مضخة تعمل بالطاقة الشمسية

تعمل المضخات الشمسية بالكهرباء المولدة من الألواح الكهروضوئية أو بالطاقة الحرارية المنبعثة من ضوء الشمس، على عكس مضخات المياه التي تعمل بالكهرباء من الشبكة أو الديزل. ^{[ 1 ]} تتكون المضخات الشمسية عادةً من مجموعة ألواح شمسية، ووحدة تحكم في شحن الطاقة الشمسية، ومضخة مياه تعمل بالتيار المستمر، وصندوق فيوزات/قواطع كهربائية، وأسلاك كهربائية، وخزان لتخزين المياه. ^{[ 2 ]} يُعد تشغيل المضخات الشمسية أكثر اقتصادية، ويعود ذلك أساسًا إلى انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة، كما أنه أقل تأثيرًا على البيئة من المضخات التي تعمل بمحرك احتراق داخلي . تُعد المضخات الشمسية مفيدة في الأماكن التي لا تتوفر فيها الكهرباء من الشبكة أو يكون استخدامها غير عملي، ولا توفر فيها المصادر البديلة (وخاصة طاقة الرياح) طاقة كافية.

يتكون نظام المضخة الذي يعمل بالطاقة الشمسية الكهروضوئية من ثلاثة أجزاء رئيسية: لوحة شمسية واحدة أو أكثر ، ووحدة تحكم، ومضخة. وتشكل الألواح الشمسية الجزء الأكبر (حتى 80%) من تكلفة النظام.يعتمد حجم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل مباشر على حجم المضخة، وكمية المياه المطلوبة، والإشعاع الشمسي المتاح.

يُستخدم جهاز التحكم لغرضين رئيسيين. أولًا، يُطابق طاقة الخرج التي تتلقاها المضخة مع طاقة الدخل المُتاحة من الألواح الشمسية. ثانيًا، يُوفر جهاز التحكم عادةً حماية من انخفاض أو ارتفاع الجهد، حيث يتم إيقاف تشغيل النظام إذا كان الجهد منخفضًا جدًا أو مرتفعًا جدًا بالنسبة لنطاق جهد تشغيل المضخة. يُطيل هذا من عمر المضخة، مما يُقلل الحاجة إلى الصيانة. تشمل الوظائف الإضافية الأخرى إيقاف تشغيل النظام تلقائيًا عند انخفاض مستوى مصدر المياه أو امتلاء خزان التخزين، وتنظيم ضغط خرج المياه، ومزج طاقة الدخل بين الألواح الشمسية ومصدر طاقة بديل مثل الشبكة الكهربائية أو مولد كهربائي، ومراقبة النظام وإدارته عن بُعد من خلال بوابة إلكترونية تُقدمها الشركة المُصنّعة كخدمة سحابية.

يمكن أن يكون جهد محركات المضخات الشمسية تيارًا مترددًا (AC) أو تيارًا مستمرًا (DC). تُستخدم محركات التيار المستمر في التطبيقات الصغيرة والمتوسطة  بقدرة تصل إلى 4 كيلوواط تقريبًا، وهي مناسبة لتطبيقات مثل نوافير الحدائق، وتنسيق المناظر الطبيعية، وتوفير مياه الشرب للماشية، أو مشاريع الري الصغيرة. ونظرًا لأن أنظمة التيار المستمر تتميز بكفاءة أعلى عمومًا من مضخات التيار المتردد ذات الحجم المماثل، فإن التكاليف تنخفض، إذ يمكن استخدام ألواح شمسية أصغر حجمًا.

أخيرًا، في حال استخدام مضخة شمسية تعمل بالتيار المتردد، يلزم وجود محول تيار لتحويل التيار المستمر من الألواح الشمسية إلى تيار متردد لتشغيل المضخة. يتراوح نطاق قدرة محولات التيار من 0.15 إلى 55  كيلوواط، ويمكن استخدامها لأنظمة الري الكبيرة. مع ذلك، يجب اختيار حجم الألواح ومحولات التيار بما يتناسب مع خصائص بدء التشغيل لمحرك التيار المتردد. وللمساعدة في اختيار الحجم المناسب، توفر الشركات المصنعة الرائدة برامج خاصة بها، تم اختبارها من قبل جهات اعتماد خارجية. قد تتضمن هذه البرامج بيانات عن كمية المياه الشهرية المتوقعة، والتي تختلف باختلاف التغيرات الموسمية في الإشعاع الشمسي.

يمكن لمضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية توفير مياه الشرب، ومياه الماشية، ومياه الري. ^{[ 1 ]} قد تكون مضخات المياه الشمسية مفيدة بشكل خاص في مشاريع الري الصغيرة أو المجتمعية، حيث يتطلب الري واسع النطاق كميات كبيرة من المياه، مما يستلزم بدوره وجود منظومة كبيرة من الألواح الشمسية الكهروضوئية . ^{[ 3 ]} ولأن الحاجة إلى المياه قد تقتصر على فترات معينة من السنة، فإن منظومة الألواح الشمسية الكهروضوئية الكبيرة ستوفر طاقة زائدة غير مطلوبة بالضرورة، مما يجعل النظام غير فعال، ما لم يتم إيجاد استخدام بديل لها.

تُستخدم أنظمة ضخ المياه بالطاقة الشمسية الكهروضوئية في الري وتوفير مياه الشرب في الهند . تُجهز معظم المضخات بمحركات تتراوح قدرتها بين 2.0 و3.7  كيلوواط، تستمد طاقتها من مصفوفة كهروضوئية بقدرة 4.8 _{كيلوواط}  . تستطيع أنظمة 3.7 كيلوواط ضخ حوالي 124,000 لتر من الماء يوميًا من ارتفاع ضغط إجمالي يبلغ 50 مترًا وارتفاع ضغط ديناميكي يبلغ 70 مترًا. وبحلول 30 أغسطس 2016، تم تركيب 120,000 نظام ضخ مياه بالطاقة الشمسية الكهروضوئية حول العالم. ^{[ 4 ]} يُعد تخزين الطاقة في شكل خزانات مياه أفضل من تخزينها في شكل بطاريات لمضخات المياه الشمسية، لعدم الحاجة إلى تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. ومن أكثر أنواع المضخات شيوعًا: المضخات الطاردة المركزية، والمضخات متعددة المراحل، ومضخات الآبار، والمضخات الحلزونية. تُعدّ المفاهيم العلمية الهامة في ديناميكا الموائع، مثل العلاقة بين الضغط والارتفاع، وارتفاعات المضخات، ومنحنيات المضخات، ومنحنيات النظام، وارتفاع السحب الصافي، بالغة الأهمية لنجاح تصميم ونشر المضخات التي تعمل بالطاقة الشمسية. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} 

لمواجهة الدعاية السلبية المتعلقة بالآثار البيئية للوقود الأحفوري، بما في ذلك التكسير الهيدروليكي ، يتجه قطاع النفط والغاز نحو استخدام أنظمة الضخ التي تعمل بالطاقة الشمسية. ^{[ 11 ]} تتطلب العديد من آبار النفط والغاز حقنًا دقيقًا (قياسًا) لمواد كيميائية مختلفة تحت ضغط عالٍ لضمان استمرارية تشغيلها وتحسين معدلات الاستخراج. تاريخيًا، كانت مضخات حقن المواد الكيميائية هذه تُشغل بمحركات ترددية تعمل بالغاز، مستفيدةً من ضغط غاز البئر، وتُطلق الغاز الخام في الغلاف الجوي. يمكن للمضخات الكهربائية التي تعمل بالطاقة الشمسية (مضخات حقن المواد الكيميائية الشمسية) أن تُقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. لا توفر المصفوفات الشمسية (الخلايا الكهروضوئية) مصدرًا مستدامًا للطاقة لمضخات حقن المواد الكيميائية فحسب، بل يمكنها أيضًا توفير مصدر طاقة لتشغيل أنظمة التشخيص عن بُعد من نوع SCADA، مع إمكانية التحكم عن بُعد والاتصالات عبر الأقمار الصناعية/الخلوية من مواقع نائية جدًا إلى جهاز كمبيوتر مكتبي أو محمول للمراقبة.

بدلاً من توليد الكهرباء لتشغيل محرك، يمكن تركيز ضوء الشمس على المبادل الحراري لمحرك ستيرلينغ واستخدامه لتشغيل مضخة ميكانيكياً. هذا يُغني عن تكلفة الألواح الشمسية والمعدات الكهربائية. في بعض الحالات، قد يكون محرك ستيرلينغ مناسباً للتصنيع المحلي، مما يُسهّل استيراد المعدات. أحد أنواع محركات ستيرلينغ هو محرك فلوداين ، الذي يعمل مباشرةً على السائل المضخوخ كالمكبس. وقد دُرست مضخات فلوداين الشمسية منذ عام ١٩٨٧. ^{[ ١٢ ]} وقد أجرى مُصنِّع واحد على الأقل اختبارات على مضخة ستيرلينغ تعمل بالطاقة الشمسية. ^{[ ١٣ ]}

• قائمة المنتجات التي تعمل بالطاقة الشمسية
• قائمة محطات الطاقة الكهروضوئية