بخشی از مقاله
خلاصه
در دهه های اخیر توجه به انرژیهای پاک و تجدید پذیر از بزرگتریت اولویتهای کشورها در بخش محیط زیست و اقتصاد بوده است. استحصال و انتقال آب بمنظور توسعه کشاورزی و تامین آب شرب از اموری است که به صرف انرژی زیادی محتاج است. قسمت عمده این انرژی در ایستگاههای پمپاژ کوچک و بزرگی مصرف میشود که حداقل در کشور ما با راندمان بسیار پایین و تلفات انرژی چشمگیر کار میکنند.
بدیهی است که استفاده از راهکارهایی که بتواند انرژی این بخش را تامین کند و از تلفات انرژی الکتریکی و سوختهای فسیلی بکاهد باید مدنظر باشد. یکی از اولین راهکارها، استفاده از انرژی فراوان و تقریبا رایگان خورشیدی برای تامین انرژی در همه بخشها و بویژه درصنعت آب است. این در حالیست که مطالعه اخیر نشان داد که در کشور ما برخلاف بسیاری از کشورهای پیشرفته، در حال توسعه و یا حتی فقیر دنیا، به این مهم توجه نشده است و برنامه مدونی برای تبدیل انرژی خورشیدی و استفاده از سیستمهای پمپاژ فتوولتائیک وجود ندارد.
در این مقاله ضمن جمع بندی مطالعات و پشرفتهای جهانی در تولید انرژی خورشیدی و بکارگیری آن در سیستمهای پمپاژ آب و مقایسه آن با وضعیت ایران، نمونه عملی از کاربرد پمپهای فتوولتائیک معرفی و ارزیابی شده است که بر مزیت این پمپها نسبت به الگوهای مرسوم تاکید دارد. نتیجه مورد انتظار از ارائه این تحقیق، طرح مسئله در محافل علمی و تشویق سیاستمداران، دولتمردان و متخصصان به برنامهریزی و سیاستگذاری در استفاده از این انرژی سبز در صنعت آب است که میتواند از پمپاژ آب در روستاها و واحدهای کوچک کشاورزی آغاز شود و به جهش اقتصادی در بخش انرژی و توسعه پایدار ختم شود.
1. مقدمه
در هزاره سوم جهان با تغییراتی روبروست که بدنبال آن نیاز مبرم به تغییر در روش انجام کارها بوجود میآید. عدم شناخت و استفاده از تکنیکهای رایج در دهکده جهانی عقبماندگی و سرخوردگی و حرکتی بدون بهره وری را در هر کشور بدنبال خواهد داشت. درحال حاضر انرژی نقش تعیینکنندهای در اقتصاد و سیاست جهانی ایفا میکند. همان طور که انرژیهای فسیلی در قرن بیستم موجب تحولات عظیم صنعتی شدند برای قرنهای آینده نیز انرژی از محورهای اصلی توسعه و فناوری در همه بخشهای جامعه خواهد بود.
آمار منتشر شده از سوی وزارت نیرو نشان میدهد که در سال 1373، 38/5 درصد از کل انرژی الکتریکی مصرف شده در بخش کشاورزی و صنعت در ایران توسط موتورهای الکتریکی بوده است. قسمت اعظم برق مصرفی در بخش کشاورزی در الکتروپمپهای مورد استفاده جهت پمپاژ آب در چاههای آب به مصرف رسیده است و این در حالی است که پمپهای مورد استفاده با راندمان بسیار پایین و حتی در حد %28 کار میکنند. از طرفی هزینه انرژی مصرفی یک الکتروموتور در طول عمر مفید آن 10 تا 20 برابر قیمت موتور، یعنی سرمایه گذاری اولیه است
از سال 1377 لغایت 1385 مصرف کل انرژی در بخش کشاورزی با نرخ رشدی معادل 1/3 درصد، از 33/1 به 36/8 میلیون بشکه معادل نفت خام رسیده است. همچنین در سالهای مذکور مصرف برق در بخش کشاورزی از 8/1 درصد به 11/9 درصد رسیده است
در حال حاضر بیش از 50000 حلقه چاه کشاورزی برقدار در سطح کشور موجود و در حال بهره برداری می باشد. مجموع مصرف انرژی الکتریکی سالانه چاههای برقدار حدود 8 میلیارد کیلووات ساعت می باشد.
همچنین مقدار تقریبی 230000 حلقه چاه بدون برق در سطح کشور وجود دارد که توسط دیزل بهره برداری میشوند و سالانه معادل 4 میلیارد لیتر گازوئیل به ارزش تقریبی 800 میلیون دلار مصرف می نمایند و عمدتا در نوبت برقدار شدن قرار دارند
مصرف انرژی در کشورهای درحال توسعه در سی سال گذشته رشدی بیش از چهار برابر داشته است و انتظار می رود این روند افزایشی در آینده نیز ادامه یابد .[4] رشد و موقعیت کشورهای درحال توسعه وابستگی شدیدی به انرژی قابل دسترس و قیمت آن دارد. این نکته نه تنها در کشورهای رو به توسعه بلکه در مورد کشورهای توسعه یافته نیز صادق است. با تمام این احوال دسترسی کشورهای درحال توسعه به انواع منابع جدید انرژی برای توسعه اقتصادی آنها اهمیت اساسی دارد و شکی نیست که دیگر نمیتوان به سیستمهای موجود انرژی متکی بود و در نتیجه استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر ضرورتی اجتناب ناپذیر است.
نخستین انرژی قابل تجدید انرژی خورشیدی است. انرژی خورشید به صورت تشعشعات الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد آزاد میشود و بوسیله یک رشته فرایندهای تشعشعی پی در پی به سطح زمین منتقل میشود. تشعشعات الکترومغناطیسی که به صورت اشعه واگرا از خورشید ساطع می شوند با سرعت سیصد هزار کیلومتر در ثانیه در فضا منتشر می شوند و زمین تنها حدود دو میلیاردیم انرژی منتشر شده از خورشید را میگیرد. مقدار متوسط انرژی خورشیدی که به جو زمین میرسد حدود 353/1 کیلووات برهر متر مربع است. چنانکه مجموع انرژی خورشیدی را در زمین هایی که نه در تصرف کسی و نه زیر کشت است محاسبه کنیم طبق برآورد این رقم به طور متوسط ده هزار تراوات در سال است که تقریبا هزار برابر مصرف کنونی انرژی در جهان است
امروزه طرح تولید انرژی خورشیدی در اکثر کشورهای درحال توسعه جهان از جنبه های گوناگونی چون تأمین برق روستایی، گسترش خدمات ارتباطی، پمپاژ آب، حفاظت کاتدی ، تأمین روشنایی معابر، سرمایش و گرمایش فضاهای مسکونی و تجاری ،گرمایش آب ، تامین آب و انرژی مناطق حفاظت شده زیست محیطی و... بکار گرفته شده است. یکی از مهمترین کاربردهای انرژی خورشیدی تامین آب شرب جوامع کوچک 100 - الی 1000 نفر - است. بانک جهانی تعداد افرادی که در مناطق روستایی دوردست زندگی میکنند و به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند را در کشورهای در حال توسعه حدود یک میلیارد نفر تخمین میزند
با توجه به فاصله زیاد روستاها از شبکه برق سراسری، تأمین انرژی مورد نیاز و آب آشامیدنی جمعیت روستایی بسیار مشکل و هزینه بر است. به همین دلیل سیاست بهرهبرداری از منابع انرژی محلی مانند انرژی خورشیدی سالهای سال است که به عنوان یک راه حل مفید شناخته شده است. از فواید استفاده از انرژی محلی، بهبود بخشیدن به وضعیت بهداشت و سلامتی، رونق کشاورزی با تامین آب آبیاری، دسترسی به آب اشامیدنی سالم و تأمین روشنایی مناطق مسکونی و کاهش مهاجرت به شهرها را میتوان نام برد. در حال حاضر تأمین انرژی بیش از 160 هزار روستا در سراسر جهان بر پایه انرژی خورشیدی است
در بین استفاده متعدد از انرژی خورشیدی، سیستمهای پمپاژ فتوولتائیک1 بطور گستردهای در دو دهه اخیر مورد استقبال قرار گرفته اند. براساس گزارشهای بانک جهانی تا سال 1993 ، ده هزار پمپ فتوولتائیک در سراسر جهان نصب و مورد بهرهبرداری قرار گرفت و این تعداد تا سال 1998 به شصت هزار سیستم پمپاژ فتوولتائیک رسید .[7] پمپهای خورشیدی در مناطقی که گسترش شبکه برق رسانی عملی نیست بسیار کارآمد هستند. حتی در مناطقی که اتصال به شبکه برق سراسری امکانپذیر است، استفاده از پمپهای فتوولتائیک به دلایل متعدد ترجیح داده میشود.
امروزه اجرا و بهرهبرداری از سیستم های فتوولتائیک در کشورهای درحال توسعه با سرعت بیشتری نسبت به کشورهای توسعه یافته در حال رشد است. دلایل این امر عبارتند از: محدودیت در توزیع شبکه برق، محدودیت ارزی برای واردات نفت، تعهد دولت نسبت به تأمین برق جمعیت روستایی و در آخر برنامه های بهداشتی و آموزشی که توسط سازمانهای جهانی تضمین شدهاند. بنابراین دولتمردان کشورهای درحال توسعه تصمیم به سرمایهگذاری در زمینه تولید تجهیزات سیستمهای فتوولتائیک گرفتهاند.
این تصمیم موجب کنترل سهام ملی انرژی، پیشرفت مناطق روستایی، ایجاد شغل و صنعت جدید، انتقال تکنولوژی و در نهایت پیشرفت اقتصادی شده است. با توجه به کاربردهای گسترده انرژی خورشیدی، مطالعات بسیاری دراین زمینه در سراسر جهان انجام شده است.تحقیقاتی که در سراسر جهان انجام گرفته است، این سیستم ها را از جنبه های گوناگون فنی و اقتصادی و اجتماعی و زیست محیطی مورد مطالعه و بررسی قرار داده است. اکثر این مطالعات از سال 1979 آغاز شده است و تا به امروز ادامه دارد
مطالعات تجربی و تحلیلهای تئوری بر روی سیستمهای فتوولتائیک افزایش راندمان و کاهش هزینههای اجرایی این سیستمها را در پی داشته است. از جمله مطالعات انجام شده تحلیل اقتصادی و اجتماعی تامین آب روستاهای دورافتاده توسط پمپهای فتوولتائیک را می توان نام برد. آنالیز اقتصادی و اجتماعی بر روی نتایج حاصل از نصب پمپهای فتوولتائیک در مناطق مختلف کشورهای مکزیک، هند و نامیبیا انجام گرفت. در آخر صرفه اقتصادی پمپهای فتوولتائیک در مقایسه با پمپهای دیزلی ثابت شد و همچنین طی نظرسنجی از ساکنان منطقه، قابلیت اطمینان بالا و تامین حجم آب مورد نیاز توسط پمپهای فتوولتائیک تایید شد
استفاده از انرژی خورشیدی برای پمپاژ آب از سال 1982 میلادی در اردن شروع شد و بتدریج گسترش یافت. مطالعات انجام شده روی سیستمهای فتوولتائیک در این کشور، توجیه پذیری اقتصادی و منافع اجتماعی این سیستم ها را تأیید میکنند
عربستان سعودی نیز از جمله کشورهایی است که از سال 1969 در راه استفاده از انرژی خورشیدی گام نهاد .[11] سالانه تحقیقات بسیاری مرتبط با انرژی خورشیدی در نقاط مختلف این کشورانجام می گیرد. با توجه به موقیت جغرافیایی مناسب عربستان سعودی استقبال گسترده ای از پمپهای خورشیدی بعمل آمد و بدنبال آن مطالعات بسیاری جهت افزایش راندمان این سیستمها انجام شد.
2. مجموعه ایستگاه پمپاژ خورشیدی
سیستم پمپاژ خورشیدی متشکل از پنج قسمت عمده است: صفحات خورشیدی الکتریکی، کنترلکننده پمپ، پمپ، مخزن ذخیره و باتری. توان پمپها به کمک آرایشی از صفحات خورشیدی تأمین میشود. جریان الکتریکی حاصل از صفحات فتوولتائیک از نوع جریان مستقیم - D.C - است. ولتاژ این صفحات براساس دمای ثابت و تابش متغیر و نیز تابش ثابت و دمای متغیر متفاوت است.
طول عمر مفید صفحات فتوولتائیک شامل سلولهای خورشیدی، 20 الی 30 سال است. سلولهای خورشیدی در 3 نوع مونوکریستال، پلی کریستال و مورف موجودند. در واقع بدلیل استفاده از صفحات خورشیدی جهت تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز در یک سیستم الکتریکی به آن سیستم فتوولتائیک میگویند.
توان تبادل شده بین صفحات خورشیدی الکتریکی و پمپ توسط یک کنترل کننده مدیریت میشود. این کنترل کننده از پمپ در مقابل نوسانات جریان محافظت نموده و شرایط ایجاد خروجی دائم را فراهم می نماید. علاوه بر این در صورت خشک کار کردن پمپ، کنترل کننده پمپ میتواند موجب خاموش شدن سیستم شود همچنین با تعبیه یک سوئیچ شناور متصل به کنترل کننده در هنگام پر شدن مخزن، میتوان پمپ را از کار انداخت.
اندازه پمپهای خورشیدی براساس هد مورد نیاز - مثلا مجموع عمق چاه و تلفات طولی و موضعی سیستم لوله های انتقال در پمپاژ از چاه - و دبی مورد نیاز آب تعیین میشود. ساز و کار ذخیره در سیستم پمپهای آبی خورشیدی میتواند به دو صورت ذخیره آب و یا ذخیره توان باشد.
ذخیره آب باصرفهترین و مطمئنترین روش است. البته می توان جهت استفاده از پمپ در روزهای ابری و در شب ها با تعبیه باتری، مبادرت به ذخیره توان نمود. این روش نیز اگر چه دارای قابلیت اطمینان بالایی است، مستلزم هزینه های بالاتر و نگهداری افزون تری نسبت به روش اول میباشد. در شکل شماره 1 اجزای سیستم پمپاژ خورشیدی و برخی از موارد مصرف به صورت شماتیک نشان داده شده است. در این شکل اجزای شماره 1، 2، 3، 4 و 5 به ترتیب صفحه - پانل - خورشیدی، کنترل کننده، ذخیره کننده توان، پمپ خورشیدی و منبع ذخیره آب را نشان میدهد و اجزای دیگر موارد مصرف در دامداری، کشاورزی و شرب را نشان میدهند. برخی از انواع پمپهای آبی خورشیدی عبارتند از: پمپهای مستغرق، پمپهای تقویتی سانتریفوژ سطحی، پمپهای شناور و پمپهای جت.
شکل - 1 نمای شماتیک از سیستم پمپاژ خورشیدی
3. مقایسه میزان کاربرد انرژی و پمپهای خورشیدی در ایران با سایر کشورها
برای بهرهگیری از تجربیات جهانی و مقایسه وضعیت کشورمان از نظر فعالیتهای تولید و مصرف انرژی خورشیدی بخصوص در بخش تامین آب، جدول شماره 1 برای برخی از فعالیتهای کشورهای مختلف در زمینه استفاده از انرژی خورشیدی، بر اساس مطالعه وسیع و جمع بندی گزارشها و تحقیقات موجود ایجاد شد. در این جدول فعالیتهای توسعه استفاده از انرژی خورشیدی در کشورهای مختلف، بویژه در پمپاژ آب برای مزارع، خلاصه شده است.
