الري بالطاقة الشمسية: كيف يعمل إنفرتر المضخة ومخطط توصيل مضخة غاطسة 60 حصانًا

إنفرتر الري الشمسي (محرك التردد المتغير VFD) يحوّل الكهرباء المستمرة القادمة من الألواح الشمسية إلى كهرباء متناوبة ثلاثية الأطوار بتردد وجهد متغيرين، للتحكم في سرعة المضخة وتشغيلها مباشرة بالطاقة الشمسية دون الحاجة إلى بطاريات. ويبدأ تشغيل المضخة تدريجيًا مع توفر الإشعاع الشمسي صباحًا، ثم يرفع سرعتها بحسب القدرة المتاحة، مع توفير وظائف الحماية اللازمة للمضخة والنظام.

في مثال هذا المقال، نستخدم مضخة غاطسة بقدرة 60 حصانًا لبئر عمقه 60 مترًا، مع إنفرتر بقدرة 75 حصانًا، ومصفوفة شمسية تتكون من 130 لوحًا، قدرة كل منها 590 واط، بإجمالي قدرة تبلغ نحو 76.7 كيلوواط ذروة (kWp)، موزعة على 10 مجموعات. في هذا المقال، نشرح وظيفة إنفرتر الري الشمسي (VFD) وكيفية عمله في تشغيل المضخات الغاطسة بالطاقة الشمسية، ثم ننتقل إلى التصميم العملي للمنظومة خطوة بخطوة، بدءًا من حساب عدد الألواح في كل مجموعة وطريقة توصيلها، مرورًا باختيار الفيوزات والقواطع الكهربائية وتحديد مقاطع الكابلات المناسبة، وصولًا إلى تأريض المنظومة. كما نستعرض أبرز الأخطاء الشائعة التي يجب تجنبها لضمان تشغيل آمن وموثوق.

لماذا نستخدم الطاقة الشمسية في الري؟

تعمل مضخات الري غالبًا خلال ساعات النهار، وهي الفترة التي يتوفر فيها الإشعاع الشمسي، ما يجعل تشغيلها مباشرة من الألواح الشمسية خيارًا عمليًا دون الحاجة إلى بطاريات. وتتكون المنظومة عادةً من ألواح شمسية، وإنفرتر مخصص للمضخات، وكابلات، وقواطع ووسائل حماية، وقد تتضمن صندوق تجميع بحسب تصميمها.

وتبرز أهمية هذا الحل في المزارع البعيدة عن شبكة الكهرباء، خصوصًا في المواقع التي ترتفع فيها تكلفة نقل الوقود وتشغيل مولدات الديزل وصيانتها.

ومع ذلك، لا يعني توفر الشمس أن الاستثمار مجدٍ اقتصاديًا في جميع الحالات. فالجدوى تعتمد على تكلفة إنشاء المنظومة، وسعر الوقود أو الكهرباء الذي ستوفره، وعدد ساعات تشغيل المضخة سنويًا، واحتياجات الري، وقيمة المحصول الزراعي. لذلك، من المهم إجراء دراسة فنية واقتصادية للمشروع قبل اتخاذ قرار الاستثمار.

ما وظيفة إنفرتر الري الشمسي؟

إنفرتر الري الشمسي جهاز مخصص لتشغيل محركات المضخات والتحكم في سرعتها، ويُعرف أيضًا باسم إنفرتر المضخات الشمسية أو محرك التردد المتغير (VFD).

تعمل المضخات الغاطسة غالبًا بمحركات ثلاثية الأطوار بجهد 380 فولت عند توصيلها بالشبكة أو المولد. أما في النظام الشمسي، فيحوّل الإنفرتر التيار المستمر القادم من الألواح إلى تيار متناوب ثلاثي الأطوار بجهد وتردد مناسبين لتشغيل المحرك والتحكم في سرعته.

جدول 1. وظائف إنفرتر الري الشمسي

كيف تختار قدرة الإنفرتر؟

العامل الأهم عند اختيار الإنفرتر هو قيمة التيار الكهربائي الذي تحتاجه المضخة الغاطسة، وليس قدرتها بالكيلوواط وحدها. لذلك، ابدأ بقراءة قيمة التيار (A) المكتوبة على لوحة بيانات المضخة، واختر إنفرترًا يستطيع توفير تيار يساوي هذه القيمة أو يتجاوزها باستمرار. فمثلًا، إذا كان الغطاس يحتاج إلى 90 أمبير، فاختر إنفرترًا يستطيع توفير 90 أمبير على الأقل في ظروف التشغيل الفعلية.

وفوق ذلك، يفضّل أن تكون قدرة الإنفرتر أكبر من قدرة المضخة بنحو 20% إلى 30%. فيعمل عند نحو 80% من حمله لا عند 100%، ويبقى له هامش للتيار والجهد، فتقل الانقطاعات، ويعمل بحرارة أقل وعمر أطول.

ويطبّق الجدول التالي هذه القاعدة على مضختين بحجمين مختلفين.

جدول 2. قدرة الإنفرتر مقابل قدرة المضخة

ملاحظة: الحصان الميكانيكي يساوي نحو 0.7457kW. فقدرة المضخة (60 × 0.7457 = 44.7kW).

بيانات المنظومة في المثال

جدول 3. بيانات المنظومة في المثال

ملاحظة: (44.43 × 13.28 = 590W) و(130 × 590 = 76.7kWp)، فبيانات اللوح متسقة.

قدرة الحقل أكبر من قدرة المضخة بنحو 1.7 مرة (76.7 ÷ 44.7). وهذا متوقع: تذكر دراسة GIZ أن المضخة الشمسية تُصمَّم دائمًا بألواح أكبر من بدائلها العاملة بالديزل أو الشبكة، لأن نافذة التشغيل اليومية للمضخة الشمسية أضيق. أما الإنفرتر فقدرته 55.9kW، أي إن الحقل أكبر منه بنحو 1.4 مرة.

المخطط في نظرة واحدة

كما يوضح الشكل 1، يمر التيار المستمر من الصفوف العشرة إلى صندوق التجميع، ثم إلى الإنفرتر. ومن الإنفرتر يخرج تيار متردد ثلاثي الأطوار إلى مفتاح التحويل ثم المضخة. وكل جزء معدني يُربط بقضيب تأريض مشترك.

حساب السلسلة: لماذا 13 لوحًا؟

جهد السلسلة يساوي عدد الألواح في الصف مضروبًا في جهد اللوح. والإنفرتر يقبل جهدًا بين حدين، فيجب أن يقع جهد السلسلة بينهما.

مدى الإنفرتر في هذا المثال ضيق: من 600V إلى 700V. و13 لوحًا هو العدد الوحيد الذي يبقي جهد الدائرة المفتوحة ضمن المدى. فـ12 لوحًا قد يعمل وقت الذروة لكنه لا يبدأ في الصباح، و14 لوحًا يبلغ 733.2V فيتجاوز الحد الأعلى. وهذا المدى الضيق من أخطاء هذا المشروع، فلا مجال فيه للمناورة. أما الإنفرتر الذي استُعرض لشرح الفكرة فمداه من 550V إلى 800V، وهو أوسع بكثير، ويتيح تغيير عدد الألواح بحرية.

أثر الحرارة

جهد الألواح يزيد في البرد وينقص في الحر، وورقة البيانات تعطيه عند 25°C فقط. لذلك نحسب أسوأ حالة. والجدول التالي يوضح كم يرتفع جهد السلسلة في الصباح البارد.

جدول 4. جهد الدائرة المفتوحة لسلسلة 13 لوحًا عند حرارات مختلفة

ملاحظة: الحساب بافتراض معامل حرارة للجهد −0.25%/°C كقيمة نموذجية، وليس معامل لوح بعينه. استخدم المعامل المكتوب في ورقة بيانات لوحك.

طريقة الحساب الكاملة في مقال حساب عدد الألواح في السلسلة، وتجد حاسبة تصميم السلاسل جاهزة.

صندوق التجميع والحماية

الإنفرتر في المثال له مدخل واحد فقط (قطب موجب وقطب سالب)، وعندنا 10 صفوف. فنجمعها في صندوق تجميع (combiner box) جاهز بـ12 مدخلًا، يتسع لما يصل إلى 12 صفًا. يدخل كل صف إلى الصندوق بكيبلين، موجب وسالب، مقطعهما 6mm² ومخصصان للتيار المستمر. وكيبل الطاقة الشمسية من النوع H1Z2Z2-K مقنّن لجهد 1.5kV تيار مستمر، وتتحمل نسخة 6mm² منه 70A في الهواء الحر و67A على سطح، عند حرارة محيط مرجعية 60°C (نشرة Prysmian).

فيوز كل صف

يُوضع فيوز على القطب الموجب وآخر على السالب لكل صف. السبب أن الصفوف التسعة الأخرى قد تدفع تيارًا عكسيًا في صف معطوب: (9 × 13.94 = 125.5A). وهذا في الغالب أكبر بكثير من أقصى فيوز على التوالي المكتوب في ورقة بيانات اللوح، فتحقق منها. والحد الأدنى لتيار الفيوز:

ثم نختار أقرب فيوز قياسي أعلى منه، وهو 25A.

القاطع الرئيسي للصندوق

القاطع الرئيسي يحمي الخط الخارج من الصندوق، فنحسبه على مجموع تيارات الصفوف في أسوأ حالة:

ويجب أن يكون القاطع مصنفًا لجهد التيار المستمر ولا يقل عن أعلى جهد للحقل (جهد الدائرة المفتوحة في البرد)، وليس مجرد قاطع تيار متردد.

الكابلات وهبوط الجهد

من الصندوق إلى الإنفرتر استُخدم كيبلان، واحد لكل قطب، مقطع كل منهما 95mm². والتيار الواجب تحمله 217.8A. وتعطي نشرة Prysmian لكابل الطاقة الشمسية بمقطع 95mm² سعة 416A في الهواء الحر و395A على سطح عند حرارة محيط مرجعية 60°C، قبل معاملات الخفض لطريقة التمديد. فالمقطع كافٍ بهامش جيد.

الأهم من التيار هنا هو هبوط الجهد. فالإنفرتر له حد أدنى للجهد، والمضخة تحتاج جهدًا كاملًا. والحد الذي اعتمده المصمم ألا يزيد الهبوط على 3%. وهذا حساب الهبوط في هذا الكابل عند تيار التشغيل (10 × 13.28 = 132.8A):

جدول 5. هبوط الجهد في كابل 95mm² بين الصندوق والإنفرتر

ملاحظة: مقاومة الكابل 0.21Ω/km عند 20°C (نشرة Prysmian)، وضُربت في 1.275 لتقدير حرارة موصل 90°C، وهي أقصى حرارة تشغيل للكابل (معامل مقاومة النحاس نحو 0.393% لكل درجة). هذا تقدير للتوضيح، وليس بديلًا عن حساب مشروعك.

فإبقاء الصندوق على بعد 10m أو أقل من الإنفرتر، كما فعل المصمم، يجعل الهبوط 0.12% فقط. ويبقى الهبوط دون 1.3% حتى عند 100m. المهم ألا يستهلك الهبوط هامش الجهد أمام الحد الأدنى للإنفرتر، فإن زادت المسافة فكبّر المقطع وأعد الحساب.

جانب التيار المتردد وتشغيل المضخة

بعد الإنفرتر ثلاثة خطوط فقط، لأن المضخة ثلاثية الأطوار ولا تحتاج إلى نيوترال، ويرافقها موصل التأريض (PE) في كابل المضخة. وُضع قاطع ثلاثي الأقطاب 125A لأن أقصى تيار خرج للإنفرتر في ورقة بياناته 110A.

مفتاح التحويل

هذا الإنفرتر ليس له مدخل شبكة، فوُضع مفتاح تحويل يدوي بين مصدرين: المولد (أو الشبكة) والطاقة الشمسية، وخرجه إلى المضخة. المفتاح لا يسمح بتوصيل المصدرين معًا، وله قفل ميكانيكي يمنع التبديل قبل الإيقاف، لأن تشغيلهما معًا يدمّر المعدات. أما الإنفرترات ذات المدخلين فتدير الاختيار بنفسها ولا تحتاج هذا المفتاح.

مفتاح التشغيل والإيقاف (ON/OFF) للمضخة لازم مع المولد فقط، فالمنظومة الشمسية تعمل وتتوقف تلقائيًا.

ثلاثة أمور عند المضخة

• تسلسل الأطوار: وصّل الألوان بالترتيب نفسه، أزرق بأزرق وأصفر بأصفر وأحمر بأحمر، حتى لا تدور المضخة بعكس الاتجاه. وبعد التوصيل تحقق من اتجاه الدوران حسب تعليمات مصنّع المضخة.
• صمام عدم الرجوع: عند توقف المضخة بلا هذا الصمام قد يعود عمود الماء فيدير المحرك بالعكس، وقد يسبب انقطاعات عند الإيقاف (دليل Europump). والمضخة الشمسية تتوقف كل مساء.
• الآبار العميقة: عمق 60m هنا مريح. أما مع الآبار الأعمق والكابلات الطويلة فقد يلزم فلتر خرج جيبي أو مفاعل، لأن موجات الجهد الحادة من محركات التردد المتغير تجهد عزل الكابل والمحرك. ويذكر دليل Europump أن الفلتر الجيبي مطلوب عادة لمضخات الآبار، وأنه يسبب هبوط جهد نحو 40V إلى 60V، فاحسبه ضمن جهد المحرك.

جدول 6. ملخص الحماية والكابلات في المثال

التأريض

التأريض في هذه المنظومة ليس تفصيلًا. المطلوب أن يُربط كل جزء معدني بقضيب تأريض رئيسي مشترك، ثم بقطب التأريض: إطارات الألواح، وهيكل التثبيت حديدًا كان أو ألمنيوم، وصندوق التجميع، وعلب القواطع، والإنفرتر، ومفتاح التحويل. وفائدته أنه إن حدث تسرب جهد ولمسه إنسان، فالتأريض يحميه من الصعق.

• بين الألواح: يربط كل لوح بالذي يليه سلك نحاس 6mm² أو 10mm²، ثم تُسحب نقطة مشتركة إلى صندوق التجميع.
• المضخة الغاطسة: تُؤرَّض أيضًا. يُوصَل موصل التأريض (PE) في كابل المضخة بنقطة التأريض عند الإنفرتر، فإن تلف عزل المحرك لم يبقَ جهد خطر على الهيكل أو على أنبوب البئر المعدني. ويذكر دليل Europump أن كل الأجزاء الموصلة في المنظومة يجب أن تُؤرَّض حمايةً للأشخاص (البند 5.6.6)، وأن موصل PE يُنهى عند أقرب نقطة إلى مدخل الكابل أو عند طرف التأريض في الإنفرتر.
• المقاومة: يوصي الفيديو بألا تزيد مقاومة التأريض على 5Ω. هذا هدف تصميمي شائع، والقيمة الملزمة تحددها مواصفات مشروعك والجهة المشغلة. وقِسها بجهاز قياس بعد التنفيذ.
• الموصل الرئيسي: يُحسب مقطعه بحسب قاطع الحماية في الدائرة وفق الكود المعتمد في مشروعك، ولا يكفي استخدام المقاطع الشائعة.

أخطاء تتجنبها

1. إنفرتر بمدى جهد ضيق. يجعل عدد الألواح في السلسلة محصورًا بعدد واحد، ويُخرج المنظومة عن العمل صباحًا أو شتاءً.
2. فيوز أقل من 156% من تيار القصر. يقطع في تشغيل عادي.
3. اختيار الإنفرتر بالكيلوواط وحده. الاختيار الصحيح بتيار لوحة المضخة، مع هامش 20% إلى 30%.
4. نسيان حرارة الشتاء. جهد السلسلة في الصباح البارد هو الذي يُقارن بالحد الأقصى للإنفرتر.
5. إهمال الحد الأدنى لتردد المضخة وصمام عدم الرجوع. يتلف المحرك ومحمل الدفع.
6. التصميم قبل المسح الميداني. سجّل في الزيارة بيانات المضخة، وعمق البئر، ومكان الإنفرتر والصندوق، والمسافات بينها، حتى تختار الكابلات والمكونات بشكل صحيح.

قائمة التحقق قبل التنفيذ

• بيانات المضخة من لوحتها: التيار والجهد والتردد، والحد الأدنى للتردد من المصنّع.
• أقصى تيار خرج للإنفرتر أعلى من تيار المضخة بهامش مناسب.
• جهد الدائرة المفتوحة للسلسلة في أبرد صباح أقل من أقصى جهد للإنفرتر.
• جهد التشغيل داخل مدى تتبع القدرة في الحر والبرد.
• فيوز الصف أعلى من 156% من تيار القصر، ولا يتجاوز فيوز اللوح الأقصى.
• قاطع الصندوق أعلى من 156% من مجموع تيارات القصر، ومصنف لجهد التيار المستمر.
• مقاطع الكابلات وهبوط الجهد محسوبان لمسافات الموقع الفعلية.
• كل الأجزاء المعدنية مؤرضة بقضيب مشترك، والمقاومة مقاسة.
• صمام عدم الرجوع مركب، واتجاه الدوران صحيح.
• مفتاح التحويل بقفل ميكانيكي إن كان للمنظومة مصدر مساند.

اقرأ أيضًا

لفهم لماذا تكون قدرة الألواح أكبر من قدرة الإنفرتر، اقرأ نسبة DC/AC في الطاقة الشمسية. ولتوصيل المنظومات المنزلية والحماية والتأريض، راجع طريقة توصيل نظام طاقة شمسية هجين خطوة بخطوة.

الشرح المرئي

في هذا الفيديو شرح عملي لإنفرتر المضخة ومخطط التوصيل الكامل:

اضغط للتشغيل

شروحات هندسية عملية بالعربيةاشترك في القناة