المحاكاة الديناميكية وتحليل نظام عاكس المضخة الشمسية
حظي دمج مصادر الطاقة المتجددة، وخاصةً الطاقة الشمسية، في أنظمة ضخ المياه باهتمام كبير نظرًا لقدرته على التخفيف من تحديات ندرة الطاقة والمياه في المناطق النائية وغير المتصلة بالشبكة. تقدم هذه الورقة محاكاةً وتحليلًا ديناميكيين شاملين لنظام عاكس مضخة مياه يعمل بالطاقة الشمسية. يتكون نظام عاكس مضخة المياه الذي يعمل بالطاقة الشمسية من مصفوفات كهروضوئية (الطاقة الكهروضوئية)، ووحدة تحكم تتبع نقطة القدرة القصوى (ام بي بي تي)، وعاكس، ومضخة مياه. تركز الدراسة على توضيح السلوك الديناميكي لنظام عاكس مضخة المياه الذي يعمل بالطاقة الشمسية في ظل ظروف بيئية متفاوتة، مثل الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، وتأثير ذلك على أداء النظام. تُقدم نتائج المحاكاة رؤىً مهمة حول كفاءة نظام عاكس مضخة المياه الذي يعمل بالطاقة الشمسية واستقراره وقدرته على التكيف، مما يوفر معلومات قيّمة لتحسين تصميم وتشغيل أنظمة عاكس مضخة المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية.
1. المقدمة
يُعد ضخ المياه تطبيقًا بالغ الأهمية في الزراعة، وإمدادات المياه المنزلية، والعمليات الصناعية. تعتمد أنظمة ضخ المياه التقليدية بشكل أساسي على الوقود الأحفوري أو كهرباء الشبكة، والتي غالبًا ما تكون غير متاحة أو باهظة التكلفة في المناطق النائية. تُقدم أنظمة عاكسات مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية بديلاً مستدامًا وفعالًا من حيث التكلفة من خلال تسخير الطاقة الشمسية. ومع ذلك، فإن الطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية تُشكل تحديات في الحفاظ على تشغيل مستقر وفعال. ولمواجهة هذه التحديات، عادةً ما يتضمن نظام عاكسات مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية عاكسًا لتحويل طاقة التيار المستمر من مصفوفات الخلايا الكهروضوئية إلى طاقة تيار متردد للمضخة، إلى جانب وحدة تحكم ام بي بي تي لزيادة استخراج الطاقة من مصفوفات الخلايا الكهروضوئية إلى أقصى حد.
تهدف هذه الورقة إلى دراسة السلوك الديناميكي لنظام عاكس مضخة مياه يعمل بالطاقة الشمسية من خلال المحاكاة والتحليل. تُقيّم الدراسة استجابة نظام عاكس مضخة المياه لتغيرات الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، بالإضافة إلى قدرته على الحفاظ على استقرار التشغيل في ظل ظروف الحمل المتقلبة.
2. نظرة عامة على النظام
يتكون نظام عاكس مضخة المياه بالطاقة الشمسية من المكونات التالية:
المصفوفات الكهروضوئية: تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.
وحدة التحكم ام بي بي تي: تضمن تشغيل مجموعات الطاقة الكهروضوئية عند أقصى نقطة طاقة في ظل ظروف بيئية مختلفة.
العاكس: يحول طاقة التيار المستمر من مجموعات الخلايا الشمسية إلى طاقة تيار متردد لتشغيل مضخة المياه.
مضخة المياه: تقوم بتوصيل المياه من المصدر إلى الوجهة، وعادة ما تتطلب مدخلات طاقة متغيرة بناءً على الطلب.
يتأثر أداء نظام عاكس مضخة المياه بالطاقة الشمسية بعوامل مثل الإشعاع الشمسي، ودرجة الحرارة المحيطة، وحمل المضخة. ويُعد الفهم الدقيق للتفاعلات الديناميكية بين هذه المكونات أمرًا أساسيًا لتحسين تصميم النظام وتشغيله.
3. نموذج المحاكاة الديناميكي
تم تطوير نموذج محاكاة ديناميكي لنظام عاكس مضخة المياه بالطاقة الشمسية باستخدام ماتلاب/سيمولينك. يتضمن النموذج ما يلي:
نماذج مصفوفة الطاقة الشمسية التي تأخذ في الاعتبار الاختلافات في الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة.
خوارزمية ام بي بي تي (على سبيل المثال، اضطراب و يراقب) لتتبع نقطة الطاقة القصوى لمصفوفات الطاقة الكهروضوئية.
نموذج عاكس ثلاثي الطور لتحويل الطاقة المستمرة إلى طاقة مترددة.
نموذج مضخة مياه يحاكي الحمل الهيدروليكي بناءً على معدل التدفق وضغط الرأس.
تم إجراء المحاكاة في ظل سيناريوهات مختلفة، بما في ذلك:
الإشعاع الثابت ودرجة الحرارة: لتقييم الأداء الأساسي.
الإشعاع المتغير: لمحاكاة الظروف الغائمة أو التظليل الجزئي.
درجة الحرارة المتغيرة: لتقييم تأثير التقلبات في درجات الحرارة على إنتاج الطاقة الكهروضوئية.
الحمل المتغير: لمحاكاة التغيرات في الطلب على المياه.
4. النتائج والتحليل
وقد كشفت نتائج المحاكاة عن الرؤى الرئيسية التالية:
كفاءة النظام: حسّنت وحدة تحكم ام بي بي تي استخلاص الطاقة من مصفوفات الخلايا الكهروضوئية بفعالية، بمتوسط كفاءة 95% تحت إشعاع ثابت. ومع ذلك، انخفضت الكفاءة بشكل طفيف تحت إشعاع متغير بسبب التأثيرات العابرة.
الاستقرار: حافظ العاكس على جهد وتردد خرج التيار المتردد الثابت في ظل ظروف الحمل المتغيرة، مما يضمن تشغيل المضخة بشكل موثوق.
القدرة على التكيف: أظهر نظام عاكس مضخة المياه الذي يعمل بالطاقة الشمسية قدرة قوية على التكيف مع التغيرات في الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، مع الحد الأدنى من التأثير على أداء المضخة.
استخدام الطاقة: خلال فترات انخفاض الإشعاع، انخفض إنتاج الطاقة لنظام عاكس مضخة المياه الذي يعمل بالطاقة الشمسية، مما يؤكد ضرورة تخزين الطاقة أو حلول الطاقة الهجينة في المناطق ذات أشعة الشمس غير المنتظمة.
5. المناقشة
تُقدم المحاكاة والتحليل الديناميكيان رؤى قيّمة حول سلوك أنظمة عاكسات مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية. وتشير النتائج إلى أن هذه الأنظمة قادرة على العمل بكفاءة واستقرار في ظل ظروف متنوعة. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في معالجة مشكلة انقطاع الطاقة الشمسية، لا سيما في المناطق ذات الغيوم الكثيفة أو انخفاض مستوى ضوء الشمس. ويمكن للأبحاث المستقبلية استكشاف دمج أنظمة تخزين الطاقة أو مصادر الطاقة الهجينة لتحسين موثوقية النظام وأدائه.
توضح هذه الدراسة جدوى وإمكانات أنظمة عاكسات مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية كحل مستدام لتطبيقات ضخ المياه. يوفر نموذج المحاكاة الديناميكي أداة فعّالة لتقييم أداء نظام عاكسات مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية وتحسين معايير التصميم. من خلال معالجة تحديات انقطاع الطاقة الشمسية وتقلب الأحمال، يمكن لأنظمة عاكسات مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية أن تلعب دورًا محوريًا في تعزيز أمن الطاقة والمياه في المناطق النائية والمناطق غير المتصلة بالشبكة الكهربائية.
