مضخة شمسية لأفريقيا: حدّد الحجم لأسوأ شهر، لا للمتوسط

الإجابة المختصرة: تفشل مضخة المياه الشمسية في أفريقيا بسبب خطأ في التصميم، لا بمشكلة في التقنية. القارة تمتلك أحد أفضل الموارد الشمسية على الأرض، بين 4.5 و6.5 kWh/m2/day، لذا يكاد كل موقع يملك شمساً كافية. ما يُحطّم المشاريع هو التحديد على أساس المتوسط السنوي وتجاهل الأشهر الغائمة، أو التحديد على أساس عمق البئر بدل منسوب الماء. صمّم لأسوأ شهر لديك، وخفّض قدرة الشمس بصدق بسبب الحرارة والغبار، ونفس المضخة ستخدمك طوال العام.

أبيع هذه الأنظمة في شرق وغرب أفريقيا كل أسبوع، والنمط دائماً واحد. يملك المشتري بئراً جيدة وشمساً جيدة ومضخة حُدّدت على جدول بيانات مُعدّ لمناخ أوروبي. إليك كيف تحدّد مواصفات مضخة تنجو فعلاً من يوليو الكيني.

لماذا تكون أفريقيا أسهل وأصعب مكان لبيع الضخّ الشمسي

تُعدّ الموارد عالمية المستوى حقاً. تضع الدراسات في كينيا الإشعاع الأفقي الكلي عند نحو 2400 kWh/m2/year، ويشير الممارسون إلى نطاق وطني يتراوح بين 4.5 و6.5 kWh/m2/day. وهذا أفضل من معظم جنوب أوروبا.

القيود هي ما يجعل العمل حقيقياً:

لاحظ أن الشمس لا تظهر ولو مرة واحدة في جانب المشكلة. إذا فشل مشروعك، فالشمس لم تكن السبب.

شمس كينيا في يوليو ليست كشمسها في يناير

هذا هو الرقم الذي لا يفحصه أحد تقريباً، وهو الرقم الذي يقرّر ما إذا كان خزانك فارغاً في موسم الجفاف.

متوسط الإشعاع الشمسي اليومي على سطح أفقي، kWh/m2/day، بيانات FAO.

اقرأ صفّ نيروبي مجدداً. يعطي يوليو 3.72، مقابل 6.34 في يناير. هذه هبوط بنسبة 41 percent في منتصف العام، بسبب الغيوم الكثيفة لموسم البرودة، وتقع تماماً عندما لا يملك المزارع المعتمد على المطر شيئاً ويتحمّل المزارع المروّى حمل الموسم بأكمله.

إذا صمّمت نظامك على المتوسط السنوي 5.24 ويوليو يعطي 3.72، فأنت تنقص بنحو 30 percent على الورق قبل حتى الحديث عن الخسائر.

والآن خفّض قدرة الشمس، لأن الألواح في حرارة 35 C لا تعطي قدرة الاسم

تفقد الألواح قدرة مع ارتفاع حرارتها، عادةً بنحو 0.35 percent من الجهد لكل درجة فوق 25 C، واللوح الجالس تحت الشمس الكاملة في موقع حار يعمل عند 60-65 C. أضف الغبار وخسائر المتحكم والمحرك، ويكون معامل الأداء العملي في هذه المنطقة 0.75 إلى 0.80، لا 0.85 الذي تستخدمه في مناخ معتدل. أعمل بمعامل 0.78.

لذا فالقاعدة التي أستخدمها لكل تقدير أفريقي هي:

يتناسب الحجم اليومي تقريباً مع التدفّق عند إجمالي الارتفاع الديناميكي × GHI بالـ kWh/m2/day × 0.78.

بالنسبة لنيروبي في يوليو يعطي ذلك 3.72 × 0.78 = 2.9 ساعة ضخّ بالتدفق الكامل. لا 8. لا 24. تقريباً ثلاث.

تقتبس الكثير من جداول القاعدة العامة 5 ساعات ذروة شمسية للمناطق الاستوائية. هذا هو المورد، لا ما يهبط في خزانك. الفرق بين 5 و2.9 هو الفرق بين نظام يعمل وزبون يظنّ أن الطاقة الشمسية لعبة.

الأرقام الثلاثة التي يجب أن تقيسها قبل اختيار أي شيء

انسَ عمق البئر. هو الرقم الذي يبدأ به المشترون دائماً وهو ليس الرقم الذي يحُدّد حجم المضخة تقريباً أبداً.

1. منسوب الماء الساكن - مدى بعد سطح الماء تحت الأرض، يُقاس بمقياس الغمر أو يُقرأ من سجلّ الحفّار. هذا هو الرقم المهم. حفرة 100 m بها ماء على عمق 15 m هي عمل سهل؛ نفس الحفرة 100 m بها ماء على عمق 85 m هي مضخة مختلفة تماماً. وهذا يُعثر المشترين أكثر من أي شيء آخر، وهو سبب كتابتي دليلاً منفصلاً عن الآبار العميقة 100 m.
2. الهبوط في منسوب الماء - مدى انخفاض منسوب الماء بمجرد بدء الضخّ. في طبقة مائية ضعيفة قد يكون 5 m، وفي قوية 1 m. إذا لم يقسه أحد، ضع 5 m وأكّد بعد الأسبوع الأول من التشغيل.
3. الرفع والاحتكاك في الأنبوب فوق الأرض - الارتفاع إلى الخزان زائد احتكاك أنبوب التوصيل. استخدم نحو 10 m من الأنبوب لكل 1 m من الارتفاع للأقطار القياسية، لذا فإن 50 m من الأنبوب تكلّفك 5 m من الارتفاع.

اجمعها: منسوب الماء الساكن + الهبوط + ارتفاع الخزان + احتكاك الأنبوب = إجمالي الارتفاع الديناميكي. الطريقة الكاملة موجودة في كيف تحسب إجمالي الارتفاع الديناميكي.

ثم حوّل احتياجك من الماء إلى معدّل تدفّق:

التدفّق المطلوب (m3/h) = الاحتياج اليومي من الماء (m3) / ساعات الضخّ الفعالة في أسوأ شهر لديك.

مثال محسوب: 0.3 ha من الخضروات قرب ماتشاكوس، كينيا

مهمة حقيقية، مع الأرقام التي سأستخدمها فعلاً.

المزرعة. 0.3 ha (3,000 m2) من الخضروات بالتنقيط، عند 4 mm/day، أي 12 m3/day. بئر عمقها 45 m، ومنسوب الماء الساكن 16 m، وهبوط المنسوب 4 m، وخزان على ارتفاع 6 m فوق الأرض، و50 m من أنبوب التوصيل.

الارتفاع. 16 + 4 + 6 + 5 = 31 m إجمالي الارتفاع الديناميكي.

أسوأ شهر. يوليو، GHI 3.72، لذا 3.72 × 0.78 = 2.9 ساعة فعّالة.

نقطة العمل. 12 ÷ 2.9 = 4.1 m3/h عند 31 m.

المضخة. ارتفاع القطع لا يقلّ عن 1.3 × 31 = 40 m، وتدفّق أقصى أعلى بوضوح من 4.1 m3/h. وهذا يشير إلى 4DSC6-45-48-500: 500 W، 48 V، تدفّق أقصى 6 m3/h، وارتفاع أقصى 45 m. وارتفاع القطع لديها 1.45 ضعف ارتفاع العمل، لذا يقع نقطة العمل داخل المنحنى لا قرب حافّته.

تحذير صادق واحد بشأن رقم 6 m3/h هذا: هو التدفّق قرب ارتفاع الصفر، لا عند 31 m. اقرأ دائماً نقطة العمل الفعلية من منحنى H-Q المنشور بدل افتراض أن التدفّق المقدّر ينطبق على ارتفاعك، وهو ما يغطّيه كيف تقرأ منحنى المضخة.

الألواح. 500 W × 1.3 = 650 W كحدّ أدنى، لذا لوحان بقدرة 550 W على التوالي، 1,100 W. على متحكم DF-48 يعطي ذلك جهد Vmp لسلسلة قرب 84 V، داخل نافذة MPPT 60-90 V، وجهد Voc قرب 99 V مقابل حدّ 120 V. تفاصيل التوصيل موجودة في مخطط توصيل المتحكم.

التخزين. 12 m3/day × 1.5 إلى 3، لذا خزان 20 m3.

ما يؤمّنه هذا النظام فعلاً. في يناير، مع 6.34 × 0.78 = 4.9 ساعة، ينقل نحو 22 m3/day، ما يكفي لدفع المزرعة إلى 0.5 ha. في يوليو، مع 2.9 ساعة، ينقل نحو 13 m3/day، يغطّي المحصول بالكاد. نفس المضخة، نفس الألواح، نفس الأنبوب. الموسم يقوم بالباقي. تلك الفجوة هي ما تصمّم من أجلها، وهي سبب أن الخزان ليس اختيارياً.

إذا أردت تشغيل أرقامك بدل أرقامي، أدخِلها في أداة تحديد الحجم وستعمل لك الارتفاع والطراز.

اشترِ الألواح للجهد، لا للواط: فخّ MPPT في المناخ الحار

هذا هو الجزء الذي يفاجئ من قرأ أدلة الطاقة الشمسية الأوروبية. في مناخ بارد يكون الخطر صباحاً بارداً يدفع جهد Voc للألواح فوق حدّ المتحكم. في المناطق الاستوائية لا يوجد صباح بارد، لذا يختفي خطر Voc عملياً، والفخّ الحقيقي هو العكس: الحرارة تُنزل Vmp دون نافذة MPPT.

النتيجة العملية هي أنه في المضخات عالية الجهد غالباً ما يتعيّن عليك إضافة لوح لسبب الجهد حتى عندما يكون لديك واط كافٍ بالفعل. اعملها عبر نوافذ المتحكم الفعلية:

صفوف DF-110 هي ما يكلّف الناس مالاً. تبدو ثلاثة ألواح 550 W صحيحة على الورق، وفي موقع 35 C عند منتصف النهار تنجرف إلى نحو 107 V، تماماً تحت أرضية 110 V للنافذة. تستمر المضخة في العمل، لذا لا ينتبه أحد؛ ببساطة تعطي ماءً أقلّ في أشدّ ساعة حرارة من اليوم. أربعة ألواح على التوالي تحلّها، وبما أن المواقع الاستوائية لا تشهد طفرة Voc باردة، فإن جهد Voc لسلسلة 200 V يجلس بأمان تحت حدّ 220 V.

إذا كان نقطة العمل لديك تحتاج إلى أكثر من 6 m3/h، فمن المفيد معرفة ذلك مبكراً، لأن كامل تشكيلة 48 V تنتهي عند نحو 6 m3/h. فوق ذلك تنتقل إلى فئة 110 V، ويجب أن تضع في ميزانيتك أربعة ألواح 550 W حتى لو كانت قدرة المضخة وحدها تبرّر اثنين أو ثلاثة فقط.

الرمال والطمي والملوحة: لماذا تهمّ مادة المروحة الدافعة أكثر هنا

مشترٍ أوروبي يضخّ ماء جوفياً نظيفاً. مشترٍ أفريقي غالباً ما يضخّ من نهر موسمي، أو بئر مبطّنة بالرمال، أو بئر في الأراضي القاحلة وشبه القاحلة حيث الماء عسر وأحياناً مالح قليلاً.

ذلك يغيّر المضخة التي يجب أن تشتريها، لا الحجم، بل المادة.

• المراوح الدافعة البلاستيكية (سلسلتا 2DPC و3DPC) هي الخيار الاقتصادي وجيدة تماماً على الماء النظيف بساعات تشغيل متواضعة.
• المراوح الدافعة من الفولاذ المقاوم للصدأ (3DSC و4DSC و6DSC و8DSC) هي ما تريده عندما يحمل الماء رمالاً أو طمياً، عندما تعمل المضخة 2,000 ساعة في السنة أو أكثر، أو عندما يكون الماء عدائياً. التيار المحمّل بالحصى يأكل مروحة بلاستيكية خلال موسم أو اثنين.

المقايضة الكاملة موجودة في المروحة الدافعة البلاستيكية مقابل الفولاذ المقاوم للصدأ، وآلية تلف الرمال في التعامل مع رمال المضخة الشمسية. إذا أخذت شيئاً واحداً من هذا القسم: في مشروع في الأراضي شبه القاحلة، الفولاذ المقاوم للصدأ ليس ترقية، بل هو المواصفات.

اختبر الماء أيضاً قبل الشراء، لا بعده. الملوحة العالية أو الحديد يغيّران خيار المضخة وطريقة الريّ معاً.

التركيب، والميل، والغبار، والسرقة

أربع تفاصيل تركيب مختلفة هنا، ويخطئ فيها طواقم التركيب المدربة في أوروبا بانتظام.

الميل. النصيحة المعتادة هي إمالة الألواح بزاوية خط عرضك. تقع كينيا بين نحو 5 درجات شمالاً و5 درجات جنوباً، لذا تقول هذه القاعدة بتركيبها شبه أفقي. لا تركّبها أفقية تماماً. استخدم 10 إلى 15 درجة، متجهةً شمالاً في نصف الكرة الجنوبي وجنوباً في نصف الكرة الشمالي. التميل البسيط لا يكلّفك شيئاً تقريباً في الإنتاجية ويسمح للمطر بغسل الغبار بدل تركه يخبز في قشرة.

الغبار. في الشمال القاحل، من مار سابيت إلى توركانا وعبر الساحل، التلوّث ليس خطأ تقريبياً. مصفوفة مغبّرة بشدّة قد تفقد 10 إلى 20 percent من إنتاجها. خطّط لتنظيف شهري وأدخله في عقد الصيانة، لأن مصفوفة مغبرة تبدو متطابقة مع مضخة معطّلة للمزارع.

السرقة. الألواح محمولة وثمينة وغالباً الشيء الغالي الوحيد في موقع ريفي. ارفع إطار التركيب فوق متناول اليد جيداً، واستخدم براغي مضادّة للعبث، وإن أمكن ركّب المصفوفة على برج الخزان أو داخل ساحة مسيّجة مع بيت المضخة. في المشاريع المجتمعية، الملكية المجتمعية هي تدبير الأمان الوحيد الذي يعمل بثبات.

الكابل. الهبوط الطويل إلى ماء عميق يعني مسارات كابل طويلة، وهبوط الجهد يأكل الفرق بين مضخة تؤدّي وأخرى تعرج. عند 100 m من كابل الهبوط يكون هذا خسارة حقيقية قابلة للقياس، والأحجام الصحيحة موجودة في تحديد حجم كابل المضخة الشمسية.

سلم طرازات حقيقي لآبار أفريقيا

هذه طرازات فعلية من تشكيلتنا، مرتّبة حسب المهمة التي تناسبها. كل طراز وكل رقم أدناه من جداول المواصفات المنشورة لدينا.

التدرّج مطّرد عبر التشكيلة كلها: 2DPC و3DPC للمهام الصغيرة بمروحة دافعة بلاستيكية على ماء نظيف، و3DSC و4DSC عندما يحمل الماء رمالاً أو تعمل المضخة ساعات طويلة، و6DSC و8DSC عندما يكون العمل مشروعاً لا مزرعة. إذا كان مشروعك إمداداً مجتمعياً لا مزرعة واحدة، فإن منطق التحديد يتحوّل نحو ذروة طلب اليوم، وهو مغطّى في مضخة شمسية لإمداد قرية بالماء.

الأشياء الخمسة التي تقرّر ما إذا كان المشروع ينجو

بترتيب مدى تكرار قتلها لمشروع فعلاً:

1. خزان محدّد لحجم موسم الغيوم. حدّد التخزين بـ 2 إلى 3 أضعاف الاحتياج اليومي، لا 1. خزان يغطّي يوماً جيداً فقط سيكون فارغاً في يوليو، وسيستنتج المزارع أن الطاقة الشمسية لا تعمل.
2. التحديد على أساس الشهر المشمس. أيّ شخص يذكر لك حجماً يومياً واحداً دون السؤال عن أسوأ شهر لديك يخمّن. اسأله أيّ رقم استخدم وافحصه مقابل الجدول أعلاه.
3. بُعد قطع الغيار والصيانة. مضخة لا يمكنك الحصول لها على مروحة دافعة هي مضخة بعمر سنتين. اشترِ حجماً إطارياً متوفّراً في منطقتك، وأبقِ مروحة دافعة احتياطية واحدة في الموقع.
4. الأمان. السياج، والتركيب المرتفع، والملكية المجتمعية. رأيت أنظمة عاملة تُنزع للخردة، وهي درس أصعب من أي فشل تقني.
5. جودة الماء مُختبرة قبل الشراء. الرمال والملوحة والحديد كلها تغيّر المواصفات. اختبر أولاً؛ تكلّف شيئاً تافهاً وتحمي الاستثمار كله.

كل شيء آخر، الارتفاع، والكابل، ونافذة الجهد، وحجم الخزان، حساب، والحساب موجود في هذه المقالة.

تصمّم نظاماً في كينيا أو نيجيريا أو السنغال أو تنزانيا؟ أدخِل منسوب الماء الساكن واحتياجك اليومي من الماء وارتفاع الخزان في أداة تحديد الحجم، أو راسلني على واتساب مع منسوب مائك وعمق بئرك واحتياجك اليومي من الماء، وسأعود إليك بطراز وعدد ألواح وحجم خزان محدّد لأسوأ شهر لديك.