas facing data scarcity: Example of the El Haouareb dam (Merguellil catchment, Central Tunisia), Journal of Hydrology: Regional Studies 3 (2015) 265–284.

Awady, M. N., 1978, Tractor and Farm Machinery. Txt bk., Col. Ag., Ain Shams U.: 146 – 167.

Dinar, A.; Benhin, J.; Hassan, R. and Mendelsohn, R., 2012, Climate change and agriculture in Africa, impact assessment and adaption strategies, page 2.

El-Shinawy, M. Z. 1997,Response of cucumber plants to irrigation under some environmental conditions Ph.D. Thesis, Fac. Agric., Ain Shams Univ., Cairo, Egypt, 65 – 66.
Gallardo, M.; L. E. Jackson; K. Schulbach; R. L. Snyder; R. B. Thompson and L. J. Wyland, 1996, Production and water use in lettuces under variable water supply. Irrig. Sci., 16: 125 – 137.

Ghoneim, A. A., 2006, Design optimization of photovoltaic powered water pumping systems, Energy Conversion and Management 47 : 1449–1463.

Grewal, H. S.; Maheshwari, B. and Parks, S. E., 2011, Water and nutrient use efficiency of a low-cost hydroponic greenhouse for a cucumber crop: An Australian case study, Agricultural WaterManagement xxx : xxx–xxx.

Hanif, M.; Ramzan, M.; Rahman, M.; Khan, M.; Amin, M.; Aamir, M., 2012, Studying Power Output of PV Solar Panels at Different Temperatures and Tilt Angles, ISESCO JOURNAL of Science and Technology, volume 8, number 14: 9 – 12 .

Hashem, F. H. 2007, Studies on water requirements and nitrogen fertilization for cucumber under protected cultivation, Master. Thesis, Fac. Agric., Ain Shams Univ., Cairo, Egypt, 41 – 49.

Hegazi, A. M. M., 2010, Solar Powered Irrigation Management Using Neutron Scattering Technique, Agriculture Engineering department, Faculty of Agriculture, Ain Shams University.

New & Renewable Energy Authority (NREA), 2010, Annual Report, Ministry of Electricity & Energy, Pages 28 – 29.
New and Renewable Energy Authority (NREA) 2012, annual report 2012/2013, Ministry of Electricity and Energy, pages 11 – 12.

Senol, R., 2012, An analysis of solar energy and irrigation systems in Turkey, Energy Policy 47: 478 – 486 .

Shabana, H. R. and N. S. Antoun, 1980, The determination of Leaf Area Indate Palm "BeitroyaZurTropischen Land Wirtschaft and VearinarMedizin", 18 (4): 345 – 349 (C. F. Hort. Abst., 51: 9012).

Sopian, K.; Ali, B.; Asim, N., 2011, Strategies for renewable energy applications in the organization of Islamic conference (OIC) countries, Renewable and Sustainable Energy Reviews, volume 15, Issue 9, Pages 4706–4725.

Stamps, R. H., 2007, Effect of Hogland's Solution Concentration and Aeration on Hydroponic PterisVittata Production, Proc. Fla. State Hort. Soc. 120: 337 – 339.

Tawfiq, F. D., 2007, M. N. El-Awady, M. M.; M. M. Hegazy and M. F. M. Abd El-Salam, Utilization of non-traditional energy in water culture for remote areas, Misr Journal of Agricultural Engineering, Vol. 24. No. 1.

Vick, B. D.; Clark, R. N., 2009, Determining the Optimum Solar Water Pumping System for Domestic Use, Livestock Watering or Irrigation, A SES National Solar Conference, American Solar Energy Society.

Wang, S. and F. Zhang. 2004, Effect of different water treatment on photosynthesis characteristics and leaf ultra structure of cucumber growing in solar greenhouse. Acta Hort., 633:397 – 401.
 

ملفات

شارك

إرسال الاستشهاد إلى

الإحصائيات