تصميم نظام تحلية مياه البحر بالطاقة الشمسية: تحديد حجم وتكوين الألواح الكهروضوئية

أنظمة تحلية المياه بالطاقة الشمسية تواجه الأنظمة المصممة للجزر أو السواحل النائية أو المناطق غير المتصلة بالشبكة تحديًا مشتركًا: ما هو الحجم الأمثل للوحدات الكهروضوئية؟ وكيف ينبغي تكوينها؟

تتطلب عملية التناضح العكسي إمدادًا مستمرًا ومستقرًا للطاقة، بينما تُعد الطاقة الشمسية مصدرًا غير مستقر للطاقة في الغالب. وبدون تصميم مناسب، غالبًا ما يؤدي ذلك إلى هدر الاستثمارات ونقص المياه. ببساطة، يؤدي تركيب عدد كبير جدًا من وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى تجاوز الميزانية، بينما يؤدي تركيب عدد قليل جدًا منها إلى نقص إمدادات المياه.

ما هي منطق النظام الأساسي؟

لتصميم نظام التناضح العكسي الشمسي، يجب أولاً فهم منطق عمله الأساسي. يوجد دورين رئيسيين فقط في هذا المنطق: حمل التناضح العكسي ومدخلات الطاقة الشمسية.

للتأكيد، فإن RO هو حمل مستمر نموذجي. بمجرد بدء التشغيل، هذا محطة تحلية مياه البحر عادةً ما يتطلب الأمر تشغيلاً مستمراً على مدار الساعة. علاوة على ذلك، يجب أن يظل معدل التدفق والضغط ثابتين، إذ لا أحد يرغب في أن تؤثر عمليات التشغيل والإيقاف المتكررة على كفاءة إنتاج المياه، كما لا يرغب أحد في إتلاف وحدات الأغشية وزيادة تكاليف الاستبدال والصيانة.

أما مدخلات الطاقة الشمسية فهي عكس ذلك تمامًا. تتغير قدرة خرج مصفوفة الخلايا الكهروضوئية لحظيًا بتغير شدة ضوء الشمس. فإذا مرت سحابة، قد ينخفض خرج الطاقة بأكثر من 30% في غضون ثوانٍ. ويُعدّ معالجة هذا التباين بين العرض والطلب جوهر حساب سعة الخلايا الكهروضوئية وتصميم تكوين النظام.

كيفية حساب حجم الألواح الكهروضوئية لأنظمة تحلية المياه؟

يمكننا تبسيط الحساب إلى نموذج مبسط خطوة بخطوة.

الخطوة 1: تحديد الإنتاج اليومي من المياه (م³/يوم)

حدد كمية المياه العذبة التي يحتاجها نظامك لإنتاجها يومياً بالمتر المكعب. على سبيل المثال، لنفترض أن مشروعاً في جزيرة يتطلب إنتاجاً يومياً من المياه مقداره 10 أمتار مكعبة.

الخطوة الثانية: حساب الاحتياج اليومي من الكهرباء (كيلوواط ساعة/يوم)

يتراوح استهلاك الطاقة الفعلي لأنظمة التناضح العكسي لمياه البحر بين 3 و6 كيلوواط ساعة/م³، ويتأثر هذا الاستهلاك بعوامل مثل جودة المياه ودرجة الحرارة ومعدل الاستخلاص. ويُقدّر استهلاك الطاقة التصميمي المتحفظ بـ 4.5 كيلوواط ساعة/م³. والمعادلة بسيطة: 

استهلاك الطاقة اليومي (كيلوواط ساعة/يوم) = إنتاج المياه اليومي (م³/يوم) × استهلاك الطاقة للوحدة (كيلوواط ساعة/م³)

بناءً على الافتراضات المذكورة أعلاه: 

10 م³/يوم × 4.5 كيلوواط ساعة/م³ = 45 كيلوواط ساعة/يوم

يمثل الرقم المحسوب البالغ 45 كيلوواط ساعة الاستهلاك اليومي للطاقة لنظام التناضح العكسي دون احتساب خسائر النظام.

الخطوة 3: حساب القدرة المركبة للخلايا الكهروضوئية (كيلوواط ذروة)

بما أن وحدات الخلايا الكهروضوئية لا تعمل دائمًا بكامل طاقتها المقدرة، نحتاج إلى إدخال معيار هنا: ساعات ذروة النشاط الشمسي (PSH). تختلف ساعات ذروة النشاط الشمسي اختلافًا كبيرًا بين المناطق. ففي معظم أنحاء جنوب شرق آسيا وأفريقيا، تستغرق حوالي 4-5 ساعات، بينما في بعض أجزاء أوروبا قد تستغرق 3-3.5 ساعات فقط. صيغة الحساب هي: 

القدرة الكهروضوئية (كيلوواط ذروة) = استهلاك الطاقة اليومي (كيلوواط ساعة/يوم) / القدرة لكل ساعة / كفاءة النظام

تُعتبر كفاءة النظام عادةً بين 0.7 و0.85، شاملةً فواقد العاكس وفواقد الخطوط وعوامل أخرى. وقد تم استخدام قيمة متحفظة قدرها 0.75. وبناءً على الافتراضات المذكورة أعلاه، فإن البيانات المُتحصَّل عليها هي: 

45 كيلوواط ساعة/يوم/4.5 ساعة/0.75 = 13.3 كيلوواط ذروة

بمعنى آخر، فإن مشروعًا ينتج 10 أمتار مكعبة من الماء يوميًا سيتطلب ما يقرب من 13-14 كيلوواط ذروة من وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

متى أحتاج إلى بطارية؟

غالباً ما تكون البطاريات الجزء الأكثر تكلفة وتعقيداً في مشروع تحلية المياه بالطاقة الشمسية. ويعتمد تحديد ما إذا كان نظامك يحتاج إلى بطاريات على ثلاثة عوامل رئيسية: حمل التناضح العكسي، ونسبة الطاقة الشمسية، ومتطلبات استقرار إمدادات المياه.

إذا تداخلت أوقات استهلاك المياه وإنتاجها بشكل كبير، فإن بطارية ليثيوم صغيرة السعة تكفي لتخفيف تقلبات الطاقة وحماية مضخة التناضح العكسي من دورات التشغيل والإيقاف المتكررة الناتجة عن التغيرات المفاجئة في ضوء الشمس. وتشمل الحالات التي لا تتطلب بطاريات: انخفاض استهلاك المياه بشكل كبير، والحاجة إلى المياه خلال النهار فقط، وتوفر مصادر طاقة احتياطية أخرى.

عندما يتطلب مشروع ما إنتاجًا مستمرًا للمياه على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع بغض النظر عن الأحوال الجوية، يجب مراعاة تخزين الطاقة في البطاريات. وينطبق هذا على التطبيقات الصناعية أو التجارية التي تتطلب تشغيلًا متواصلًا على مدار الساعة.

أمثلة توضيحية

الحالة 1: جزيرة كايشان، الصين - نظام إمداد مياه طارئ يعمل بالطاقة الشمسية داخل حاويات

• تحليل الخلفية والاحتياجات

جزيرة كايشان هي جزيرة شعاب مرجانية صخرية نموذجية تقع قبالة الساحل، وتفتقر إلى مصادر المياه العذبة. ونظرًا لعدم إمكانية حفر الآبار في الجزر الصخرية، تتطلب الطريقة التقليدية نقل المياه بالسفن، بتكاليف نقل تصل إلى 10 يوانات للطن. ولتلبية احتياجات سكان الجزيرة، محطة تحلية مياه تعمل بالطاقة الشمسية داخل حاوية تم اختيارها، مع متطلبات إنتاج المياه اليومية التي تبلغ 10 م³/يوم.

• اشتقاق استهلاك الطاقة للنظام

باستخدام كفاءة عالية غشاء التناضح العكسي, يبلغ استهلاك الطاقة لكل وحدة من المياه المنتجة حوالي 3.5-4.5 كيلوواط ساعة/م³. وبأخذ القيمة المتوسطة البالغة 4 كيلوواط ساعة/م³، يكون استهلاك الطاقة اليومي لإنتاج المياه النقية في نظام التحلية كما يلي:

10م³ × 4 كيلوواط ساعة/م³ = 40 كيلوواط ساعة/يوم

بالنظر إلى التآكل الذي يلحق برادار الجزيرة ومرافقها السكنية وأنظمتها، فإن إجمالي الطلب على الطاقة يتجاوز بكثير استهلاك الطاقة اللازمة لتحلية المياه. وقد زُوّد النظام ببطارية تخزين طاقة عالية السعة تبلغ 660 كيلوواط/ساعة.

إذا اقتصر التزويد على المياه العذبة فقط (40 كيلوواط/ساعة يوميًا)، فإنّ تخزين الطاقة هذا قادر نظريًا على دعم أكثر من 16 يومًا متواصلة من الأمطار الغزيرة. حتى مع الأخذ في الاعتبار إجمالي استهلاك الجزيرة من الكهرباء (بافتراض 150 كيلوواط/ساعة يوميًا)، فإنه يُمكن أن يُوفر ما يقارب 4.4 أيام من الاكتفاء الذاتي من الطاقة، مما يُقلل بشكل كبير من مخاطر الاعتماد على الأحوال الجوية لتوفير المياه.

• القدرة المركبة للخلايا الكهروضوئية ونسبة القدرة

مع نظام كهروضوئي بقدرة 110 كيلوواط وكفاءة إجمالية تبلغ 0.8، وبناءً على متوسط مدة سطوع الشمس القصوى المحلية البالغة 3.5 ساعات:

110 كيلوواط × 3.5 ساعة × 0.8 ≈ 308 كيلوواط ساعة/يوم

يُعادل توليد الطاقة هذا حوالي 7.7 أضعاف استهلاك الطاقة الصافية لتحلية المياه. وهو يضمن إمكانية ملء خزان تخزين الطاقة بسرعة حتى خلال فصول انخفاض سطوع الشمس، ويتم تنظيمه بواسطة وحدة تحكم في الشبكة المصغرة للحد من التأثير على شبكة الكهرباء عند... مضخة الضغط العالي يبدأ.

الحالة الثانية: جزر جيلي، إندونيسيا – مشروع متكامل واسع النطاق للطاقة من الرياح والطاقة الشمسية وتخزين الطاقة

• تحليل الخلفية والاحتياجات

تُعدّ جزر جيلي نموذجًا للجزر غير الموصولة بشبكة المياه، حيث تُقدّم خدماتها لحوالي 3000 نسمة، بمن فيهم السكان الدائمون والسياح. وبناءً على معايير السياحة في الجزر الاستوائية، يبلغ متوسط استهلاك الفرد اليومي من المياه حوالي 160 لترًا. إجمالي إنتاج المياه: 

3000 شخص × 0.16 متر مكعب/شخص = 480 متر مكعب/يوم

وهذا يتطابق بشكل كبير مع القدرة الفعلية للمشروع على إنتاج المياه.

• حساب هيكل الطاقة وتوازنها

نظام توليد طاقة هجين متكامل خارج الشبكة بقدرة 720 كيلوواط ذروة، يجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية وتخزين الطاقة، ومجهز بمعدات تحلية مياه صناعية واسعة النطاق بتقنية التناضح العكسي. تم تحسين إجمالي استهلاك الطاقة لإنتاج المياه إلى حوالي 3.8 كيلوواط ساعة/م³، وحمل التحلية هو:

480 م³/يوم × 3.8 كيلوواط ساعة/م³ ≈ 1824 كيلوواط ساعة/يوم

تقع إندونيسيا بالقرب من خط الاستواء، ويبلغ متوسط ذروة سطوع الشمس فيها حوالي 4.5 إلى 5 ساعات. الطاقة المُولّدة نظرياً يومياً:

720 كيلوواط ذروة × 4.5 ساعة × 0.85 = 2754 كيلوواط ساعة/يوم

يوجد هامش أمان يبلغ حوالي 930 كيلوواط ساعة بين توليد الطاقة وحمل تحلية المياه.

بدلاً من التوسع العشوائي في سعة البطاريات، اعتمد المشروع استراتيجية "استخدام الماء بدلاً من الكهرباء" لتشغيل نظام تحلية المياه بكامل طاقته خلال النهار عندما يكون ضوء الشمس كافياً، وتخزين المياه العذبة في خزانات كبيرة. أما في الليل، فيتم توفير إمدادات مياه أساسية فقط، مما يقلل الاعتماد على البطاريات بنحو 20% إلى 30%.

أين من المرجح أن تحدث الأخطاء؟

حتى مع فهم الطرق الأساسية للحساب، لا تزال أخطاء التصميم تحدث بشكل متكرر في المشاريع الفعلية.

الخطأ الأول: زيادة حجم الألواح الكهروضوئية مقابل تقليل حجمها

هذه هي المشكلة الأكثر شيوعاً، وهي أيضاً الأكثر صعوبة في تحقيق التوازن. يؤدي استخدام ألواح الطاقة الشمسية ذات الحجم غير المناسب إلى عدم كفاية الطاقة، بينما يُعدّ استخدام ألواح ذات حجم أكبر من اللازم إهداراً للمال. 

في هذه الحالة، ينبغي إجراء تعديلات بناءً على كفاءة نظام PSHand المحلي. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت منطقة المشروع تشهد أيامًا ممطرة متتالية بشكل متكرر، فينبغي إعطاء الأولوية لزيادة سعة البطارية.

الخطأ الثاني: تجاهل ذروة الحمل

يبلغ التيار اللحظي لنظام التناضح العكسي عادةً من 3 إلى 5 أضعاف تياره المقنن. تجاهل تشغيل النظام عند ذروة الحمل سيؤدي إلى فصل العاكس وإيقاف تشغيل النظام. كما سيؤدي ذلك إلى انخفاض مفاجئ في الجهد، مما يؤثر على ضغط تشغيل الغشاء وينتج عنه مياه معالجة دون المستوى المطلوب. 

من الأفضل مراعاة هامش يتراوح بين 3 إلى 5 أضعاف عند تصميم واختيار نظام القيادة المباشرة الكهروضوئي، أو التفكير في إضافة مكثف عازل صغير السعة على جانب التيار المستمر.

الخطأ الثالث: افتراض خاطئ بشأن البطارية

لا تتطلب جميع المشاريع بطاريات ذات سعة كبيرة. فالتحفظ المفرط لن يؤدي إلا إلى زيادة التكاليف وأعباء الصيانة. كما لا ينبغي لنا أن نفترض أن وفرة ضوء الشمس تعني عدم الحاجة إلى البطاريات. فالتفاؤل المفرط يتجاهل موثوقية النظام ويعتمد فقط على الأحوال الجوية. 

إن النهج المنطقي، كما ذكر أعلاه، هو تقييم متطلبات البطارية بناءً على سيناريو المشروع المحدد.

خاتمة

يكمن جوهر تصميم نظام تحلية مياه البحر بالطاقة الشمسية في حساب نظام الخلايا الكهروضوئية بدقة واختيار البطارية المناسبة. بدءًا من حجم المياه وصولًا إلى ذروة سعة الكيلوواط، يمكن إجراء تقييم أولي باستخدام الطريقة المكونة من ثلاث خطوات المذكورة في المقال.

شركة NEWater خبيرة في تحلية المياه يمكنك الوثوق بها. إذا كنت تخطط لمشروع في جزيرة نائية أو على طول الساحل، ولا تعرف كيفية تصميم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، فلا تتردد في التواصل معنا وتزويدنا ببيانات مشروعك لنقدم لك الحل الأمثل.