پمپ خورشیدی در صنعت
سیستم فتوولتائی سیستمی است که در آن انرژی خورشیدی جهت اهدافی خاص به نیروی الکتریکی تبدیل می شود. دو نمونه ار موارد استفاده این سیستم، پمپ های فتوولتائی و چراغ های خورشیدی است.
پمپ های خورشیدی پمپ هایی هستند که در آنها انرژی خورشیدی به وسیله پانل های خورشیدی
(قطعه هایی مستطیل شکل از سلول های خورشیدی) به انرژی الکتریسیته تبدیل می شود و این انرژی در راه اندازی پمپ آبی مورد استفاده قرار می گیرد.
در مقاله حاضر به بیان تاریخچه استفاده از انرژی فتوولتائی (برق خورشیدی) به عنوان یک انرژی تجدید شونده و بررسی مسائل پیرامون آن می پردازیم. سعی بر آن است اقتصادی ترین روش برای تهیه انرژی الکتریکی مورد نیاز پمپ های خورشیدی ارایه و علاوه بر آن استفاده از این سیستم ها در مقایسه با
سیستم های مشابه عنوان شود.
ارایه آمار اقتـصادی مربوط به سیستم فتوولتائی و به طور مشـخص پمپ های فتوولتائی متخصـصان را قـادر
می سازد تا بینش منطقی تری برای آینده این طرح ملی تصمیم گیری کنند.
مقدمه سیستم خورشیدی
انرژی خورشیدی وسیعترین منبع انرژی در جهان است. انرژی نوری که از جانب خورشید در هر ساعت به زمین می تابد، بیش از کل انرژی است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف می کنند. به عنوان مثال، نوری که سالیانه بر یک سایت آزمایشی در نوادای آمریکا می تابد (sq.mi 1300) اگر راندمان ۱۵% به الکتریسیته تبدیل شود، دو برابر انرژی تولیدی سالیانه ایالات متحده آمریکا خواهد شد. با وجود گسترده بودن این انرژی، چگالی آن بسیار پایین است. برای بهره گیری از این منبع باید راهی جست تا انرژی پراکنده آن با راندمان بالا و هزینه کم به انرژی قابل مصرف الکتریکی تبدیل شود.
روشهای استفاده از انرژی خورشیدی
۱- روشهای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی
با استفاده از تکنولوژی خاص، انرژی حاصل از نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند این تکنولوژی ها را به دو دسته می توان تقسیم کرد :
سیستم فتوولتائیک (PV) : که عموما تجهیزاتی جامد و بی حرکت هستند.(جز در مورد انواع مجهز به سیستم ردیابی خورشید)
سیستم های گرمایی خورشیدی : که از نور متمرکز شده خورشید برای گرم کردن مایعی که بخار آن یک توربین را به حرکت در می آورد، استفاده می کند.
در این میان استفاده از سیستم های فتوولتائیک برای استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی بسیار رایج تر است. استفاده از پنل های فتوولتائیک در کشورهای پیشرفته به سرعت رو به گسترش است. استفاده از انرژی خورشیدی که یکی از اشکال انرژی موسوم به «سبز» است از سوی طرفداران محیط زیست پشتیبانی می شود. علت این استقبال را باید در ویژگیهای انرژی خورشیدی جست.
۲- ویژگی های انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی تمام نشدنی است. انرژی تمیزی است و هیچ آسیبی به محیط زیست نمی رساند. به دلیل عدم وجود قسمت های متحرک، نگهداری و اتوماسیون آن آسان است. ظرفیت آن را متناسب با نیاز
می توان طراحی کرد.
۳- سیستم ولتائیک چیست؟
بخش اصلی یک سیستم فتوولتائیک، پنل فتوولتائیک است. پنل های فتوولتائیک که در معرض خورشید قرار می گیرند، متشکل از سلولهای فتوولتائیک هستند. این سلولها از مواد نیمه هادی سیلیکونی ساخته شده اند. پنل شامل ۳۶ واحد (سلول) است که در ردیف های ۶ تایی کنار هم چیده شده اند. این پنا روی بام خانه ای در لس آنجلس واقع در ایالات متحده آمریکا نصب شد.
سیستم فتوولتائیک شامل تجهیزات دیگری از جمله مبدل هایی برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب نیز هست.
۴- اصول کار یک پنل فتوولتائیک
پنل های فتوولتائیک از نیمه هادی ها ساخته شده و با اتصال سیلیکون های نوع N و P شکل می گیرند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتائیک می تابد، به الکترون ها در آن انرژی بیشتری می بخشد. با تابش نور خورشید الکترون ها در نیمه هادی پلاریزه شده، الکترون های منفی در سیلیکون نوع N و یون های مثبت در سیلیکون نوع P به وجود می آیند. بدین ترتیب بین دو الکترود، اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می شود.
۵- میزان تولید انرژی الکتریکی به وسیله یک سیستم فتوولتائیک
میزان تولید برق به وسیله یک سیستم فتوولتائیک معمولا از ۲ تا ۵۰ کیلو وات است. یکی سیستم فتوولتائیک که برای نصب روی بام ساختمان ها در لس آنجلس ساخته شده است با ظرفیت توان ۲ کیلو وات، ۳۶۰۰ کیلو وات انرژی در سال تولید می کند. این میزان تولید انرژی باعث ۴/۳ تن صرفه جویی در سوخت زغال سنگ برای تولید برق شده و همچنین مانع ورود lbs 5000 گاز به اتمسفر می شود. یک سیستم PV دیگر که با ظرفیت ۱۰ کیلو وات در دره تنسی در ایالات متحده آمریکا نصب شده، به طور متوسط در حدود ۱۶۵۰۰ کیلو وات ساعت انرژی در سال تولید می کند. این میزان انرژی کمی بیش از نیاز مصرف برق یک خانه متوسط در ایالات متحده است.
۶- آیا سیستم های فتوولتائیک به طور مداوم الکتریسیته تولید می کنند؟ در شرایط ابری و آب و هوای سرد چطور؟
تولید برق به وسیله سیستم های PV به فصول بستگی ندارد، اما در طول شبانه روز از ساعات اولیه صبح تا غروب می توانند برق تولید کنند. پیک تولید آنها در ساعات ظهر است.
واحدهای فتوولتائیک در صورت ابری بودن هوا نیز می توانند برق تولید کنند، هر چند خروجی آنها کاهش می یابد. در یک روز روز بسیار ابری کم نور، یک سیستم فتوولتائیک، ممکن است ۵ تا ۱۰ درصد نور خورشید در روزهای عادی را دریافت دارد به طبع خروجی آن نیز به همان میزان کم خواهد شد.
پنل های خورشیدی در دمای پایین تر، برق بیشتری تولید می کنند. این تجهیزات همچون سایر
دستگاه های الکتریکی در صورتی که هوا خنک باشد، بهتر کار می کنند. البته سیستم های PV در روزهای زمستانی کمتر از روزهای تابستانی انرژی تولید می کنند که علت آن نه برودت هوا، بلکه کاهش ساعت روز و پایین بودن زاویه تابش خورشید است.
۷- آسیب پذیری دستگاه های فتوولتائیک
پنل های خورشیدی طوری ساخته شده اند که در برابر همه سختی های محیط مانند سرمای شدید قطبی، گرمای بیابان، رطوبت استوایی و بادهای با سرعت بیش از ۱۲۵ مایل ر ساعت مقاومت می کنند با این حال جنس این وسایل از شیشه بوده و در اثر ضربات سنگین ممکن است بشکنند.
۸- بهره برداری از سیستم های فتوولتائی برای استفاده از انرژی خورشیدی در سطح جهان
استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع به دلیل ویژگیهایی که در آغاز ذکر شد، کاملا فراگیر شده است. شرکت های متعددی در کشورهای مختلف نسبت به نصب این سیستم ها اقدام کرده اند و کار بهینه سازی این سیستم ها، همچنان ادامه دارد.
سیستم های برق خورشیدی (فتوولتائیک) در تمام سفینه های فضایی و قمرهای مصنوعی جهت تامین انرژی الکتریکی به کار گرفته می شود. هزینه ساخت سیستم های فوق در اوایل بسیار گران بود ولی به مرور زمان با استفاده از روشهای تولید مناسی و بالا بردن بازدهی سیستم های برق خورشیدی و کاستن هزینه های تولید و نیز افزایش قیمت سوخت های فسیلی این سیستم ها توانستند هرچه بیشتر جایگاه خود را بین دیگر صور تامین انرژی در دنیا بگشایند و امروز به صورت گسترده در کشورهای اروپای غربی، آمریکای لاتین و صحراهای قاره آفریقا و آسیا ( خاورمیانه) و دیگر صحراهای جهان مورد استفاده قرار می گیرد. در کشورهای غربی با داشتن ساعات آفتابی کمتر از دو درصد کشورهای خاورمیانه مردم با استفاده از سیستم های برق خورشیدی متصل به شبکه برق تحویل می گیرند و هنگام پرداخت بهای برق مصرفی تفاضل برق تححویلی و مصرف شده از شبکه را می پردازند. استفاده از سلول های فتوولتائیک جهت تامین انرژی مورد نیاز به صورت زیر ممکن می باشد :
می گیرد. در کشورهای غربی با داشتن ساعات آفتابی کمتر از دو درصد کشورهای خاورمیانه مردم با استفاده از سیستم های برق خورشیدی متصل به شبکه برق تحویل می گیرند و هنگام پرداخت بهای برق مصرفی تفاضل برق تححویلی و مصرف شده از شبکه را می پردازند. استفاده از سلول های فتوولتائیک جهت تامین انرژی مورد نیاز به صورت زیر ممکن می باشد :
استفاده به صورت مستقل از شبکه
استفاده به صورت متصل به شبکه برق
از دو روش فوق به بحث پیرامون استفاده از سیستم برق خورشیدی به صورت مستقل از شبکه برق که بیشتر محور بحث این مقاله می باشد، خواهیم پرداخت.
پمپ های خورشیدی
آب یکی از مهمترین منابعی است که زندگی انسان به آن وابسته است. آب حاصل از دریاچه ها، برکه ها، رودخانه ها و چاه ها جهت مصارفی همچون کشاورزی، دامداری، صنعت و مصارف عمومی همواره یکی از معظلات موجود بر سر راه توسعه جوامع انسانی به خصوص جوامع روستایی بوده است. در بسیاری از مناطقف آب در سفره های زیر زمینی وجود داشته و خارج سازی آن توسط دست یا تلمبه های دستی و یا توسط موتورهای دیزلی که از سوخت های فسیلی استفاده می کنند صورت می گیرد. در مناطق کویری یا کوهستانی که مشکلات برق رسانی وجود دارد و نیز آب در عمق نسبتا زیادی از سطح زمین قرار دارد خارج سازی آب به روش های فوق امکان پذیر نیست. در این مناطق استفاده از پمپ های خورشیدی می تواند مزایای فراوانی داشته باشد.
در پمپ های خورشیدی تعداد اجزا متحرک کم است. لذا به مراقبت و تعمیرات خیلی کمتری نیاز دارد و همچنین بازدهی آنها مناسب است.آسانی کار با پمپ های خورشیدی،سرعت بالای یادگیری کار با آنها و حمل و نقل آسان انها از مزایای بزرگ این چنین پمپ ها است که باعث می شود کار با آنها در مناطق دور افتاده مورد توجه قرار گیرد. همچنین باعث حفظ منابع سوختی کشور و راه حلی برای مساله معضل جایگزینی انرژی است و غالبا زمان نیاز به آب با زمان تابش خورشید هماهنگی دارد لذا استفاده از آنها می تواند به خوبی پاسخگوی نیازها باشد هرچند با استفاده از مخازن ذخیره سازی آب مشکل آب قابل دسترسی در شب را نیز می توان برطرف نمود.
افزایش روز افزون قابلیت و عملکرد این پمپ ها و کاهش مداوم قیمت سلولهای خورشیدی، مبین آن است که پمپ های خورشیدی به سرعت برای بسیاری از کاربردها جنبه اقتصادی پیدا می کنند.
ارائه پمپ های خورشیدی جایگزینی پاک و مناسب نسبت به پمپ های دیزلی برای تامین آب مورد نیاز برای مصارف گوناگون می باشد.
به رغم هزینه ی اولیه بالای پمپ های خورشیدی استفاده از این پمپ ها مقرون به صرفه تر از پمپ های دیزلی می باشد. البته نتیجه این سرمایه گذاری عموما بعد از یک پروسه ۳ الی ۵ ساله قابل توجیه می باشد.
سیستم های آبی خورشیدی ثابت کرده اند که راه حل مناسبی برای مناطق دور از شبکه برق می باشند. زیرا انرژی مورد نیاز برای راه اندازی پمپ های خورشیدی با استفاده از یک سری پنل های خورشیدی در طول روز تولید می شود.
مکانیزم استفاده از پمپ های خورشیدی عموما به گونه ای است که در طول روز و تا زمانی که خورشید در دسترس باشد از انرژی ان برای تامین انرژی مورد نیاز برای استفاده از پمپ بهره می بریم و آب را در مخازن برای استفاده در مواقع دیگر ذخیره می کنیم. به طور میانگین ۸ ساعت زمان پمپاژ آب در طول روز است که با توجه به فصول قابل تغییر است.
البته می توانیم با طراحی و تعبیه باتری از انرژی خورشیدی برای راه اندازی پمپ های آب در شب نیز
بهره مند شویم اما این کار از لحاظ اقتصادی برای پمپ های خورشیدی مقرون به صرفه نیست.
به طور کلی پمپ های خورشیدی از ۳ جزء اصلی تشکیل شده است. شامل:
پنل های خورشیدی
کنترل کننده
بدنه اصلی
پمپ های آب عموما به دو دسته AC و DC تقسیم می شوند. از آنجایی که پنل های خورشیدی جریان DC تولید می کند به نظر می رسد پمپ های DC باعث کاهش تجهیزات مورد نیاز و صرفه جویی بیشتر در انرژی می شود.
از نظر اقتصادی موتورهای AC بسیار ارزانتر از موتورهای DC هستند، اما تبدیل کننده DC به AC نسبتا گران قیمت است.
ضرورت استفاده از پمپ های خورشیدی
پمپ های خورشیدی دارای مزایایی نسبت به پمپ های دیگر می باشد که در زیر به چند مورد از آنها اشاره می کنیم :
-
استفاده از پمپ های خورشیدی در مناطقی که از شبکه انتقال برق فاصله زیادی دارند.
-
عدم اطمینان از آینده قیمت برق (افزایش تعرفه برق با برداشتن یارانه ها)
-
عدم استفاده از منابع سوخت های فسیلی
-
افزایش هزینه ی سوخت های فسیلی مانند گازوئیل و بنزین
-
عدم نیاز به متخصص و کارشناسان خبره برای راه اندازی و استفاده از پمپ های خورشیدی
-
با توجه به محدود بودن اجزای سیستم، پمپ های خورشیدی به مراقبت و تعمیرات کمتری در قیاس با پمپ های دیزلی نیاز دارند.
-
با توجه به پاک بودن منابع انرژی تجدید پذیر هیچ آسیبی به محیط زیست وارد نمی شود.
-
عدم نیاز به اجرای شبکه kv 20 جهت تامین برق پمب
-
و مهمترین دلیلی که می توان استفاده از پنل های خورشیدی و اصولا پمپ های خورشیدی را توجیه کرد این است که زمان استفاده از چاه های آب شرب به عبارتی بهره برداری از چاه ها از فصل بهار افزایش یافته و تا ابتدای پاییز به طول می انجامد که این دوره زمانی بیشترین ساعات تابش آفتاب در مقایسه با فصول دیگر وجود دارد ودر این فصول نیزمی توان از انرژی خورشیدی حداکثر استفاده را برد.
به طور کلی پمپ های خورشیدی پمپ هایی هستند که در آنها انرژی خورشیدی به وسیله پانل های خورشیدی (قطعه مستطیل شکل از سلول های خورشیدی) به انرژی الکتریسیته تبدیل می شود و این انرژی در راه اندازی پمپ آبی مورد استفاده قرار می گیرد.
مراحل اجرای انجام طرح
۱- مطالعه اقلیمی
در این قسمت، هدف برآور میزان انرژی مصرفی با توجه به آب مورد نیاز منطقه است. از این طریق می توان طرح پمپ فتوولتائی را به گونه ای ارایه نمود که کارآیی بهینه اقتصادی داشته باشد و به نصب آن پرداخت.
قدم اول، تشخیص نقاط مستعد برای به کار گیری چنین پمپ هایی است. در این قسمت نقاط مستعد از نظر انرژی خورشیدی وآب مورد نیاز مورد بحث است.
الف) انرژی خورشیدی
خارج از اتمسفر زمین توان انرژی خورشیدی برابر W/m2 1353 است. بیشترین انرژی خورشیدی بر روی سطح آب های آزاد برابر W/m2 1000 است. این میزان بسته به عوامل مختلفی مانند موقعیت جغرافیایی مختلف تغییر می کند.
انرژی خورشیدی در ایران به طور متوسط در یک روز بین ۵/۴ تا Kwh/m2 0/6 می باشد. دانستن میزان انرژی خورشیدی در منطقه مورد نظر از آن جهت قابل اهمیت است که بعد از مشخص شدن نیاز آبی منطقه، می توان میزان انرژی مصرفی برای تهیه این آب را محاسبه کرده و از آنجا با توجه به توان خورشیدی منطقه، ظرفیت پانل های خورشیدی مشخص می گردد. در مورد انرژی خورشیدی، میزان تابش رسیده به سطح زمین و همچنین بررسی تعداد روزهای آفتابی و یا نیمه آفتابی مورد اهمیت است. هرچند این پمپ ها حتی در روزهای تمام ابری نیز می توانند به کار خود ادامه دهند.
میانگین سالانه تابش خورشیدی کل بر روی سطح شیبدار برابر میزان تابش روزانه برای هر منطقه را
می توان از ایستگاه های هواشناسی تهیه کرد.
ب) آب مورد نیاز
در این قسمت با مشخص شدن آب مورد نیاز انرژی مصرفی مورد نیاز برآورده می شود.
این انرژی بدین صورت محاسبه می شود که میزان حجم آب مورد نیاز به متر مکعب را که با V نمایش
می دهیم در ارتفاع پمپاژ شده توسط پمپ نمایش می دهیم ضرب شده، مقدار h*v را برحسب توان چهارم متر، فاکتور انرژی می نامیم. حال فاکتور انرژی را بر عدد ۳۶۷ تقسیم می کنیم بدین ترتیب انرژی هیدرولیک مورد نیاز بر حسب kwh به دست می آید.
بنابراین اگر E انرژی هیدرولیک مورد نیاز باشد داریم :
آب مورد نیاز بسته به موارد استفاده آن متفاوت است. به عنوان اولین مثال آب جهت مصارف عمومی مانند شرب، پخت و پز و بهداشت را مورد بررسی قرار می دهیم.
طبق استانداردهای جهانی برای یک روستای ۵۰۰ نفره حداقل آب مورد نیاز در حدود۲۰مترمکعب در روز است. چنانچه این حجم آب در روز ۲۰ متر بالا کشیده شود، انرژی هیدرولیکی kwh 1/1 در روز مورد نیاز می باشد. حال باید دید مدت زمان مفید پمپاژ چه مقدار است. این قسمت از مطالعه انرژی خورشیدی در قسمت الف به دست می آید و مشخص می شود نصب چنین پمپ هایی در منطقه مورد نظر امکان پذیر یا مقرون به صرفه است یا خیر؟
۲- اجزای تشکیل دهنده پمپ های خورشیدی :
به طور کلی پمپ ها از سه قسمت:
پنل های خورشیدی
کنترل کننده
پمپ آبی
تشکیل شده اند. پمپ های قابل استفاده به دو دسته پمپ های DC و پمپ های AC تقسیم می شوند. از آنجا که پنل های خورشیدی آنها جریان DC تولید می کند به نظر می رسد پمپ های DC باعث کاهش تجهیزات مورد نیاز و صرفه جویی بیشتر در انرژی می شود ما از آنجا که توانایی این چنین پمپ هایی در مقایسه با پمپ های AC پایین بوده، در مواردی که توان بالا برای پمپاژ آب مورد نیاز باشد ( بیش از
W 250) از موتور پمپ های AC استفاده می کنند، بنابر این کنترل کننده باید شامل یک تبدیل کننده جریان DC به AC نیز باشد.
از نظر اقتصادی نیز موتور پمپ های AC بسیار ارزانتر از موتور های DC هستند اما تبدیل کننده DC به AC نسبتا گران قیمت است. در هر صورت بسته به فاکتورهای انرژی (حجم آب مورد نیاز در ارتفاع مورد نظر) باید پمپ مورد استفاده مشخص شود. اصولا شرکت های سازنده اینگونه پمپ ها نمودارهایی را ارائه
می کنند که مصرف کننده می تواند با توجه به فاکتور انرژی و با توجه به توان تابشی منطقه میزان توان ماکزیمم مورد نیاز آب پمپ را مشخص کند و به وسیله مشخص شدن این توان ماکزیمم تعداد پنل های خورشیدی مورد نیاز را برآورد کند.
مقایسه اقتصادی پمپ های خورشیدی با دیگر پمپ ها
بررسی آماری سالهای اخیر نشان می دهد که با بالا رفتن تکنولوژی استفاده از اینگونه پمپ ها و پنل های خورشیدی مربوط به آن، در این سال ها به صورت نمائی بالا رفته است. این مطلب اهمیت اقتصادی این گونه پمپ ها را در تجارت جهان مشخص می کند. در هر صورت پمپ های خورشیدی را می توان از نظر اقتصادی برای مصرف کننده با پمپ های دیزلی و بادی مقایسه کرد.
طبق برآورد بانک جهانی چنانچه فاکتور انرژی از m4800 (برای مثال m340در روز تا ارتفاع m20) بیشتر باشد پمپ های خورشیدی از نظر اقتصادی جوابگوی این نیاز نخواهد بود.
برای تصمیم درباره این امر که آیا پمپ خورشیدی اقتصادی تر است یا پمپ دیزل، همه چیز به این پرسش بستگی دارد که:
شما چقدر برای هر لیتر آب پمپ شده می پردازید؟
این مفهوم توسط هزینه آب واحد (UWC) بیان می شود. یعنی هزینه حجم مشخصی از آب که فرد باید بفروشد تا هزینه خریداری، هزینه نگهداری و هزینه تعمیرات در طول دوره فعالیت را جبران کند. هزینه خریداری، نصب و نگهداری یک پمپ باید توسط آب پمپ شده جبران شود.
در جدولی که در ادامه می آید UWC را برای پمپ های خورشیدی و دیزلی برای انواع مصارف روزانه به همراه نرخ استخراج روزانه نشان می دهد. مشخص است که پمپ های دیزل هزینه بالایی دارند، مثلا با نرخ استخراج روزانه کم تا متوسط بازده پایینی دارند. پمپ های خورشیدی در مقایسه ۷۰ تا ۹۰ درصد ارزانتر از پمپ های دیزل هستند.
همه محاسبات بر اساس ۳/۱ دلار به ازای هر لیتر گازوئیل انجام شده است.
UWC برای پمپ های دیزلی :
|
Daily Flow Rate |
|||||
|
Head m3/day |
۳ |
۶ |
۸ |
۱۳ |
۱۷ |
|
۲۰ |
۵ |
۲٫۴۵ |
۱٫۸ |
۱٫۷ |
۱٫۲۵ |
|
۴۰ |
۴٫۹ |
۲٫۴۵ |
۱٫۸۵ |
۱٫۸ |
۱٫۲۵ |
|
۶۰ |
۴٫۹۵ |
۲٫۵ |
۱٫۸۵ |
۱٫۷ |
۱٫۳ |
|
۸۰ |
۵ |
۲٫۵ |
۱٫۹ |
۱٫۷۵ |
۱٫۳ |
UWC برای پمپ های خورشیدی :
|
Daily Flow Rate |
|||||
|
Head m3/day |
۳ |
۶ |
۸ |
۱۳ |
۱۷ |
|
۲۰ |
۰٫۷ |
۰٫۴ |
۰٫۲۵ |
۰٫۲ |
۰٫۱۵ |
|
۴۰ |
۰٫۶۵ |
۰٫۳۵ |
۰٫۳ |
۰٫۲ |
۰٫۲ |
|
۶۰ |
۰٫۷ |
۰٫۴ |
۰٫۳۵ |
۰٫۲۵ |
۰٫۲۵ |
|
۸۰ |
۰٫۷۵ |
۰٫۴۵ |
۰٫۴ |
۰٫۳۵ |
۰٫۳۵ |
|
۱۲۰ |
۰٫۸۵ |
۰٫۵۵ |
۰٫۵ |
۰٫۵ |
۰٫۴ |
مقایسه اقتصادی پمپ های دیزلی و خورشیدی
اغلب تصمیم گیری ها برای سرمایه گذاری تنها بر اساس قیمت تمام شده برای خرید تکنولوژی کارهای عملیاتی و هزینه های نگهداری و جایگزینی صورت می گیرد. به عنوان مثال برای مقایسه پمپ های خورشیدی و دیزلی از هزینه های سوخت صرفه نظر می کنیم و به موارد زیر می پردازیم :
۱- هزینه های سرمایه گذاری اولیه : هزینه های سرمایه گذاری اولیه پمپ های دیزلی به مراتب کمتر از
پمپ های خورشیدی است.
۲- هزینه های جایگزین کردن : هزینه های مربوط به جایگزینی، عمدتا به دلیل جایگزینی تکنولوژی های جدید می باشد و برای پمپ های دیزلی هر ۵ سال و برای پمپ های خورشیدی هر ۷ سال است.
۳- هزینه های تعمیر و نگهداری : این هزینه ها برای پمپ های دیزلی بسیار مرسوم تر است و مقدار قابل توجهی را به خود اختصاص می دهند ولی در پمپ های خورشیدی به دلیل ادوات مکانیکی محدود ترند این هزینه ها قابل چشم پوشی هستند.
۴- هزینه های جاری مربوط به سیستم ها : این هزینه ها را به نحوی می توان به بخش سوخت مرتبط دانست که شامل هزینه ی حمل سوخت به محل سیستم و رفت وآمد برای بازرسی سیستم به محل سیستم
می باشد.
با توجه به مطالب بالا که عموما گواه بر مزیت های پمپ های خورشیدی می باشند و با اضافه کردن
هزینه های سوخت پمپ های دیزلی به این نتیجه می رسیم که استفاده از پمپ های خورشیدی مقرون به
صرفه تر می باشد.
|
*اعداد برای پمپ کردن آب از عمق ۵۰ متری و با پمپاژ ۱۰ هزار لیتر در روز با فرض ۵ ساعت کار در روز است، قیمت سوخت ۳/۱ دلار آمریکا برای هر لیتر در نظر گرفته شده است. |
با در نظر گرفتن طول عمر، پمپ های خورشیدی ارزانتر از پمپ های دیزلی هستند ولی معمولا هزینه خرید آنها بالاتر است. بعد از چند سال کار کردن پمپ خورشیدی ارزان تر از پمپ دیزلی خواهد بود؟
۵ سال ؟ خیلی بیشتر؟
زمانی که هزینه پمپ خورشیدی و دیزلی برای پمپ کردن مقدار مشخصی آب برابر شود نقطه برابری در نظر گرفته می شود. نقطه برابری به ارتفاع پمپ کردن و حجم آب پمپ شده در روز بستگی دارد.
هزینه دستگاه در ۲۰ سال بر اساس دلار آمریکا برای پمپ از عمق ۵۰ متری و برای ۲۰ هزار لیتر آب : (رنگ روشن تر یعنی خط با شیب بیشتر مربوط به دیزل است)
تحلیل نمودار
نمودار بالا نشان دهنده نقطه برابری برای شرایط گفته شده است. این نقطه برابری می تواند در شرایط مختلف متفاوت باشد. جدول زیر به تخمین زمان برابری برای شرایط مختلف کمک می کند.
|
Depth |
Flow(m3/day) |
|||||
|
m |
۵ |
۷ |
۱۰ |
۱۲ |
۱۵ |
۲۰ |
|
۱۰ |
۰** |
۰ |
۰ |
۱ |
۲ |
۴ |
|
۲۰ |
۰ |
۰ |
۱ |
۲ |
۵ |
۸ |
|
۳۰ |
۰ |
۰ |
۳ |
۸ |
۷ |
۱۱ |
|
۴۰ |
۰ |
۲ |
۶ |
۱۱ |
۱۱ |
۱۵ |
|
۵۰ |
۱ |
۴ |
۸ |
۱۵ |
۱۴ |
۲۰ |
|
۶۰ |
۲ |
۶ |
۱۱ |
۱۵ |
۲۰ |
.*** |
|
۸۰ |
۴ |
۹ |
۱۵ |
۱۹ |
. |
. |
|
۱۰۰ |
۷ |
۱۴ |
. |
. |
. |
. |
|
۱۲۰ |
۸ |
۱۶ |
. |
. |
. |
. |
|
۱۵۰ |
۱۲ |
. |
. |
. |
. |
. |
*اعداد بر اساس پمپ لورنز با قیمت این پمپ در ژانویه ۲۰۰۸ و قیمت سوخت برابر با ۳/۱ دلار آمریکا برای هر لیتر و با فرض ۵ ساعت در روز حساب شده اند.
** یعنی پمپ های خورشیدی از ابتدای آغاز به کار ارزان تر از پمپ های دیزلی خواهند بود.
*** خانه های خالی یعنی پمپ های با سانتریفیوژ بزرگتر با پمپ های HR چند گانه برای موارد ذکر شده توصیه می شوند.
قیمت سوخت چقدر با ثبات است؟
نگاهی به تغییرات قیمت سوخت نشان می دهد که این عدد در حال افزایش است. در ۱۰ سال گذشته به طور متوسط قیمت سوخت دیزل حدود ۲۰ درصد افزایش یافته است.
کارشناسان معتقدند کشورهایی مثل چین و هند که ۵۰% جمعیت جهان را در بردارند و کشورهایی هستند که به سرعت در حال صنعتی شدن هستند با افزایش وابستگی به نفت مواجه اند که سبب افزایش تقاضا و افزایش قیمت ها در آینده خواهد شد پیش بینی می شود که بیشترین قیمت نفت بین سال های ۲۰۰۷ تا ۲۰۱۰ به وقوع بپیوندد. از طرفی می دانیم که منابع فسیلی هم محدود و هم پایان پذیرند.
بر خلاف گذشته، اکثر ذخایر نفت جهان دیگر در دست شرکت های بزرگ نفتی نیست و در اختیار
دولت هاست که نفت را به یک سلاح سیاسی تبدیل کرده است که قسمت آن را بی ثبات تر و غیر قابل پیش بینی تر می کند.
قیمت سوخت افزایش یافته و ناپایدار خواهد بود. راه حل این مشکل پمپ های خورشیدی هستند.
قیمت سوخت دیزل در نامبیا بر اساس دلار آمریکا برای هر لیتر
پمپ های آبی خورشیدی
انواع مختلفی از پمپ های آبی خورشیدی در بازار وجود دارد. رایج ترین آنها شامل موارد زیر است :
روتور پیچشی (مونو)
سانتریفیوژی
پیستونی یا دیافراگمی
ساده ترین و قوی ترین پمپ ها، پمپ های مونو یا روتور پیچشی هستند که فقط یک بخش چرخنده دارند که روتور چرخنده درون استاتور الاستیکی است و برای پمپ کردن ۶ تا ۲۰ متر مکعب آب در روز از عمق متوسط تا زیاد(۵۰ تا ۱۵۰ نتر) مناسب هستند.
پمپ های سانتریفیوژی برای پمپ از عمق کم تا متوسط (تا ۸۰ متر) و برای پمپاژ مقادیر زیاد آب بسیار اقتصادی هستند.
پمپ های پیستونی یا دیافراگمی بسیار پیچیده ترند و قطعات متحرک زیادی دارند. درون آنها باید روغن موتور ریخته شود که می تواند روی کیفیت آب تاثیر منفی بگذارد. معمولا با ولتاژ پایین (۲۴ تا ۴۸ ولت) کار میکنند و برای جریان آب کم (تا ۵ متر مکعب در روز) و عمق تا ۱۵۰ متر مناسبند.
پنل های خورشیدی جریان مستقیم تولید می کنند که به آن DC می گویند. به همین دلیل برای پنل ها موتور DC استفاده می شود. موتورهای DC می توانند ۱۰۰% پر بازده تر از موتورهای AC با اندازه مشابه باشند. بر خلاف موتورهای AC، موتورهای DC از آهن رباهای دائمی استفاده می کنند که دلیل بازده بالای آنهاست. به همین دلیل است که سیستم پمپ های خورشیدی زیر ۴ تا ۵ وات عموما از موتورهای DC استفاده می کنند.
۲ برابر بازده بیشتر یعنی اینکه شما برای عملکرد مشابه به نصف قدرت احتیاج خواهید داشت. بنابر این شما به یک ژنراتور خورشیدی بسیار کوچکتر احتیاج خواهید داشت. ژنراتور خورشیدی گرانترین بخش سیستم است و معمولا ۷۰ تا ۸۰ درصا هزینه سیستم را به خود اختصاص می دهد.
۲ نوع مختلف موتورهای DC وجود دارد که بسیار متفاوتند : موتورهای DC دارای براش و موتورهای DC بدون براش یا براش لی.
موتورهای DC دارای براش، قطعات کوچک کربنی دارند که ذغال یا براش نامیده می شوند ای قطعات برای ایجاد چرخش برای چرخاندن روتور موتور لازم هستند. این قطعات مستهلک می شوند و لازم است بعد از مدتی تعویض شوند. موتورهای دارای براش یا ذغال باید برای به حرکت در آمدن براش های کربنی با هوا پر شوند در غیر این صورت اتصالی خواهند کرد. اگر درزگیری شافت موتور از بین برود موتور دیگر ار نخواهد کرد و قابل تعمیر نخواهد بود.
موتورهای DC براش لس یا بدون ذغال از این قطعات کربنی استفاده نمی کنند و ۱۰ سال پیش برای حل مشکل گفته شده به وجود آمده اند. این موتورها نیازی به درزگیری ندارند و در واقع با اب پر می شوند. این موتورها برای عدم نیاز به نگهداری طراحی شده اند و به اندازه موتورهای AC قابل اطمینانند.
* مقایسه ای از مزایای انواع مختلف موتورها
|
Motor |
Motor filling |
Efficiency |
Maintenance |
Reliability |
|
AC |
water or oil |
very low |
low |
very high |
|
DC with brushes |
air |
high |
very high |
low |
|
DC brushless |
water |
very high |
low |
very high |
پمپ روی یک موتور غرقابی سوار شده و در زیر سطح آب قرار دارد. الکتریسیته توسط پنل خورشیدی که در نزدیکی چاه نصب شده تولید شده است.
یک لوله آب پلاستیکی، یک کابل برق، یک سنسور آب الکتریکی و طناب ایمنی به پمپ غرقابی متصل هستند. لوله های آب فولادی بهتر است استفاده نشود. بنابراین نصب و جدا کردن واحد پمپ کار ساده تر و سریع تری خواهد بود.
عملکرد پمپ توسط یک کنترلر الکترونیک کنترل می شود که شروع به کار و توقف موتور را کنترل و سطح اب را ارزیابی می کند.
در پمپ های لورنز کنترلر در سطح زمین نصب می شود.
* پمپ های خورشیدی را می توان تا عمق ۵۰ متری به صورت دستی پایین فرستاد ولی نصب رد عمق بیشتر باید با تجهیزاتی مانند ۳ پایه مخصوص انجام شود.
پمپ های بادی از قدیمی ترین پمپ های آب هستند. در دهه ۹۰ حدود ۳۰ هزار پمپ بادی در نامبیا وجود داشته است. پمپ های بادی طول عمر مشابه پمپ های خورشیدی دارند و می توانند آب را از عمق ۱۲۰ متری بالا بکشند. البته جریان آب بالا کشیده شده از عمق بیش از ۵۰ متری کمتر از ۱۰ متر مکعب در روز خواهد بود.
از آن جایی که در مورد کار با پمپ های بادی مهارت های تکنیکی خاصی مورد نیاز نیست این پمپ ها راضی کننده اند. معمولا تعمیر و تعیض آنها ۳ روز طول می کشد. ۱ روز برای بالا کشیدن پمپ و جدا کردن برای این که بفهمیم کدام نوع سیلندر مورد استفاده قرار گرفته است که انواع مختلفی از آن وجود دارد، بنابراین قطعات جانبی را نمی توان به راحتی سفارش داد. ۱ روز برای دریافت قطعات یدک و روز سوم برای دوباره سر هم کردن پمپ مورد نیاز است. نگهداری روتور برای مثال تعوض پره ها و یا تعمیر جعبه دنده خطرناک است و از طرفی مجبورید برای این کار از ارتفاع ۱۵ متری صعود کنید.
برعکس، یک پمپ خورشیدی نگهداری راحت و سریعی دارد. در ۳۰ ئقیقه از درون چاه بیرون کشیده
می شود. پمپ یدک یا موتور یدک در ۱۵ دقیقه تعویض می شود. در ۲۰ دقیقه پمپ را دوباره به درون چاه می فرستید و پمپ دوباره به کار می افتد.
پمپ های خورشیدی ارزان تر از توربین بادی اند، نصب آنها راحت تر است وآب دائمی تری استخراج
می کنند، مخصوصا در مناطقی که بادهای فصلی و غیر دائم وجود دارد.
پمپ های خورشیدی بیشترین حجم آب پمپ شده را وقتی دارند که بیشترین نیاز به آنها وجود دارد یعنی در هوای گرم و آفتابی استخراج می کنند.
جهت یاب خورشیدی به یک صفحه فوتوولتائیک گفته می شود که روی یک محور می چرخد تا دقیقا با حرکت خورشید در آسمان روبروی خورشید قرار گیرد. ثابت شده که جهت یاب ها جذب انرژی از خورشید را ۲۵ تا ۵۰ درصد افزایش می دهند. برای پمپ های خورشیدی جهت یاب سبب کاهش هزینه سیستم به میزان قابل توجه می شود.
حداکثر جذب انرژی در فصل پیک مصرف آب
جهت یاب ها سبب افزایش آب خروجی با یک سیستم کوچک تر و ارزان تر وآن هم افزایش عملکرد در طی رزهای بلند آفتابی، زمانی که رشد گیاهان بیشتر است می شود و به همین دلیل جهت یاب ها برای مصارف کشاورزی و مصرف تابستان مناسب ترند.
جلوگیری از توقف کار پمپ
بسیاری از پمپ های خورشیدی در زمانی که زاویه تابش خورشید کم است (اوایل صبح یا اواخر عصر) دچار وقفه عملکرد می شوند.
زمانی که خروجی پنل خورشیدی کمتر از ۵۰ % باشد ممکن است نیروی لازم برای پمپاژ آب تامین نشود. به همین دلیل هم استفاده از جهت یاب می تواند پمپاژ آب در روز را تا ۲ برابر افزایش دهد.
پخش آب در پمپ های خورشیدی
اگر همراه با پمپ های خورشیدی از یک منبع ذخیره آب استفاده نشود، با کاهش خروجی پنل ها و در نتیجه کاهش پمپاژ آب ممکن است جریان آب به تمام نقاط زمین زراعی نرسد. تراکم خورشیدی با به حداقل رساندن زمان پمپاژ حجم آب می تواند به آبرسانی یکسان به تمام نقاط مزرعه کمک کند.
افزایش حق انتخاب برای پمپ های خورشیدی
گاهی برای نیاز آبی مورد نظر، یک پمپ آب خورشیدی کوچک کفایت نمی کند و از طرفی پمپ اب خورشیدی بزرگتر نیز خیلی پر هزینه تر می شود. این مشکل می تواند به وسیله یک جهت یاب کم هزینه با افزایش خروجی پنل ها حل شود.
چه وقت نباید از یک جهت یاب خورشیدی استفاده کرد؟
قابلیت جهت یاب خورشیدی در روزهای کوتاه زمستانی و در روزهای ابری کاهش می یابد. اگر نیاز آبی در زمستان کاهش نمی یابد و یا هوای منطقه اکثرا ابریست بهتر است که یک سیستم یا پنل بیشتر و بدون جهت یاب استفاده شود.
معایب و ارائه راهکار
یکی از دلایلی که پنل های خورشیدی استفاده نمی کنند احتمال به سرقت رفتن آنهاست. در اینجا چند پیشنهاد برای به حداقل رساندن این احتمال آورده شده است :
شماره سریال تمام پنل های خود را نگه دارید زیرا اگر احیانا بعد از سرقت پیدا شوند بتوانید مالکیت آنها راثابت کنید. این امر برای دریافت خسارت از بیمه نیز ضروری است.
در اطراف پنل ها فنس مناسب نصب کنید.
پنل ها را روی پایه های محکم و بلند با پی مناسب نصب کنید به طوریکه دور از دسترس باشد.
بحث و نتیجه گیری
از آنچه گذشت نتیجه می شود با توجه به تجارب کشورهای پیشرفته و حتی فقیر جهان، استفاده از پمپهای خورشیدی در تهیه آب مورد نیاز مناطق مستعد اهمیت فراوانی دارد و استفاده از پمپهای خورشیدی نسبت به پمپهای مشابه دیزلی باصرفه تر و کاراتر است. در این راستا جهت ارائه یک نمونه عملی از دو کاربرد سیستم های فتوولتائیک نامبرده در فوق می توان از سیستم های پمپهای فتوولتائیک و خورشیدی طراحی، نصب و اجرا شده توسط سازمان انرژیهای نو ایران (واقع در منطقه مهرشهر کرج دانشکده مدیریت) نام برد که هم اکنون نیز در حال بهره برداری است و منطقه فوق به یک آزمایشگاه خورشیدی مبدل شده و آزمایشها و نتایج قابل توجهی در این زمینه و در منطقه مذکور انجام و دریافت می گردد، لذا توجه هر چه بیشتر مسئولان ذیربط و همکاری ارگانهای مربوطه را می طلبد.
منابع
۱- World Bank,1993. Technical paper number 168”Solar Pumping”
۲- دکتر رحیم یزدانی، ۱۳۷۴، مقایسه فنی و اقتصادی سیستمهای فتوولتائیک امکان سنجی ساخت اجزاء مختلف مولدهای فتوولتائی در ایران، وزارت فرهنگ و آموزش عالی- پژوهشگاه مواد و انرژی
۳- سانا، پمپهای فتوولتائیک
۴- علی پورسلطانی، مسعود مصطفوی، جعفر محمدنژاد سیگارودی، سمیرا منشی پور، بررسی انرژیهای تجدیدپذیر سیستمهای فتوولتائیک، سازمان انرژیهای نو ایران
۵- Lorentz، ۲۰۰۸، پمپهای آبی خورشیدی در نامیبیا، ترجمه: سولار سبز انرژی سورنا
