أنظمة الطاقة الشمسية في ولاية نهر النيل — عطبرة وشندي والدامر

ولاية نهر النيل تجمع ما نادراً ما يجتمع في السودان: قرب من الشبكة الوطنية، وقاعدة صناعية حقيقية في عطبرة وبربر، وشريط زراعي مكثف على ضفتي النيل من شندي حتى أبو حمد. الإشعاع الشمسي الأفقي هنا يتراوح بين 6.0 و6.5 كيلوواط ساعة لكل متر مربع يومياً كمتوسط سنوي، وهو من أعلى المستويات المسجلة عالمياً. عملياً يعني ذلك أن كل كيلوواط ذروة مركّب ينتج نحو 1,750 إلى 1,900 كيلوواط ساعة في السنة بعد احتساب فواقد الحرارة والغبار والتحويل. هذا الرقم هو نقطة البداية في أي حساب جدوى، لا الرقم المطبوع على ملصق اللوح.

لكن المشكلة في نهر النيل ليست غياب الكهرباء بقدر ما هي عدم انتظامها. المصنع الموصول بالشبكة ما يزال يحتفظ بمولد ديزل يعمل ساعات طويلة كل شهر، ومزرعة الضفة تعتمد على مضخة ديزل لأن ساعات التيار لا تتطابق مع ساعات الري. لذلك يكون النظام الهجين — شمسي مع تخزين محدود وربط بالشبكة — أنسب هندسياً ومالياً من النظام المعزول تماماً: تستفيد من الشبكة حين تتوفر، وتغطي الانقطاع من البطارية، وتحصر تشغيل المولد في الحالات النادرة.

قرب مدن الولاية من خطوط النقل الوطنية يغيّر الحساب الاقتصادي كلياً. المنشأة هنا ليست معزولة، ولذلك لا تحتاج إلى بنك بطاريات ضخم يغطي ثلاثة أيام بلا شمس كما هو الحال في مواقع البادية البعيدة. ما تحتاجه فعلاً هو تخزين محدود يعبر بها ساعات الانقطاع اليومية، ومصفوفة شمسية بحجم يكفي لتغطية الحمل النهاري وشحن البطارية معاً.

هذا الفارق يخفض رأس المال المطلوب بشكل ملموس، لأن البطارية هي أغلى مكوّن في أي نظام وأقصرها عمراً. بنك تخزين يغطي أربع إلى ست ساعات من الحمل الأساسي يكلف جزءاً بسيطاً مما يكلفه بنك مصمم للاستقلال الكامل، ويؤدي الغرض نفسه في منشأة موصولة بالشبكة. وكل كيلوواط ساعة يأتي من الشمس بدل المولد يوفّر ما بين 0.35 و0.60 دولار أمريكي حسب سعر الوقود السائد ونسبة تحميل المولد.

نبدأ دائماً بقياس لا بتقدير: نركّب مسجّل أحمال على اللوحة الرئيسية لمدة أسبوع، ونوثّق توقيت الانقطاعات وطولها وتكرارها، ثم نبني السيناريو المالي على البيانات المسجلة وحدها. تفاصيل النطاقات السعرية حسب حجم النظام موضحة في صفحة أسعار الطاقة الشمسية، ونطاق العمل الصناعي في صفحة أنظمة الشركات والمصانع.

عطبرة من أشد مدن السودان حرارة، ودرجات الظهيرة في مايو ويونيو تتجاوز 45 درجة مئوية بانتظام. حرارة خلية اللوح ترتفع في هذه الظروف إلى ما بين 65 و75 درجة، وبمعامل حرارة نموذجي قدره ناقص 0.34 بالمئة لكل درجة فوق 25، تفقد المصفوفة نحو 13 إلى 17 بالمئة من قدرتها الاسمية في ذروة النهار. التصميم الذي يتجاهل هذا الفاقد يخرج ناقصاً عن وعده من أول صيف.

نعالج ذلك بثلاثة إجراءات: رفع نسبة قدرة المصفوفة إلى قدرة العاكس، وتعلية الهيكل عن السطح بمسافة تسمح بمرور الهواء تحت الألواح، واختيار عاكس مصنّف للعمل بقدرته الكاملة عند 50 درجة مئوية دون خفض تلقائي. البطاريات مسألة منفصلة تماماً: خلايا ليثيوم حديد فوسفات في غرفة مظللة ومهوّاة أو مكيّفة، لأن التشغيل المستمر فوق 40 درجة يقصّر عمر البطارية إلى ما دون نصف عمرها المتوقع. تفاصيل اختيار التخزين في صفحة الأنظمة الهجينة والبطاريات.

الغبار هنا مسألة إنتاج لا مسألة مظهر. في المواقع القريبة من مصانع الأسمنت والمحاجر يترسب على الزجاج غبار ناعم لاصق يخفض الإنتاج بنسبة تراكمية تقارب 1 إلى 2 بالمئة أسبوعياً، وترتفع الخسارة بعد عواصف الهبوب إلى ما يتجاوز 20 بالمئة حتى الغسلة التالية. لذلك نميل إلى زوايا ميل لا تقل عن 15 درجة رغم أن خط العرض يسمح بأقل منها، ونجدول الغسيل ضمن عقد الصيانة بدل تركه لتقدير المشغّل.

الشريط الزراعي الممتد على ضفتي النيل بين شندي والمتمة والدامر وبربر يقوم كله على الرفع من النهر، والمضخة تعمل بالديزل في معظم الحيازات. الرفع الفعلي هنا متغيّر لا ثابت: منسوب النهر يهبط عدة أمتار بين ذروة الفيضان في أغسطس وأدنى مستوى في أبريل ومايو، أي في الشهور نفسها التي يبلغ فيها طلب الري ذروته. أي تصميم يُبنى على منسوب واحد سيقصّر في التصريف تحديداً حين تحتاجه المزرعة أكثر ما تحتاجه.

لذلك نصمم على أسوأ حالة رفع لا على المتوسط. مضخة بقدرة 7.5 كيلوواط مع مصفوفة تتراوح بين 10 و11 كيلوواط ذروة تعطي في يوم صيفي صافٍ ما بين 400 و600 متر مكعب على رفع كلي مقداره 20 متراً، وهو ما يكفي عملياً لري 8 إلى 15 فداناً حسب المحصول وطريقة الري ونوع التربة. ونستخدم مغيّر تردد يقلع بالمضخة عند إشعاع منخفض ويحميها من التشغيل الجاف، مع تثبيت المأخذ على منصة أو عوامة تتبع انخفاض المنسوب.

طمي النيل مسألة تصميمية أيضاً: مصافي المأخذ وموضع فتحة السحب يحددان عمر المضخة أكثر مما يحدده الجزء الشمسي من النظام. نضع خزاناً وسيطاً حيث أمكن ليفصل ساعات الضخ عن ساعات الري، ويسمح بترسيب العوالق قبل دخولها شبكة التنقيط ومنقّياتها. التفاصيل الفنية الكاملة وحدود الرفع لكل فئة مضخة في صفحة الضخ الشمسي للري.