إجابة مختصرة
يستخدم نظام الري بالطاقة الشمسية ألواحًا كهروضوئية (PV) لتشغيل مضخة توصل الماء إلى المحاصيل، عادةً عبر خطوط التنقيط. حدّد قدرته استنادًا إلى ذروة الاحتياج اليومي للمياه، وارتفاع الضخ الكلي، وساعات الشمس في الشهر الأقل إشعاعًا. تضخ مزارع كثيرة الماء إلى خزان مرتفع وتروي بالجاذبية، ما يتيح تخزين الماء بدلًا من الكهرباء، لكنه يتطلب مكونات تنقيط تعمل بضغط منخفض.
ما نظام الري بالطاقة الشمسية؟
يستخدم نظام الري بالطاقة الشمسية ألواحًا كهروضوئية (PV) لتشغيل مضخة مياه ترفع المياه من بئر أو نهر أو بركة أو خزان وتوصلها إلى المحاصيل، عادةً عبر الري بالتنقيط. ولأنه يعمل بضوء الشمس، فإنه يلغي تكاليف الوقود والاعتماد على شبكة الكهرباء، مما يجعله خيارًا جذابًا للحقول النائية والمزارع الصغيرة والمناطق التي ترتفع فيها تكلفة الكهرباء أو لا تتوفر فيها إمدادات موثوقة.
يتكامل الضخ بالطاقة الشمسية بصورة طبيعية مع الري بالتنقيط: فكلاهما يعمل على أفضل وجه بمعدلات تدفق ثابتة ومعتدلة، كما أن كفاءة التنقيط العالية تعني الحاجة إلى مضخة أصغر وألواح أقل للمحصول نفسه. وحيثما تسمح التضاريس، يُدمج الضخ بالطاقة الشمسية غالبًا مع خزان مرتفع والري بالتنقيط بالجاذبية، بحيث يمكن ري النباتات في غياب أشعة الشمس. يشرح هذا الدليل كيفية عمل نظام الري بالتنقيط بالطاقة الشمسية، وكيفية تحديد سعته، ومتى يكون الري بالجاذبية أو الري من برميل مياه الأمطار كافيًا بمفرده.
كيف يعمل نظام الري بالتنقيط بالطاقة الشمسية؟
يتكون نظام الري بالتنقيط بالطاقة الشمسية النموذجي من ستة أجزاء:
- مصفوفة الألواح الكهروضوئية (PV): ألواح تُحدد سعتها وفقًا لاحتياجات المضخة من القدرة، وتُركب باتجاه الشمس، وأحيانًا على جهاز تتبع يدوي أو آلي لإطالة ساعات الضخ.
- وحدة التحكم بالمضخة أو العاكس: توائم خرج الألواح المتغير مع متطلبات المضخة. وتُغيّر كثير من وحدات التحكم بالمضخات الشمسية سرعة المضخة بحسب ضوء الشمس، وتوفر حماية من التشغيل الجاف ومن امتلاء الخزان.
- مضخة المياه الشمسية: مضخة غاطسة للآبار العميقة، أو مضخة سطحية للآبار الضحلة والبرك والقنوات. تناسب مضخات التيار المستمر (DC) الأنظمة الصغيرة؛ وتشيع مضخات التيار المتردد (AC) المزودة بعاكس شمسي عندما تتجاوز القدرة بضعة كيلوواط.
- التخزين: خزان مرتفع أو أرضي يخزن المياه بدلًا من تخزين الكهرباء، أو مجموعة بطاريات عندما يلزم تشغيل الري ليلًا.
- وحدة رأس الشبكة: مرشح وحاقن أسمدة اختياري ومنظم ضغط وصمامات.
- التوزيع: خطوط رئيسية وشبه رئيسية وخطوط تنقيط أو شريط تنقيط.
أي تكوين لنظام الري بالطاقة الشمسية ينبغي أن تختار؟
توجد ثلاثة ترتيبات شائعة. ويعتمد الاختيار على الضغط الذي يحتاجه نظام التنقيط، ومساحة الحقل، وما إذا كان الري مطلوبًا خارج ساعات سطوع الشمس.
| التكوين | آلية العمل | نقاط القوة | القيود | الاستخدام الأنسب |
|---|---|---|---|---|
| الضخ المباشر إلى شبكة التنقيط | تغذي المضخة نظام التنقيط مباشرةً أثناء سطوع الشمس | الأبسط والأقل تكلفة؛ دون خزان | يتغير التدفق والضغط بحسب ضوء الشمس؛ الري نهارًا فقط | الري بالتنقيط المعوّض للضغط في قطع الأراضي الصغيرة إلى المتوسطة في المناخات المشمسة |
| مضخة شمسية إلى خزان مرتفع، ثم التنقيط بالجاذبية | تملأ المضخة خزانًا؛ ويعمل التنقيط بالجاذبية | تخزين المياه يحل محل البطاريات؛ والري متاح في أي وقت | الضغط المنخفض يحد من مساحة قطاع الري؛ وتكلفة الخزان وحامله | الحيازات الصغيرة والخضروات والمواقع المنحدرة |
| مضخة شمسية مع بطارية أو مصدر طاقة هجين | توفر البطاريات أو الشبكة الكهربائية/المولد دعمًا احتياطيًا لمصفوفة الألواح الكهروضوئية (PV) | ضغط مستقر؛ والري وفق أي جدول | الأعلى تكلفة؛ والبطاريات تحتاج إلى الاستبدال | الصوبات الزراعية والمحاصيل عالية القيمة والتسميد بالري الآلي |
في معظم أنظمة التنقيط في الحقول المكشوفة، يكون تخزين المياه في خزان أقل تكلفة وأطول عمرًا من تخزين الكهرباء في البطاريات.
كيف تحدد قدرة نظام الري بمضخة مياه تعمل بالطاقة الشمسية؟
يبدأ تحديد سعة النظام من احتياجات المحصول المائية في أشد الأيام حرارة، ثم تُحسب بقية المتطلبات انطلاقًا منها. وفيما يلي طريقة مبسطة:
- قدّر ذروة الاحتياج المائي اليومي. اضرب المساحة في ذروة استهلاك المحصول للمياه. على سبيل المثال، تحتاج مساحة 0.5 ha من الخضروات التي تستهلك نحو 5 mm يوميًا إلى قرابة 25 m³ يوميًا. وتوفر بيانات البخر والنتح المحلية للمحاصيل لدى جهة الإرشاد الزراعي أرقامًا أدق.
- حدد الرفع الديناميكي الكلي. اجمع الارتفاع الرأسي من منسوب المياه، عند أدنى مستوى موسمي له، إلى الخزان أو الحقل، وفواقد الاحتكاك في الأنابيب والوصلات، والضغط الذي يحتاجه نظام التنقيط، بما يعادل تقريبًا 10 m من الرفع لكل bar.
- اقسم على ساعات الضخ الفعلية. تختلف ساعات ذروة الشمس باختلاف الموقع والموسم، وغالبًا ما تبلغ نحو 4–6 ساعات. وعند التشغيل لمدة 5 ساعات، يتطلب توفير 25 m³ يوميًا مضخة بتدفق يقارب 5 m³/h.
- احسب قدرة المضخة. القدرة الهيدروليكية تساوي التدفق مضروبًا في الرفع وكثافة الماء وتسارع الجاذبية. وعند تدفق 5 m³/h ورفع 40 m، تبلغ نحو 0.55 kW. اقسم هذه القيمة على كفاءة واقعية لتحويل القدرة الكهربائية إلى قدرة هيدروليكية، وهي تعتمد بدرجة كبيرة على نوع المضخة وحجمها، للحصول على قدرة الدخل الكهربائية.
- حدد سعة مصفوفة الألواح الكهروضوئية (PV). نادرًا ما تعطي الألواح قدرتها الاسمية في الحقل بسبب الحرارة والغبار وزاوية الميل، لذا تُختار عادةً مصفوفات تزيد قدرتها بنحو 20–50% على قدرة دخل المضخة. وفي هذا المثال، ينتج عن ذلك مصفوفة بقدرة في حدود 1.5–2 kWp.
- تحقق من الشهر الأشد تطلبًا. حدد السعة وفقًا للشهر الذي يشهد أعلى طلب على المياه مقارنةً بسطوع الشمس، وليس وفقًا للمتوسط السنوي.
يقلل اختيار الري بالتنقيط الكفء جميع القيم في هذه السلسلة من الحسابات. ويتناول دليلنا حول كيفية تصميم نظام ري بالتنقيط تدفقات قطاعات الري وتخطيط الخطوط الجانبية بمزيد من التفصيل.
ما الري بالتنقيط بالجاذبية؟
يستخدم الري بالتنقيط بالجاذبية ارتفاع خزان المياه، بدلًا من المضخة، لدفع المياه عبر خطوط التنقيط. ويوفر كل متر من الارتفاع ضغطًا يقارب 0.1 bar، أي نحو 1.4 psi، لذا فإن خزانًا على حامل بارتفاع 2 m يوفر عند المخرج نحو 0.2 bar فقط قبل احتساب فواقد الاحتكاك. وهذا أقل بكثير من ضغط 1 bar تقريبًا الذي صُممت للعمل عنده كثير من المنقطات القياسية.
لذلك يحتاج نظام الري بالتنقيط بالجاذبية إلى مكونات مصممة للعمل بضغط منخفض:
- شريط تنقيط أو منقطات للضغط المنخفض بممرات أكبر تعمل عند ارتفاع ضغط منخفض؛ فالمنقطات العادية المعوّضة للضغط لا تفتح غالبًا بصورة صحيحة تحت الحد الأدنى لضغط تشغيلها.
- خطوط جانبية قصيرة وأقطار أنابيب كبيرة بما يكفي لتقليل الاحتكاك، لأن كل فقد في الضغط له تأثير.
- مرشحات منخفضة الفاقد تُنظف باستمرار، إذ يمكن لمرشح مسدود جزئيًا أن يستهلك معظم ارتفاع الضغط المتاح.
- حقول مستوية أو خفيفة الانحدار؛ فالخطوط الجانبية المتجهة إلى أسفل المنحدر تكتسب ضغطًا، بينما تفقده الخطوط المتجهة إلى أعلى.
نظام الري بالجاذبية بسيط وصامت وموثوق للغاية. وتكمن محدوديته في المساحة: فالخزان الواحد مع الضغط المنخفض لا يستطيع تغذية سوى عدد محدود من المنقطات في الوقت نفسه، لذا تقسم المزارع الأكبر الحقل إلى قطاعات صغيرة تُروى بالتناوب. وللاطلاع على تخطيطات خاصة بالمحاصيل، راجع الري بالتنقيط للخضروات والمزارع الصغيرة.
هل ينجح الري بالتنقيط من برميل تجميع مياه الأمطار؟
الري من برميل مياه الأمطار هو الري بالتنقيط بالجاذبية في أصغر نطاق. فبرميل يجمع مياه الجريان من السقف ويُرفع على كتل داعمة يمكنه تغذية خط تنقيط قصير أو خرطوم نضّاح لبضعة أحواض زراعية. ويعمل على أفضل وجه عندما:
- يُرفع البرميل إلى أعلى ارتفاع عملي وتكون الأحواض قريبة منه؛
- تُركب شبكة ترشيح دقيقة عند المخرج، لأن مياه السقف تحمل حبيبات رملية ومخلفات عضوية؛
- تكون مكونات التنقيط مخصصة للضغط المنخفض، أو تُستخدم مضخة صغيرة للري بالتنقيط من برميل مياه الأمطار لتعزيز الضغط.
يمكن لمضخة مياه صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية لري الحدائق، مع مؤقت ري يعمل بالطاقة الشمسية، تحويل نظام التنقيط من برميل مياه الأمطار إلى نظام آلي. وللمزارعين التجاريين، يمكن توسيع تطبيق المبدأ نفسه ليشمل برك مياه الأمطار وخزاناتها التي تغذي مضخة شمسية.
كيف يعمل الترشيح والتسميد بالري مع أنظمة الطاقة الشمسية والجاذبية؟
أنظمة الضغط المنخفض أقل تحمّلًا للفواقد، لذا تحتاج وحدة رأس الشبكة إلى عناية:
- الترشيح: تحتاج مياه البرك والأمطار عادةً إلى ترشيح قرصي أو ترشيح بوسط مرشح قبل خطوط التنقيط، ويجب أن يكون فاقد الضغط عبر المرشح ضمن ارتفاع الضغط المتاح. وتحتاج مرشحات الغسيل العكسي الآلي إلى حد أدنى لضغط الدخول قد لا توفره أنظمة الجاذبية. راجع دليل مرشحات الري، وللأنظمة التي تضخ بالطاقة الشمسية وتوفر ضغطًا كافيًا، يمكن استخدام وحدة مثل المرشح القرصي الآلي المزود بتروس.
- التسميد بالري: تحتاج حاقنات فنتوري إلى فرق ضغط كبير، وقد لا يتوفر ذلك بالقدر الكافي في أنظمة الضخ الشمسي المباشر وأنظمة الجاذبية. ويمكن بدلًا من ذلك خلط السماد في خزان التخزين، أو حقنه بمضخة جرعات صغيرة تناسبية أو كهربائية. ويقارن مقالنا حول التسميد بالري وحاقنات الأسمدة بين الخيارات.
- التحكم: يمكن لوحدات التحكم المتوافقة مع الطاقة الشمسية ومؤقتات الصمامات العاملة بالبطاريات أتمتة قطاعات الري دون كهرباء الشبكة. راجع وحدات التحكم الذكية بالري للتعرف على الميزات المهمة، مثل التشغيل منخفض استهلاك الطاقة ومداخل إشارات مستوى الخزان.
ما مزايا الري بالطاقة الشمسية وحدوده؟
المزايا:
- لا توجد تكلفة وقود، وتكاليف التشغيل منخفضة بعد التركيب.
- يعمل بعيدًا عن شبكة الكهرباء ويغني عن ترتيبات إمداد الوقود.
- يبلغ الضخ ذروته في الأيام الحارة والمشمسة، حين تكون حاجة المحاصيل إلى المياه في أعلى مستوياتها.
- أجزاء متحركة قليلة مقارنةً بمضخة تعمل بمحرك احتراق؛ وضوضاء منخفضة دون عادم.
القيود:
- تكلفة أولية أعلى من مضخة تعمل بمحرك احتراق، بسبب الألواح والمضخة ووحدة التحكم والتثبيت وأي خزان أو بطاريات.
- ينخفض الإنتاج في الأيام الغائمة وفي الشتاء، لذا قد يلزم التخزين أو مصدر احتياطي.
- تحتاج الألواح إلى الحماية من السرقة والتنظيف المنتظم في المناطق المغبرة.
- قد يشجع الضخ منخفض التكلفة على الإفراط في سحب المياه الجوفية. وتوصي منظمة الأغذية والزراعة (FAO) بربط الري بالطاقة الشمسية بخطط لإدارة المياه، حتى لا تؤدي تكاليف التشغيل المنخفضة إلى استنزاف الخزانات الجوفية.
حيث يكون سطوع الشمس محدودًا، أو الطلب مرتفعًا جدًا، أو يلزم الضخ على مدار الساعة، قد تكون وحدة تعمل بمحرك احتراق، مثل نظام الري بتقنية IoT العامل بمحرك احتراق، أو نظام هجين يجمعها مع الطاقة الشمسية، أكثر عملية.
هل يمكن للمضخات الشمسية تشغيل أنظمة ري الصوب الزراعية والزراعة المائية؟
نعم، ولكن بحذر. يحتاج الري بالتنقيط في الصوبات الزراعية والزراعة المائية المعاد تدوير مياهها إلى المياه وفق جدول ثابت، غالبًا عدة مرات يوميًا وأحيانًا بعد حلول الظلام. ولذلك تحتاج مضخة المياه العاملة بالطاقة الشمسية للزراعة المائية عادةً إلى تخزين بالبطاريات أو اتصال بالشبكة الكهربائية كمصدر احتياطي. وقد يؤدي تعطل مضخة في قناة NFT بعد ظهر يوم حار إلى تضرر المحصول خلال ساعات، لذا فإن توفير تجهيزات احتياطية أهم مما هو عليه في الري الحقلي.
للمزارع ذات قطاعات الري المتعددة التي تريد الجدولة والتسميد بالري والمراقبة عن بُعد في حزمة واحدة، يمكن تغذية وحدة رأس شبكة متكاملة مثل نظامنا لري الأراضي الزراعية وتسميدها بتقنية IoT من مصدر طاقة شمسي أو هجين، إذا أُدرجت احتياجاتها من القدرة عند تحديد سعة الألواح الكهروضوئية (PV).
قائمة التحقق لتخطيط الري بالطاقة الشمسية والجاذبية
- نوع مصدر المياه ومنسوب المياه الموسمي ومعدل استعادة البئر لمنسوبه
- ذروة الاحتياج المائي اليومي للمحصول والمساحة
- الرفع الديناميكي الكلي، بما يشمل ضغط تشغيل التنقيط
- ساعات ذروة الشمس المحلية في الشهر الأشد تطلبًا
- ما إذا كان يلزم تشغيل الري ليلًا أو في الأيام الغائمة
- ارتفاع الخزان وسعته المتاحان للري بالتنقيط بالجاذبية
- احتياجات الترشيح والتسميد بالري وفواقد الضغط الناتجة عنها
- التصاريح المحلية لسحب المياه
تورد Mars Vertical Farm وحدات رأس شبكات الري بالتنقيط والمرشحات ومعدات التسميد بالري من مصنعها في شنغهاي، وتصدر إلى أسواق تشمل البرازيل وجنوب أفريقيا والمملكة العربية السعودية وفيتنام وأستراليا. تصفح تشكيلة معدات الري والتسميد بالري ومعالجة المياه، أو أرسل إلينا مساحة حقلك ومصدر المياه والرفع المطلوب للحصول على مقترح لوحدة رأس شبكة ملائمة.
