لقد أجبر التلوث البيئي العالمي ونقص الطاقة الناس على بذل جهود أكبر للبحث عن مصادر طاقة جديدة وتطويرها. وفي سياق البحث عن مصادر طاقة جديدة وتطويرها، اتجهت أنظار الناس بشكل طبيعي نحو مختلف مصادر الطاقة البديلة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة النووية والطاقة الكهرومائية والطاقة الشمسية، وتُعدّ الخلايا الكهروضوئية أحد هذه المصادر. رغم أن التطبيقات العملية للخلايا الكهروضوئية تواجه العديد من القيود، إلا أنه مع انخفاض تكلفة إنتاج الطاقة الكهروضوئية وارتفاع تكلفة توليد الطاقة من الوقود الأحفوري وتناقص موارد الطاقة الأحفورية، بدأت الخلايا الكهروضوئية تدخل مرحلة التجاري تدريجيًا. 
أولاً، المبدأ الأساسي لتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسية

تستخدم الخلايا الشمسية بشكل رئيسي مادة السيليكون أحادي البلورة. يتم إنشاء وصلة p-n في هذه الخلايا بطريقة مشابهة للدايود، وتتبع مبدأ عمل الدايود نفسه. إلا أنّه في الدايود، يدفع المجال الكهربائي الخارجي حركة الفجوات والإلكترونات عبر وصلة p-n، بينما في الخلايا الشمسية، تُحفَّز حركة الفجوات والإلكترونات في وصلة p-n وتتأثر بها فوتونات الشمس والحرارة الناتجة عن الإشعاع الضوئي (*). وهذا ما يُعرف عادةً بمبدأ التأثير الكهروضوئي. تبلغ كفاءة التحويل الضوئي الحالية، أي كفاءة الخلايا الكهروضوئية، حوالي 13%-15% بالنسبة للسيليكون أحادي البلورة، و11%-13% بالنسبة للسيليكون متعدد البلورات. ومن أحدث التقنيات المتوفرة حالياً خلايا الأغشية الرقيقة الكهروضوئية.

ثانياً: تصنيف أنظمة توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية الكهروضوئية

حاليًا، يمكن تصنيف أنظمة توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية الضوئية بشكل عام إلى ثلاث فئات: أنظمة تخزين الطاقة الشمسية غير المتصلة بالشبكة، وأنظمة توليد الكهرباء الشمسية المتصلة بالشبكة، والأنظمة المختلطة بين النوعين السابقين. وتُعدّ أنظمة تخزين الطاقة الشمسية غير المتصلة بالشبكة إحدى الطرق الشائعة لاستخدام الطاقة الشمسية، وقد استُخدمت في الداخل والخارج لعدة سنوات. وتتميز هذه الأنظمة ببساطتها وقابليتها للتكيف مع مختلف الظروف. إلا أن حجم أنواع البطاريات المتعددة المستخدمة فيها كبير نسبيًا، كما أن صيانتها صعبة، مما يحد من نطاق استخدامها. 
ثالثًا: مكونات نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية 
1. خلايا كهروضوئية شمسية (لوح شمسي): تُحقق التحويل الضوئي الكهربائي 
2. البطارية: تعد البطارية من المكونات الأساسية في نظام الطاقة الكهروضوئية، وتُستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية المحولة من الخلايا الكهروضوئية. حاليًا، لا توجد في الصين بطاريات خاصة مصممة خصيصًا لأنظمة الطاقة الكهروضوئية، بل يتم استخدام بطاريات الرصاص الحمضية العادية. 
3. محول التيار المستمر: تتمثل وظيفته في تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد؛ لذلك فإن المؤشرات الأكثر أهمية لهذا المكون هي الموثوقية وكفاءة التحويل. يُستخدم التيار المتردد الناتج عن المحول لنقل أقصى قدر من الطاقة الكهربائية التي تولّدها الخلايا الكهروضوئية إلى الشبكة الكهربائية أو لتزويد الأجهزة الكهربائية مباشرة بالطاقة.

رابعًا: مقدمة عن أنظمة مضخات الطاقة الشمسية الكهروضوئية

مخطط نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية

يُعدّ نظام مضخة المياه الكهروضوئية نظامًا نموذجيًا يجمع بين التكنولوجيا الضوئية والميكانيكية والكهربائية. فهو يستخدم الخلايا الشمسية لتحويل الطاقة الشمسية مباشرةً إلى طاقة كهربائية، ثم يحوّلها عبر مرحلة العاكس إلى تيار متناوب يُستخدم لتشغيل محرك غير متزامن يعمل بتيار متناوب، مما يدفع المضخة لاستخراج المياه من مصادر مثل الآبار العميقة والأنهار والمجاري المائية والبحيرات والبرك لاستخدامها. يُستخدم هذا النظام على نطاق واسع في مجالات مثل معالجة الصحراء، وتحسين معيشة السكان، والري الزراعي، والريّ للمساحات الخضراء، وتربية الحيوانات في المراعي، ونوافير المناطق السياحية، ومشاريع معالجة المياه. يتميز نظام مضخة المياه الكهروضوئية بالخصائص التالية:

1. يُعدّ نظام مضخة المياه الكهروضوئية نظامًا يعمل بشكل تلقائي بالكامل ولا يتطلب مراقبة بشرية. يتكوّن النظام من خلايا كهروضوئية (لوح شمسي)، وبطاريات تخزين (حسب احتياجات العميل)، ومحوّل تردد خاص بالطاقة الشمسية، ومضخة، وجهاز لتخزين المياه، وغيرها. 
2. يُستخدم محول تردد خاص بالمضخات الكهروضوئية لضبط سرعة المضخة وفقًا لتغير شدة الإشعاع الشمسي، بحيث تقترب الطاقة الناتجة من أقصى طاقة لمصفوفة الخلايا الشمسية. وفي حال توفر إشعاع شمسي كافٍ، يتم التأكد من ألا تتجاوز سرعة المضخة سرعتها المحددة؛ أما في حال عدم كفاية الإشعاع الشمسي، فيتم التحقق مما إذا كانت الترددات الدنيا المحددة للتشغيل متوافقة؛ وإلا فتتوقف المضخة تلقائيًا عن العمل. 
3. تُشغَّل المضخة بمحرك تيار متردد ثلاثي الأطوار، وتقوم بسحب المياه من الآبار العميقة وضخها إلى خزانات/أحواض التخزين، أو توصيلها مباشرةً بنظام الري. وبحسب المتطلبات الفعلية للنظام والظروف الخاصة بالتركيب، يمكن استخدام أنواع مختلفة من المضخات للعمل. 
4. يمكن تقديم حلول فعالة من حيث التكلفة وفقًا للاحتياجات المختلفة للمناطق والعملاء.

خامسًا: ميزات وتطبيقات محول التردد من سلسلة PI9000-S

1. ميزات محول التردد من سلسلة PI9000-S

تُعدّ سلسلة محولات التردد PI9000-S منتجًا جديدًا طوّرته شركة بوشوان للتكنولوجيا استنادًا إلى خصائص محولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، بعد إجراء تجارب ميدانية متكررة. حاليًا، تُستخدم هذه السلسلة على نطاق واسع في عشرات البلدان والمناطق الواقعة بالقرب من خط الاستواء في آسيا وأفريقيا وأمريكا الجنوبية، وقد حازت على إشادة موحدة من العملاء بفضل أدائها الممتاز وتشغيلها المستقر والموثوق. وتتميّز هذه المنتجات بالخصائص التالية:

(1) نظام تتبع نقطة الطاقة القصوى MPPT مدمج بلوحة كهروضوئية عالية الدقة، يتتبع بذكاء نقطة الطاقة القصوى، سريع الاستجابة، عالي الاستقرار، وعالي الكفاءة.

(2) كشف ومعالجة حالة التشغيل الجاف

(3) التحكم في منسوب المياه في خزانات التخزين

(4) عند نقص الإضاءة، يمكن بالاشتراك مع المكونات الخارجية تحقيق التبديل التلقائي مع شبكة الكهرباء العامة لضمان موثوقية النظام؛

(5) نطاق واسع لتوافق الجهد، يناسب البيئات الخارجية بشكل أفضل؛

(6) شاشة LED لعرض حالة النظام وبارامتراته في الوقت الفعلي، نظام مراقبة عن بُعد في الوقت الفعلي يعتمد على RS485

(7) تصميم سريع التركيب، لا يتطلب صيانة إضافية؛

(8) وحدة مدمجة مع آلية حماية وتشخيص شاملة.

2. مخطط توصيل محول التردد من سلسلة PI9000-S وخيارات التجهيز لألواح الطاقة الشمسية

مخطط توصيل الدائرة الرئيسية

مخطط توصيل محول التردد الخاص بمضخات الطاقة الشمسية بقدرة 7.5 كيلو وات أو أقل من PI9000-S

اختيار لوحة الطاقة الشمسية

3. تطبيقات محولات التردد من سلسلة PI9000-S في المواقع الخارجية

تُعَدّ مصر من الدول الجافة ذات الأمطار القليلة، ويتسم مناخها بالجفاف والحرارة الشديدة، ويعمل أكثر من ثلث السكان النشطين في القطاع الزراعي. تبلغ مساحة الأراضي الصالحة للزراعة في البلاد 3.1 مليون هكتار، أي حوالي 3.7% من إجمالي مساحة البلاد، وتُعدّ معظم هذه المساحات أراضٍ مروية، وتُعتبر مصر الدولة الأعلى إنتاجية في أفريقيا من حيث العائد لكل وحدة مساحة. يحتلّ القطاع الزراعي مكانةً هامةً في الاقتصاد الوطني المصري، إلا أن مصر تواجه مشكلة خطيرة تتمثل في نقص موارد مياه الري، مثل عدم انتظام تساقط الأمطار، وتكرار حالات الجفاف، بالإضافة إلى شحّ موارد الكهرباء والمُنتجات النفطية اللازمة لتشغيل أنظمة الري. ومع ذلك، فإن الظروف الجغرافية المميزة لمصر تمنحها موارد غنية من الطاقة الشمسية. ومع انخفاض تكلفة مكونات الطاقة الكهروضوئية، باتت هناك اتجاهات واضحة نحو استخدام الطاقة الشمسية في الري الزراعي بمصر، وتتسارع خطوات الاستفادة من الطاقة الشمسية النظيفة بشكل أكبر.

بعد طرح محول التردد الخاص بمضخات الطاقة الشمسية من سلسلة PI9000-S لشركة بوتشوان للتكنولوجيا، سرعان ما تم استخدامه محليًا وظل يعمل بثبات وموثوقية، حاز على إعجاب العملاء، وبعد عام من الاستخدام، حقق للمستخدمين وفورات في التكاليف بلغت 60%.

سادسًا: مزايا توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية 
1. النظافة الكاملة. (في حال اعتماد خطة البطاريات، يجب أخذ معالجة البطاريات المستعملة بعين الاعتبار.) 
2. الأمان المطلق. 
3. الانتشار النسبي. 
4. متانة طويلة الأمد وخلوّها من الصيانة بالفعل. 
5. كفاية الموارد والاقتصادية المحتملة، إلخ. 
سابعًا: عيوب توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية 
1. قيود دورة الزمن. 
2. القيود الجغرافية. 
3. القيود المتعلقة بالظروف الجوية. 
4. حدود نقل السعة. 
5. كفاءة تحويل الطاقة الضوئية منخفضة. 
ثامنًا: العوامل الرئيسية التي تؤثر على عمل نظام مضخة الطاقة الشمسية الكهروضوئية

1. جهد وسعة الخلايا الكهروضوئية

2. شدة الإضاءة

3. نظافة سطح الخلايا الكهروضوئية (الألواح الشمسية)

4. درجة حرارة البيئة

تاسعًا: الخلاصة

تستفيد أنظمة مضخات الطاقة الشمسية من مصدر الطاقة المستدام للشمس، فتعمل مع شروق الشمس وتتوقف مع غروبها، ولا تحتاج إلى مراقبة بشرية، ولا تعتمد على مصادر الطاقة الأحفورية، وتعمل بشكل مستقل، ويمكن أيضًا دمجها مع شبكة الكهرباء حسب الحاجة، وهي آمنة وموثوقة. وبلا حاجة إلى أي مصادر طاقة خارجية، يمكن استخدامها بمرونة وتنقل في ريّ الأراضي الزراعية، وتوفير مياه الشرب للبشر والحيوانات، وتطوير الفناءات المنزلية، وتجميل المجمعات السكنية، وبناء نوافير ملونة، وتزويد مزارع تربية الحيوانات بالأكسجين، وتوفير وإدارة المياه في مزارع الملح الساحلية وغيرها. وهي تحلّ بشكل فعّال مشكلة ريّ الأراضي الزراعية، وترفع الإنتاجية، وتوفر المياه والطاقة، وتقلل بشكل كبير من الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية والكهرباء. وتتميز هذه الأنظمة بعمر افتراضي طويل، واستهلاك منخفض للطاقة، وضوضاء منخفضة، وتسوية متوازنة لسرعة التشغيل، وتشغيل مستقر، وعدم إحداث أي تداخل أو تشويش.

لذلك، بات نظام مضخات الطاقة الشمسية الوسيلة الأكثر فعالية لاستخدام الطاقة النظيفة كبديل عن الطاقة الأحفورية، وأصبح منتجًا مهمًا للطاقة الجديدة والتقنيات الجديدة ضمن الحلول المتكاملة للمشكلتين العالمية: «الغذاء» و«الطاقة».