في كثير من المناطق الزراعية والصحراوية في مصر، تكون الشمس متاحة لساعات طويلة خلال معظم أيام السنة، بينما قد تكون شبكة الكهرباء بعيدة عن موقع المشروع أو غير مستقرة، وفي الوقت نفسه أصبحت تكلفة تشغيل مولدات الديزل عبئًا واضحًا على أصحاب المزارع.
لهذا السبب، أصبح تشغيل طلمبات الآبار بالطاقة الشمسية من الحلول التي يتم الاعتماد عليها بشكل متزايد، خصوصًا في الأراضي الجديدة والمناطق التي يصعب توصيل الكهرباء إليها.
لكن وجود الشمس لا يعني تلقائيًا أن الطاقة الشمسية هي الحل الأفضل لكل بئر أو لكل مشروع.
نجاح المنظومة يعتمد أولًا على فهم احتياجات المزرعة، وبيانات البئر، وكمية المياه المطلوبة، وارتفاع الضخ، وطريقة تشغيل شبكة الري. وبعد معرفة هذه البيانات يمكن تحديد ما إذا كان النظام الشمسي مناسبًا بالفعل أم أن النظام الهجين سيكون أكثر عملية.
كيف تعمل منظومة الضخ بالطاقة الشمسية؟
فكرة المنظومة في الأساس بسيطة: نستفيد من ضوء الشمس لتوفير الكهرباء التي تحتاجها الطلمبة لضخ المياه.
تتكون المنظومة عادةً من مجموعة ألواح شمسية تستقبل أشعة الشمس وتحولها إلى كهرباء مستمرة DC، ثم تنتقل هذه الكهرباء إلى إنفرتر مخصص لتشغيل الطلمبات.
الإنفرتر ليس مجرد جهاز لتحويل الكهرباء، وإنما يقوم بدور مهم في التحكم في تشغيل الطلمبة وسرعتها حسب الطاقة المتاحة من الألواح.
فعندما تكون أشعة الشمس قوية يرتفع إنتاج الألواح وتستطيع الطلمبة العمل بمعدل أكبر، بينما يقل الأداء تدريجيًا عندما تنخفض شدة الإشعاع في الصباح الباكر أو قرب الغروب.
بعد ذلك تقوم الطلمبة، سواء كانت غاطسة داخل البئر أو طلمبة سطحية حسب طبيعة المشروع، بضخ المياه إلى شبكة الري مباشرة أو إلى خزان أو حوض تخزين.
هل تحتاج المنظومة إلى بطاريات؟
من أكثر الأسئلة التي تتكرر عند التفكير في تشغيل الآبار بالطاقة الشمسية: أين سيتم تخزين الكهرباء لاستخدامها ليلًا؟
في عدد كبير من المشروعات الزراعية، لا تكون البطاريات ضرورية من الأساس.
بدلًا من تخزين الكهرباء، يتم تخزين المياه نفسها.
تعمل الطلمبة خلال ساعات الشمس وتضخ المياه إلى خزان أرضي أو خزان مرتفع أو حوض تخزين، ثم يتم استخدام هذه المياه في أوقات الري المناسبة حتى بعد توقف الألواح عن الإنتاج.
وبهذه الطريقة يصبح خزان المياه بمثابة «بطارية» للنظام، لكن بتكلفة وصيانة أبسط بكثير من أنظمة البطاريات الكهربائية الكبيرة.
ولهذا فإن تصميم خزان بسعة مناسبة قد يكون جزءًا مهمًا جدًا من نجاح منظومة الضخ بالطاقة الشمسية.
متى تكون الطاقة الشمسية مجدية اقتصاديًا؟
تكون المنظومة الشمسية أكثر منطقية عندما يكون جزء كبير من استهلاك المياه أو الري خلال ساعات النهار، أو عندما يوجد خزان يمكنه تخزين كمية كافية من المياه للاستخدام بعد الغروب.
كما تصبح جذابة جدًا في الأراضي التي تبعد فيها شبكة الكهرباء مسافات كبيرة، لأن تكلفة مد الكابلات والأعمدة والمحولات قد تكون مرتفعة مقارنة بتكلفة إنشاء محطة شمسية مستقلة.
وتظهر الجدوى بصورة أكبر أيضًا عندما تعتمد المزرعة حاليًا على مولد ديزل يعمل لساعات طويلة كل يوم.
هنا لا يجب مقارنة تكلفة شراء النظام الشمسي بثمن مولد الديزل فقط، وإنما يجب حساب تكلفة الوقود والزيوت والصيانة والنقل والأعطال طوال سنوات التشغيل.
فالمنظومة الشمسية تكون تكلفتها الرئيسية في البداية، بينما تكون تكاليف تشغيلها بعد ذلك محدودة نسبيًا.
لهذا السبب، يكون هذا النوع من الأنظمة مناسبًا بصورة أكبر للمشروعات طويلة الأجل التي ستستمر في تشغيل البئر والري لسنوات.
لكن يجب الانتباه إلى نقطة مهمة: الطاقة الشمسية ليست حلًا سحريًا لكل ظروف التشغيل.
إذا كان المشروع يحتاج إلى ضخ المياه طوال الليل لساعات طويلة، ولا توجد إمكانية لتخزين المياه، فقد لا تكون المنظومة الشمسية المستقلة هي الاختيار الأكثر عملية.
في هذه الحالة يمكن دراسة نظام هجين يجمع بين الطاقة الشمسية ومصدر آخر، مثل شبكة الكهرباء أو مولد احتياطي.
ما البيانات المطلوبة قبل تصميم المنظومة؟
من الأخطاء الشائعة اختيار عدد الألواح أو قدرة الطلمبة اعتمادًا فقط على مساحة الأرض أو على قدرة طلمبة قديمة كانت موجودة في الموقع.
التصميم الصحيح يبدأ من المياه المطلوبة.
يجب أولًا تحديد كمية المياه التي تحتاجها المزرعة يوميًا، والأفضل أن يتم الحساب على أساس فترة الاحتياج الأعلى خلال السنة، وليس على متوسط الاستهلاك فقط.
بعد ذلك يتم حساب الرفع الكلي الذي ستعمل عليه الطلمبة.
وهذا لا يعني عمق البئر فقط، وإنما يشمل منسوب المياه أثناء التشغيل، وارتفاع نقطة التسليم، وفواقد الاحتكاك في المواسير، والضغط المطلوب داخل شبكة الري.
كما يجب معرفة بيانات البئر نفسه، وأهمها قطر البئر، والمنسوب الساكن والديناميكي، ومعدل التصرف الآمن الذي تم تحديده من خلال اختبار الضخ.
هذه المعلومات أساسية لأن النظام الشمسي لا يجب أن يدفع الطلمبة إلى سحب كمية مياه أكبر من قدرة البئر الطبيعية على التعويض.
يجب أيضًا دراسة المكان المخصص لتركيب الألواح، والتأكد من وجود مساحة كافية بعيدًا عن ظلال المباني أو الأشجار أو أي عوائق يمكن أن تقلل إنتاج الطاقة خلال ساعات النهار.
اختيار الطلمبة جزء من التصميم وليس قرارًا منفصلًا
نجاح المحطة الشمسية يعتمد بشكل كبير على اختيار الطلمبة المناسبة.
الطلمبة الأكبر ليست دائمًا هي الأفضل.
إذا تم تركيب طلمبة بقدرة أو تصرف أعلى من احتياج المشروع، فقد يؤدي ذلك إلى زيادة تكلفة الألواح والإنفرتر دون فائدة حقيقية، وقد يسبب أيضًا تشغيل البئر بمعدل أعلى من التصرف الآمن.
وفي المقابل، اختيار طلمبة صغيرة بصورة مبالغ فيها قد يؤدي إلى عدم توفير كمية المياه المطلوبة يوميًا.
لذلك يجب أن يتم اختيار الطلمبة والطاقة الشمسية وشبكة المواسير باعتبارها منظومة واحدة، وليس كل عنصر بصورة منفصلة.
ماذا عن الأيام التي تقل فيها الشمس؟
تصميم المنظومة لا يعتمد على أفضل يوم مشمس في السنة.
يجب مراعاة تغير الإشعاع الشمسي بين الصيف والشتاء، ووجود أيام غائمة أو منخفضة الإشعاع.
ولهذا يتم تحديد قدرة الألواح وهامش التصميم وفقًا لاحتياجات المشروع الفعلية وطريقة التشغيل.
وفي حالة وجود خزان مياه بسعة جيدة، يكون التعامل مع التغيرات اليومية في الإنتاج أسهل كثيرًا.
أما المشروعات التي تحتاج إلى معدل ضخ ثابت طوال الوقت، فقد تحتاج إلى دراسة مصدر طاقة احتياطي أو نظام تشغيل هجين.
صيانة منظومة الضخ بالطاقة الشمسية
من مميزات أنظمة الطاقة الشمسية أنها لا تحتاج إلى صيانة معقدة، لكن هذا لا يعني تركها دون متابعة.
أهم بند في الصيانة هو الحفاظ على نظافة الألواح.
في المناطق الصحراوية والزراعية المفتوحة، يمكن أن تتراكم الأتربة والرمال بسرعة على سطح الألواح، وهذه الطبقة تقلل كمية ضوء الشمس التي تصل إلى الخلايا وبالتالي تخفض إنتاج المحطة.
لذلك يجب وضع جدول تنظيف يتناسب مع طبيعة الموقع وكمية الغبار الموجودة فيه.
كما يجب فحص الكابلات والوصلات بصورة دورية، ومراجعة لوحة التحكم والإنفرتر، والتأكد من عدم وجود ارتفاع غير طبيعي في درجات الحرارة أو رسائل أعطال.
ومن المهم كذلك متابعة أداء الطلمبة والتصرف الخارج من البئر، لأن انخفاض كمية المياه لا يكون سببه دائمًا الألواح الشمسية؛ فقد يكون ناتجًا عن تغير منسوب المياه أو مشكلة في الطلمبة أو انسداد في المواسير أو شبكة الري.
الخلاصة
منظومة الضخ بالطاقة الشمسية يمكن أن تكون استثمارًا ممتازًا للمزارع والآبار، خصوصًا في الأراضي البعيدة عن شبكة الكهرباء أو التي تعتمد بشكل أساسي على مولدات الديزل.
لكن نجاحها يبدأ قبل تركيب أول لوح شمسي.
يجب معرفة احتياجات المياه الحقيقية، وبيانات البئر، والتصرف الآمن، والرفع الكلي، وطبيعة شبكة الري، وعدد ساعات التشغيل المطلوبة.
عندما يتم تصميم المنظومة بناءً على هذه البيانات، يمكن للطاقة الشمسية أن توفر مصدرًا مستقرًا للمياه وتقلل مصروفات التشغيل لسنوات طويلة.
أما اختيار عدد ألواح وطلمبة بطريقة تقديرية دون حسابات واضحة، فقد يؤدي إلى محطة مرتفعة التكلفة لا تعطي كمية المياه المطلوبة، أو إلى منظومة أكبر من احتياجات المشروع بلا فائدة حقيقية.
والقاعدة ببساطة: لا تبدأ من عدد الألواح، ابدأ من كمية المياه التي تحتاجها، ومن قدرة البئر على توفيرها بأمان.