كيف تعمل أعمدة الإنارة الشمسية؟

تعمل أعمدة الإنارة الشمسية عن طريق جمع ضوء الشمس من خلال لوحة كهروضوئية مثبتة على القطب أو بالقرب منه، وتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء تيار مباشر (DC)، وتخزين الطاقة في نظام بطارية قابلة لإعادة الشحن موجود داخل هيكل القطب، ثم تفريغ تلك الطاقة المخزنة تلقائيًا من خلال وحدة تحكم الشحن لتشغيل وحدة إضاءة LED خلال ساعات الظلام. النظام بأكمله مستقل بذاته ويعمل بشكل مستقل تمامًا عن شبكة المرافق - لا توجد كابلات طاقة تحت الأرض، ولا يوجد اتصال بمصدر التيار الكهربائي، ولا توجد تكلفة مستمرة للكهرباء. تعمل الخلية الكهروضوئية الحساسة للضوء أو المؤقت القابل للبرمجة المدمج في وحدة التحكم في الشحن على تشغيل وحدة إضاءة LED تلقائيًا عند الغسق وإيقافها عند الفجر، مع تكرار هذه الدورة كل يوم باستخدام الطاقة الشمسية التي تم حصادها في اليوم السابق فقط. إن فهم كيفية عمل كل مكون في سلسلة الطاقة هذه، وكيفية تفاعل المكونات مع بعضها البعض، يفسر المزايا المهمة التي توفرها أعمدة الإنارة الشمسية والقيود العملية التي يجب مراعاتها عند تحديدها لأي تركيب معين.

المكونات الأساسية الخمسة التي تجعل أعمدة الإنارة الشمسية تعمل

يعتمد كل عمود إنارة شمسي، بغض النظر عن حجمه أو تطبيقه، على نفس العناصر الوظيفية الخمسة التي تعمل بالتسلسل. يتم تحديد أداء النظام الكامل من خلال مدى جودة تحديد كل مكون لمورد الطاقة الشمسية المحلي، ومخرجات الإضاءة المطلوبة، وليالي الاستقلالية اللازمة بين الأيام المشمسة.

المكون الأول: الألواح الشمسية الكهروضوئية

اللوحة الشمسية هي جهاز تجميع الطاقة. وهو يتألف من مجموعة من الخلايا الكهروضوئية - عادة السيليكون أحادي البلورات أو السيليكون متعدد البلورات - التي تحول فوتونات الضوء مباشرة إلى تيار كهربائي من خلال التأثير الكهروضوئي، وقد تم عرضه تجريبيًا لأول مرة بواسطة إدموند بيكريل في عام 1839، ويتم وصفه الآن بواسطة فيزياء أشباه الموصلات الراسخة. عندما تضرب الفوتونات تقاطع أشباه الموصلات داخل كل خلية كهروضوئية، فإنها تثير الإلكترونات عبر الوصلة، مما يولد جهدًا وتيارًا صغيرين. يتم توصيل الخلايا الفردية في مجموعات متتالية ومتوازية لإنتاج الجهد الكهربي المقدر للوحة وإخراج الطاقة.

ألواح السيليكون أحادية البلورية، الخيار الأكثر شيوعًا لتطبيقات أعمدة الإنارة الشمسية، تحقق كفاءات تحويل تبلغ 17 إلى 23% في ظل ظروف الاختبار القياسية (STC: 1000 واط/م2 إشعاع، درجة حرارة الخلية 25 درجة مئوية) . في الظروف الخارجية في العالم الحقيقي، تكون الكفاءة الفعالة عادةً أقل بنسبة 10 إلى 15% من تصنيف STC لأن درجة حرارة الخلية ترتفع فوق 25 درجة مئوية في ضوء الشمس المباشر، مما يقلل الكفاءة بحوالي 0.4 إلى 0.5% لكل درجة مئوية فوق درجة الحرارة المرجعية (المصدر: IEC 61215، الوحدات الكهروضوئية الأرضية - مؤهلات التصميم والموافقة على النوع).

يتم تحديد حجم القوة الكهربائية للوحة لأعمدة الإنارة الشمسية بناءً على الطاقة اليومية التي تتطلبها وحدة إنارة LED، وساعات الذروة الشمسية المتاحة في موقع التثبيت، وسعة تخزين البطارية، والعدد المرغوب فيه من الليالي المستقلة في اليوم الغائم المتتالي. يتطلب عمود الإنارة الشمسي الذي يتطلب مصباح LED بقدرة 30 وات للتشغيل لمدة 10 ساعات في الليلة في موقع به 4 ساعات ذروة للشمس يوميًا، لوحة قادرة على توليد ما لا يقل عن 300 وات/ساعة من الطاقة يوميًا - مما يعني لوحة مُقدرة بحوالي 80 إلى 100 وات في شركة STC بعد حساب خسائر الكفاءة في العالم الحقيقي وخسائر النظام في وحدة التحكم في الشحن والبطارية.

المكون 2: جهاز التحكم بالشحن

وحدة التحكم بالشحن هي وحدة الذكاء لنظام عمود الإضاءة الشمسي. يقع بين اللوحة الشمسية والبطارية ووحدة الإنارة، ويدير تدفق التيار لحماية البطارية من الشحن الزائد والتفريغ العميق مع التحكم أيضًا في جدول تشغيل وحدة الإنارة، وفي الأنظمة المتقدمة، مستوى سطوعها.

هناك اثنتين من تقنيات التحكم بالشحن شائعة الاستخدام في أنظمة إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية:

• وحدات التحكم PWM (تعديل عرض النبضة): قم بتوصيل اللوحة الشمسية مباشرة بالبطارية وتنظيم الشحن عن طريق تشغيل وإيقاف تيار الشحن بسرعة، مما يقلل متوسط التيار مع اقتراب البطارية من الشحن الكامل. تعتبر وحدات التحكم PWM بسيطة وموثوقة وفعالة من حيث التكلفة، ولكنها لا تستخرج الحد الأقصى من الطاقة المتاحة من اللوحة لأن اللوحة مجبرة على العمل بجهد البطارية بدلاً من الجهد الأمثل الخاص بها (أقصى نقطة طاقة)
• وحدات التحكم MPPT (الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة): استخدم دوائر تحويل DC-DC للعثور بشكل مستمر على أقصى نقطة طاقة للوحة الشمسية والحفاظ عليها - مزيج الجهد والتيار الذي تنتج فيه اللوحة أكبر خرج طاقة لمستوى إشعاع معين. يمكن لوحدات تحكم MPPT الحصاد 10 إلى 30% طاقة أكثر من نفس اللوحة مقارنة بوحدات تحكم PWM، خاصة عند مستويات الإشعاع المنخفضة (في الصباح الباكر، في وقت متأخر بعد الظهر، في الظروف الملبدة بالغيوم) وفي المناخات الباردة حيث يرتفع جهد اللوحة فوق جهد البطارية بهامش أكبر (المصدر: التقرير الفني NREL، مقارنة بين وحدات التحكم بالشحن MPPT وPWM، المختبر الوطني للطاقة المتجددة)

تقوم وحدة التحكم بالشحن أيضًا بتنفيذ وظيفة التبديل من الغسق إلى الفجر من خلال إما مستشعر خلية ضوئية أو مؤقت قابل للبرمجة، وفي معظم الأنظمة الحديثة تدعم ملفات تعريف التعتيم التي تقلل من إخراج LED خلال ساعات الليل المتأخرة عندما تكون حركة المشاة في حدها الأدنى - مما يزيد من طاقة البطارية المتاحة لتغطية المزيد من ساعات التشغيل أو الليالي الغائمة المتتالية.

المكون 3: نظام تخزين البطارية

البطارية هي خزان الطاقة الذي يسد الفجوة بين جمع الطاقة الشمسية (ساعات النهار) واستهلاك الطاقة (ساعات الليل). تعد مواصفات البطارية واحدة من أكثر القرارات أهمية في تصميم نظام أعمدة الإنارة الشمسية، مما يؤثر بشكل مباشر على استقلالية النظام، والعمر التشغيلي، وإجمالي تكلفة دورة الحياة.

يتم استخدام ثلاث كيمياء للبطاريات في تطبيقات إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية:

• حمض الرصاص المختوم (SLA/AGM/GEL): أقدم التقنيات وأقلها تكلفة، بكثافة طاقة تبلغ حوالي 30 إلى 50 واط ساعة/كجم. موثوقة ومفهومة جيدًا، ولكنها ثقيلة وحساسة للتفريغ العميق (مما يقلل السعة بشكل دائم)، وتقتصر على ما يقرب من 300 إلى 500 دورة تفريغ شحن كاملة عند عمق تفريغ 80% قبل أن تنخفض السعة إلى أقل من 80% من السعة الأصلية
• فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4): الآن، الكيمياء الأكثر تحديدًا على نطاق واسع لأعمدة الإنارة الشمسية عالية الجودة، توفر كثافة طاقة تتراوح من 90 إلى 160 واط ساعة/كجم، وتحمل التفريغ العميق دون ضرر دائم، ودورة حياة تبلغ 1500 إلى 3000 دورة كاملة عند 80% من DoD قبل الوصول إلى 80% من السعة - ما يقرب من 4 إلى 8 مرات أطول من حمض الرصاص (المصدر: Battery University, BU-205، أنواع أيونات الليثيوم، Cadex Electronics)
• ليثيوم NMC (كوبالت النيكل والمنغنيز): كثافة طاقة أعلى من LiFePO4 ولكنها أقل استقرارًا حراريًا عند درجات الحرارة المرتفعة مع دورة حياة أقصر إلى حد ما؛ تستخدم في بعض تصميمات مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية المتكاملة حيث يكون تقليل الحجم المادي أولوية

يتم تحديد سعة البطارية بالواط/ساعة (Wh) أو أمبير/ساعة (Ah عند الجهد الاسمي) ويجب أن يكون حجمها مناسبًا لتوفير العدد المطلوب من ليالي الاستقلالية - الليالي الغائمة المتتالية التي يجب أن يعمل خلالها النظام عند مخرجاته المحددة دون أي إعادة شحن بالطاقة الشمسية. تتطلب معظم مواصفات إضاءة البلديات والطرق حدًا أدنى من 3 إلى 5 ليال متتالية من الحكم الذاتي ، تتطلب سعة البطارية من 3 إلى 5 أضعاف استهلاك الطاقة اليومي لوحدة الإنارة ونظام التحكم.

المكون 4: وحدة الإنارة LED

إن وحدة الإنارة LED هي جهاز إنتاج الضوء، حيث تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية DC المفرغة من البطارية إلى ضوء مرئي لإضاءة الطريق أو المسار أو المنطقة الواقعة أسفل العمود. تعد مصابيح LED (الثنائيات الباعثة للضوء) الخيار العالمي لتطبيقات إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية نظرًا لمزيجها من كفاءة الإضاءة العالية والعمر التشغيلي الطويل والتوافق مع مصدر طاقة التيار المستمر - وهي الخصائص التي تجعلها مناسبة بشكل فريد لقيود التشغيل الذي يعمل بالبطارية.

تحقق مصابيح LED عالية الجودة لتطبيقات إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية قيم فعالية مضيئة تبلغ 130 إلى 180 لومن لكل واط أو أعلى، مما يقلل بشكل كبير من الطلب على الطاقة الكهربائية لكل وحدة من ناتج الضوء مقارنة بأي مصدر ضوء قديم. تعد هذه الكفاءة العالية أمرًا أساسيًا لاقتصاديات إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية - فكل واط من تحسين فعالية LED يقلل بشكل مباشر من القوة الكهربائية المطلوبة للوحة وقدرة البطارية، وبالتالي التكلفة الإجمالية للنظام.

تشتمل مصابيح إضاءة الشوارع LED لتطبيقات الطاقة الشمسية على أنظمة بصرية مصممة لتوزيع الضوء بكفاءة على منطقة الإضاءة المستهدفة - عادة سطح الطريق الموجود أسفل القطب وحوله مباشرة - باستخدام عدسات غير متماثلة أو ترتيبات عاكسة تقلل من الضوء المهدر الموجه لأعلى (التلوث الضوئي) أو خارج منطقة الإضاءة المفيدة. يجب أن يتطابق التوزيع الضوئي مع ارتفاع القطب والتباعد لتحقيق مستويات الإضاءة المستهدفة المحددة في معايير إضاءة الطريق مثل EN 13201 (معيار إضاءة الطرق الأوروبي) أو IESNA RP-8 (معيار أمريكا الشمالية) لتصنيف الطريق المعني.

المكون 5: هيكل القطب

يوفر العمود الدعم الهيكلي لتركيب اللوحة الكهروضوئية على الارتفاع الأمثل وزاوية الميل لتجميع الطاقة الشمسية، ويضع وحدة الإنارة على ارتفاع التركيب المصمم لتوزيع الإضاءة المطلوبة، وفي معظم التصميمات المتكاملة أيضًا تحتوي على البطارية ووحدة التحكم في الشحن داخل حجرة مغلقة في قاعدة العمود أو القسم الأوسط.

يتم تصنيع أعمدة الإنارة الشمسية عادةً من الفولاذ (المجلفن بالغمس الساخن والمطلي بالمسحوق) أو سبائك الألومنيوم، بارتفاعات تتراوح من 4 أمتار لتطبيقات الممرات والحدائق إلى 12 مترًا أو أكثر لتطبيقات إضاءة الطرق والطرق السريعة. يجب أن يأخذ التصميم الهيكلي في الاعتبار حمل الرياح المشترك لكل من وحدة الإنارة واللوحة الكهروضوئية المثبتة في الجزء العلوي من العمود، والتي تعمل معًا على إنشاء منطقة شراع كبيرة ولحظة انحناء عند قاعدة العمود في ظروف العواصف.

جودة ممتازة أعمدة الإنارة الشمسية من الشركات المصنعة التي تخدم الأسواق الأوروبية والشرق أوسطية، تقوم بدمج جميع مكونات النظام الخمسة في تصميم متماسك ومحسن من الناحية الجمالية - مع اللوحة الكهروضوئية، ووحدة الإنارة، وحجرة البطارية، ووحدة التحكم في الشحن المحددة كنظام مطابق مُحسّن لموارد الطاقة الشمسية ومتطلبات إضاءة الطريق للمنطقة المستهدفة.

تدفق الطاقة عبر عمود إضاءة شمسي: خطوة بخطوة

يساعد فهم تدفق الطاقة لحظة بلحظة من خلال نظام عمود الإضاءة الشمسي في توضيح كيفية تأثير كل مكون على الأداء العام والموثوقية.

النهار: جمع الطاقة الشمسية وشحن البطارية

عند شروق الشمس، تضرب فوتونات ضوء الشمس خلايا اللوحة الكهروضوئية وتولد تيارًا مستمرًا، والذي يتدفق عبر الأسلاك الموجبة والسالبة إلى وحدة التحكم في الشحن. يبدأ جهاز التحكم بالشحن على الفور في توجيه هذا التيار إلى البطارية، باتباع ملف شحن متعدد المراحل:

• مرحلة الشحن بالجملة: يتدفق الحد الأقصى للتيار المتوفر من اللوحة إلى البطارية، مما يؤدي إلى زيادة حالة الشحن (SoC) بسرعة. يرتفع جهد البطارية بشكل مطرد. وتستمر هذه المرحلة حتى تصل البطارية إلى حوالي 80% من الشحن الكامل
• مرحلة الامتصاص: تحافظ وحدة التحكم في الشحن على جهد البطارية عند نقطة الامتصاص المحددة (بالنسبة لـ LiFePO4، ما يقرب من 14.4 إلى 14.6 فولت للبطارية الاسمية 12 فولت) وتسمح للتيار بالتناقص بشكل طبيعي مع اقتراب البطارية من الشحن الكامل
• مرحلة التعويم: بمجرد شحن البطارية بالكامل، تقوم وحدة التحكم بتقليل الجهد إلى نقطة الضبط العائمة للحفاظ على الشحن الكامل دون الشحن الزائد، مما يؤدي فقط إلى تبديد تيار التفريغ الذاتي للبطارية

في يوم صافٍ وفي موقع جيد، تصل البطارية عادةً إلى الشحن الكامل في وقت مبكر إلى منتصف بعد الظهر، وبعد ذلك يتم تقليص إنتاج اللوحة الشمسية بواسطة وحدة التحكم في الشحن لمنع الشحن الزائد. لا يتم تخزين أي طاقة تولدها اللوحة بعد امتلاء البطارية - ولهذا السبب يعد تحديد حجم البطارية الدقيق أمرًا مهمًا لتعظيم نسبة الطاقة الشمسية المتاحة التي يتم التقاطها واستخدامها فعليًا.

الغسق: تفعيل وحدة الإنارة تلقائيًا

مع انخفاض مستويات الإضاءة المحيطة عند الغسق، يكتشف مستشعر الخلية الكهروضوئية الموجود على وحدة التحكم في الشحن انخفاض كثافة الضوء. تستخدم معظم وحدات التحكم عتبة تتوافق عادةً مع مستوى الإضاءة البالغ 10 إلى 30 لوكس على سطح المستشعر لتشغيل أمر التشغيل. عند هذه العتبة، تقوم وحدة التحكم في الشحن بتنشيط دائرة إخراج التيار المستمر إلى مشغل وحدة الإنارة LED، ويضيء المصباح عند مستوى الإخراج الأولي المبرمج.

عادةً ما تتم برمجة التراجع المستند إلى المؤقت جنبًا إلى جنب مع الخلية الكهروضوئية، مما يضمن تشغيل الضوء في وقت محدد بعد غروب الشمس حتى إذا تم إعاقة الخلية الكهروضوئية مؤقتًا (بواسطة طائر أو ورقة شجر أو حطام متراكم) ولم يتم تشغيل مشغل الخلية الكهروضوئية بشكل صحيح.

الليل: تفريغ البطارية وملامح التعتيم

خلال الليل، يتم تفريغ البطارية بشكل ثابت لتشغيل وحدة الإنارة LED وإلكترونيات وحدة التحكم بالشحن. تقوم وحدة التحكم بالشحن بمراقبة جهد البطارية (أو حالة الشحن في الأنظمة المتقدمة باستخدام عد كولوم) وتنفذ ملفات تعريف التعتيم المبرمجة مسبقًا لإدارة استهلاك الطاقة طوال الليل.

قد يعمل ملف تعريف التعتيم النموذجي لإضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية على طريق سكني على النحو التالي:

• الغسق حتى الساعة 11:00 مساءً: الناتج 100% — ذروة نشاط المشاة والمركبات، الحد الأقصى للإضاءة المطلوبة
• 11:00 مساءً إلى 5:00 صباحًا: 50% الناتج — انخفاض حجم حركة المرور يسمح بتقليل الإضاءة مع الحفاظ على متطلبات السلامة الأساسية؛ استهلاك الطاقة إلى النصف
• 5:00 صباحًا حتى الفجر: الناتج 100% - استئناف نشاط الركاب في الصباح، واستعادة الإضاءة الكاملة

يقلل ملف التعتيم هذا من إجمالي استهلاك الطاقة ليلاً بنسبة 35 إلى 40% تقريبًا مقارنة بالتشغيل الكامل طوال الليل، مما يزيد بشكل متناسب من عدد الليالي الغائمة المتتالية التي يمكن للبطارية دعمها قبل نفاد الشحن. تضيف متغيرات استشعار الحركة طبقة إضافية من الذكاء: يتم تعتيم وحدة الإنارة بشكل أكبر (إلى 20 إلى 30%) خلال فترات عدم اكتشاف حركة، ولا تصل السطوع إلى الخرج الكامل إلا عندما يدخل أحد المشاة أو السيارة إلى منطقة الكشف.

الفجر: إيقاف تشغيل وحدة الإنارة وبدء الشحن

عند الفجر، تكتشف الخلية الكهروضوئية ارتفاع الضوء المحيط فوق عتبة إيقاف التشغيل وتشير إلى وحدة التحكم في الشحن لقطع خرج التيار المستمر عن وحدة الإنارة. في الوقت نفسه، مع ارتفاع الإشعاع الشمسي مع الشمس، تبدأ اللوحة في توليد التيار مرة أخرى وتبدأ وحدة التحكم في الشحن دورة شحن البطارية. في يوم صافٍ بعد ليلة كاملة من التشغيل، سيعيد النظام ذو الحجم الصحيح البطارية إلى الشحن الكامل قبل منتصف النهار بوقت طويل.

كيف يتم تكوين أعمدة الإنارة الشمسية: الأنظمة المتكاملة مقابل الأنظمة المنفصلة

يتم تصنيع أعمدة الإنارة الشمسية في تكوينين فيزيائيين أساسيين، يتمتع كل منهما بمزايا مميزة تناسب التطبيقات وظروف الموقع المختلفة.

أعمدة الإنارة الشمسية المتكاملة (الكل في واحد).

في تصميم متكامل، يتم دمج اللوحة الشمسية ووحدة الإنارة LED والبطارية ووحدة التحكم في الشحن في مجموعة مدمجة واحدة مثبتة في الجزء العلوي من العمود. يعمل هذا التكوين على تقليل عدد المكونات الفردية والاتصالات الخارجية، مما يؤدي إلى تبسيط عملية التثبيت وتقليل عدد نقاط الفشل المحتملة.

عادةً ما يتم تثبيت اللوحة في تصميم الكل في واحد في اتجاه أفقي أو شبه أفقي، نظرًا لأن التجميع يجب أن يكون مدمجًا بدرجة كافية للتكامل بشكل نظيف مع جسم وحدة الإنارة. وهذا يحد من مساحة اللوحة وبالتالي الحد الأقصى من طاقة النظام، مما يجعل تصميمات الكل في واحد أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة المنخفضة مثل إضاءة الممرات، وإضاءة منطقة وقوف السيارات، وإضاءة الشوارع السكنية حيث تكون قوة الإنارة من 10 إلى 40 واط مناسبة.

البطارية في معظم تصميمات الكل في واحد عبارة عن حزمة ليثيوم مدمجة في مبيت وحدة الإنارة. ويعني هذا الموضع أن البطارية تعمل عند درجة حرارة الهواء المحيط أو بالقرب منها، مما يؤثر على الأداء وطول العمر في المناخات القاسية - تفقد بطاريات الليثيوم قدرتها بشكل كبير عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية وتواجه تسارعًا في التقادم عند درجات حرارة تزيد باستمرار عن 45 درجة مئوية.

انقسام (مكون) أعمدة الإنارة الشمسية

في تكوين منفصل، يتم تركيب اللوحة الشمسية بشكل منفصل - إما على ذراع تثبيت مخصص في أعلى العمود أو على مصفوفة مثبتة على الأرض بالقرب من القطب - بينما يتم تركيب وحدة إنارة LED بشكل مستقل، ويتم وضع البطارية ووحدة التحكم في الشحن في حجرة مغلقة داخل قاعدة العمود. يسمح هذا الفصل بتحديد موضع كل مكون وتحديده على النحو الأمثل.

يسمح تركيب اللوحة المنفصلة بإمالة اللوحة وتوجيهها لتحقيق أقصى قدر من حصاد الطاقة الشمسية - وعادةً ما تكون مائلة بزاوية مساوية لخط العرض المحلي وموجهة نحو الجنوب (في نصف الكرة الشمالي) أو نحو الشمال (في نصف الكرة الجنوبي). يمكن أن يؤدي تحسين التوجه هذا إلى زيادة حصاد الطاقة السنوي بمقدار 10 إلى 25% مقارنة بلوحة أفقية في نفس الموقع ، اعتمادًا على خط العرض (المصدر: المفوضية الأوروبية، قاعدة بيانات الإشعاع الشمسي PVGIS، pvgis.ec.europa.eu).

تستفيد البطارية في النظام المنفصل، الموجودة في حجرة قاعدة العمود المظللة، من ظروف حرارية أكثر استقرارًا بشكل ملحوظ من البطارية المدمجة في جسم وحدة الإنارة المعرضة لأشعة الشمس المباشرة. وفي تطبيقات المناخ الحار مثل الشرق الأوسط، حيث تتجاوز درجات الحرارة المحيطة أثناء النهار بانتظام 45 درجة مئوية، يمكن للدرع الحراري الذي توفره مقصورة قاعدة العمود المصممة جيدًا أن يطيل عمر البطارية بعامل يتراوح بين 2 إلى 3 مقارنة بتصميم الكل في واحد غير المحمي الذي يعمل في نفس البيئة.

كيف يتم حساب وتحديد أداء أعمدة الإنارة الشمسية

الحجم الصحيح للنظام هو المهمة الهندسية الأساسية في مواصفات أعمدة الإنارة الشمسية. سيفشل النظام الأصغر حجمًا في توفير الإضاءة المحددة للعدد المطلوب من الليالي الغائمة المتتالية؛ يهدر النظام الضخم رأس المال على اللوحة وسعة البطارية التي لا يتم استخدامها بالكامل على الإطلاق.

ساعات الذروة للشمس: متغير الموقع الرئيسي

يعد عدد ساعات الذروة الشمسية (PSH) في موقع ما هو المتغير الأكثر أهمية في تحديد حجم عمود الضوء الشمسي. يتم تعريف PSH على أنه عدد الساعات يوميًا التي يساوي خلالها متوسط ​​الإشعاع الشمسي 1000 واط/م2 - إشعاع حالة الاختبار القياسي للألواح الكهروضوئية. ويتم حسابه من إجمالي الإشعاع الشمسي اليومي (بالواط/م2) مقسومًا على 1000 واط/م2.

تختلف قيم PSH بشكل كبير حسب الموقع والموسم. يوضح المتوسط السنوي التمثيلي لقيم PSH لمواقع مختارة في جميع أنحاء العالم التباين الجغرافي الذي يجب أن تأخذه حسابات الحجم في الاعتبار:

من الأهمية بمكان أن تكون أنظمة أعمدة الإنارة الشمسية ذات حجم مناسب أسوأ قيمة PSH للشهر في موقع التثبيت، وليس المتوسط السنوي - لأنه في الشهر الذي يكون فيه أقل إشعاع شمسي يكون النظام أكثر إجهادًا، وخلال هذا الشهر يكون التوازن بين حصاد الطاقة اليومي والاستهلاك اليومي للطاقة في أشد حالاته. إن النظام الذي يتناسب حجمه مع متوسط ​​PSH السنوي سوف يفشل بشكل موثوق في الحفاظ على أداء الإضاءة المحدد خلال أسوأ شهر في العام.

مثال مبسط للحجم

خذ بعين الاعتبار تركيب عمود إنارة يعمل بالطاقة الشمسية في دبي (أسوأ شهر PSH يبلغ 4.5 ساعات/يوم) يتطلب إضاءة LED بقدرة 30 وات تعمل لمدة 10 ساعات في الليلة، مع متطلبات 3 ليال متتالية من الاستقلالية عند عمق تفريغ 80% (DoD) باستخدام بطارية LiFePO4:

• الطاقة اليومية التي تتطلبها وحدة الإنارة: 30 واط × 10 ساعات = 300 واط في الليلة
• سعة البطارية المطلوبة (3 ليالٍ من الاستقلالية بنسبة 80% من وزارة الدفاع): (300 واط × 3) / 0.80 = 1,125 واط ساعة الحد الأدنى لسعة البطارية
• الطاقة اليومية المطلوبة للوحة (يمثل 80% من كفاءة النظام المجمعة): 300 وات ساعة / 0.80 = 375 وات ساعة من اللوحة يوميًا
• القوة الكهربائية المطلوبة للوحة: 375 وات ساعة / 4.5 ساعات ذروة الشمس = 83 وات الحد الأدنى لتصنيف اللوحة في شركة الاتصالات السعودية
• الاختيار العملي: لوحة 100 واط (الحجم القياسي التالي أعلى من الحد الأدنى المحسوب) مع حزمة بطارية LiFePO4 بقدرة 1200 واط في الساعة

مزايا أعمدة الإنارة الشمسية مقارنة بإضاءة الشوارع المتصلة بالشبكة

يُترجم الاستقلال الوظيفي لأعمدة الإنارة الشمسية عن الشبكة الكهربائية إلى مجموعة من المزايا العملية التي تفسر اعتمادها السريع في كل من الأسواق النامية والمتقدمة.

إزالة البنية التحتية للكابلات تحت الأرض

تتطلب إضاءة الشوارع التقليدية المتصلة بالشبكة تركيب كابل مدرع تحت الأرض من نقطة توزيع الطاقة إلى كل عمود على طول الطريق، وعادةً على عمق 450 إلى 600 ملم أو أكثر. عادةً ما تمثل تكلفة حفر خنادق الكابلات والقناة والكابلات نفسها والاتصال بشبكة التوزيع 50 إلى 70% من إجمالي تكلفة التركيب من مشروع إضاءة الشوارع التقليدية، وفي المناطق ذات الصخور أو منسوب المياه المرتفعة أو الخدمات الموجودة تحت الأرض يمكن أن تكون أعلى بكثير (المصدر: وكالة الطرق السريعة في المملكة المتحدة، دليل تصميم إضاءة الشوارع، HD 67/11).

لا تتطلب أعمدة الإنارة الشمسية أي توصيل كهربائي تحت الأرض على الإطلاق - فقط أساس بسيط ومرساة أرضية. يؤدي هذا إلى التخلص من الخنادق والكابلات وأجهزة التوصيل والعمالة الكهربائية الماهرة المطلوبة للعمل تحت الأرض، مما يقلل بشكل كبير من إجمالي تكلفة المشروع المثبتة في معظم المواقع ويتيح جداول زمنية للتركيب يتم قياسها بالأيام بدلاً من الأسابيع.

التشغيل في المواقع التي لا تتوفر فيها إمكانية الوصول إلى الشبكة

تعتبر أعمدة الإنارة الشمسية مناسبة بطبيعتها للمواقع النائية حيث لا تتوفر شبكة الكهرباء أو تكون باهظة الثمن لتزويدها - الطرق الريفية، وطرق الوصول الزراعية، وطرق الوصول إلى التعدين، ومواقع مشاريع التنمية، والمناطق التي يجري فيها تطوير البنية التحتية. في العديد من البلدان النامية في جميع أنحاء أفريقيا وآسيا والشرق الأوسط، تعد إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية هي التقنية الوحيدة المجدية اقتصاديًا لتوفير إضاءة الطرق خارج المناطق الحضرية المتصلة بالشبكة.

صفر تكلفة الكهرباء المستمرة

بمجرد تركيبه، لا يولد عمود الإضاءة الشمسي أي فواتير كهرباء. وفي المواقع التي ترتفع فيها تعريفات الكهرباء، تُترجم تكلفة الطاقة التشغيلية الصفرية إلى وفورات كبيرة على مدى عمر خدمة التركيب الذي يتراوح بين 15 إلى 25 عامًا. في الأسواق الأوروبية التي تخضع لتعريفات الكهرباء الصناعية، فإن مصابيح الشوارع التقليدية التي تستهلك ما بين 50 إلى 100 واط بمعدلات التعريفة الحالية تتراكم تكلفة طاقة على مدار 20 عامًا يمكن أن تساوي أو تتجاوز التكلفة الرأسمالية الأصلية للتركيب.

المرونة أثناء انقطاع التيار الكهربائي على الشبكة

تستمر أعمدة الإنارة الشمسية المزودة باحتياطيات كافية من البطاريات في العمل من خلال انقطاع التيار الكهربائي في الشبكة مما يؤدي إلى تعتيم إضاءة الشوارع التقليدية. هذه الميزة مهمة بشكل خاص في المناطق التي تتعرض لتساقط الأحمال بشكل متكرر، أو أضرار العواصف للبنية التحتية للشبكة، أو انقطاع إمدادات الشبكة لأي سبب من الأسباب - لا تتأثر الأعمدة الشمسية تمامًا بفشل الشبكة وتستمر في إضاءة الطرق والأماكن العامة بشكل طبيعي طوال فترة الانقطاع.

انخفاض البصمة الكربونية

تولد أعمدة الإنارة الشمسية الكهرباء التشغيلية من التحويل الكهروضوئي لأشعة الشمس - وهو مصدر طاقة خالٍ من الكربون أثناء التشغيل. في أنظمة الإضاءة المتصلة بالشبكة والتي يتم تشغيلها بواسطة شبكات الكهرباء مع توليد كميات كبيرة من الوقود الأحفوري، تكون كل وحدة إنارة مسؤولة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون غير المباشرة بما يتناسب مع كثافة الكربون في الشبكة. تعمل مصابيح الشوارع التقليدية بقدرة 50 وات لمدة 10 ساعات في الليلة في بلد تبلغ كثافة الكربون في الشبكة فيه 300 جرام من ثاني أكسيد الكربون/كيلووات ساعة تقريبًا 55 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون سنويًا - والتي يلغيها استبدال الطاقة الشمسية تمامًا من العمليات الجارية (المصدر: الوكالة الدولية للطاقة، انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن احتراق الوقود، وكالة الطاقة الدولية، 2023).

حدود أعمدة الإنارة الشمسية وكيفية إدارتها

تحتوي أعمدة الإنارة الشمسية على قيود حقيقية يجب تقييمها وإدارتها بأمانة في مواصفات النظام لتجنب التركيبات التي تؤدي إلى ضعف أداء تصميمها.

الاعتماد على توافر الموارد الشمسية

القيد الأساسي لأي نظام للطاقة الشمسية هو اعتماده على ضوء الشمس – وهو متغير بطبيعته. يمكن للفترات الممتدة من الغطاء السحابي، والأمطار الغزيرة، والعواصف الترابية (خاصة في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا)، وأشهر الشتاء عند خطوط العرض الأعلى أن تقلل من حصاد الطاقة الشمسية بشكل أقل بكثير من متوسط ​​التصميم لأيام أو أسابيع في المرة الواحدة.

يجب أن يتم تصميم النظام باستقلالية كافية للبطارية لسد هذه الفترات من انخفاض الحصاد دون انقطاع خدمة الإضاءة. عند خطوط العرض العالية (أعلى من 50 درجة تقريبًا شمالًا أو جنوبًا)، يجتمع طول النهار الشتوي وزاوية ارتفاع الطاقة الشمسية لتقليل الطاقة الشمسية المتاحة بشكل كبير لدرجة أن إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية تصبح غير عملية اقتصاديًا بدون أنظمة الألواح والبطاريات الكبيرة جدًا. عند خط العرض 52 درجة شمالًا (لندن)، يبلغ متوسط PSH في ديسمبر حوالي 0.8 ساعة/يوم، مما يعني أن النظام سيحتاج إلى لوحة أكبر بخمس إلى ست مرات من واحد يخدم نفس وحدة الإنارة في دبي خلال شهر ديسمبر - مما يجعل تكلفة النظام الإجمالية في كثير من الأحيان غير قادرة على المنافسة مع البدائل المتصلة بالشبكة حتى بعد التخلص من تكاليف الكابلات.

تدهور البطارية مع مرور الوقت

تتحلل جميع البطاريات القابلة لإعادة الشحن مع كل دورة شحن وتفريغ، وهذا التدهور يحد من عمر الخدمة الفعال لمكون البطارية. عادةً ما تحتفظ بطاريات LiFePO4، وهي الكيمياء الأفضل أداءً لإضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية 80% من سعتها الأصلية بعد 2000 دورة كاملة — ما يقرب من 5.5 سنوات من ركوب الدراجات يوميًا. في هذه المرحلة، قد تحتاج البطارية إلى الاستبدال للحفاظ على مواصفات التشغيل الذاتي الأصلية، والتي تمثل تكلفة الصيانة التي يجب أخذها في الاعتبار في حسابات تكلفة دورة الحياة الإجمالية (المصدر: Battery University, BU-808a, How to Prolong Lithium-based Batteries, Cadex Electronics).

تكلفة رأس المال الأولية أعلى من الإضاءة التقليدية

تضيف اللوحة الشمسية والبطارية ووحدة التحكم في الشحن تكلفة رأسمالية كبيرة إلى عمود الإضاءة الشمسية مقارنة بوحدة الإنارة التقليدية والقطب الذي ينتج إضاءة مكافئة. بالنسبة للمشاريع التي تتمتع بسهولة الوصول إلى البنية التحتية للشبكة، فإن تكلفة الكابلات التي تم التخلص منها قد لا تعوض بشكل كامل تكلفة المكونات الإضافية، مما يعني أن البديل المتصل بالشبكة له تكلفة تركيب أولية أقل. تعتمد الحالة المالية للطاقة الشمسية على التوازن بين توفير الكابلات وتوفير الطاقة طوال عمر المشروع وفروق تكاليف الصيانة.

تلويث اللوحة وصيانتها

الغبار وفضلات الطيور وحبوب اللقاح وجزيئات تلوث الهواء المتراكمة على سطح اللوحة الشمسية تقلل من إنتاج الطاقة. وقد وثقت الدراسات التي أجريت على الأنظمة الكهروضوئية في البيئات القاحلة وشبه القاحلة انخفاضات في الإنتاج قدرها 5 إلى 35% بين أحداث التنظيف اعتمادًا على البيئة والفترة الفاصلة بين عمليات التنظيف (المصدر: التقرير الفني للمختبر الوطني للطاقة المتجددة، "اتساخ الوحدات الكهروضوئية،" NREL/TP-5200-62785). في المناطق الصحراوية حيث يكون مصدر الطاقة الشمسية ممتازًا، يعد اتساخ الألواح أحد اعتبارات الصيانة المهمة التي يجب معالجتها من خلال جدول تنظيف منتظم.

المواصفات الرئيسية التي يجب تقييمها عند اختيار أعمدة الإنارة الشمسية

يتطلب الاختيار المستنير لأعمدة الإنارة الشمسية تقييم العديد من المعايير الفنية المحددة التي تحدد الأداء في العالم الحقيقي، وليس فقط المواصفات الرئيسية التي يمكن قياسها في ظل ظروف مثالية.

التطبيقات النموذجية حيث تحقق أعمدة الإنارة الشمسية أفضل النتائج

توفر أعمدة الإنارة الشمسية أقوى ميزة أداء لها على البدائل المتصلة بالشبكة في سياقات تطبيقية محددة حيث يؤدي الجمع بين تكاليف الكابلات التي تم التخلص منها وعدم توفر الشبكة وموارد الطاقة الشمسية الكافية إلى خلق حالة فنية واقتصادية مقنعة.

• إنارة الطرق الريفية والطرق السريعة: الطرق خارج المناطق الحضرية حيث يتطلب حفر الكابلات إلى كل قطب تمديد البنية التحتية للشبكة على مسافات طويلة؛ الأعمدة الشمسية تلغي الحاجة إلى أي اتصال بالشبكة
• مواقف السيارات والمناطق التجارية الخارجية في المواقع ذات الموارد الشمسية الجيدة: تتطلب المناطق المرصوفة الكبيرة الإضاءة في نقاط متعددة عبر الموقع، حيث تكون تكلفة حفر الخنادق لكل موقع عمود مرتفعة مقارنة بقيمة كل وحدة إنارة فردية
• إنارة الشوارع السكنية في المناطق المطورة حديثاً: مشاريع سكنية جديدة في المناطق التي تتمتع بموارد جيدة للطاقة الشمسية حيث تكون تكلفة توسيع البنية التحتية للشبكة كبيرة ويرغب المطور في تجنب تكاليف الطاقة المستمرة
• إضاءة الممرات والمرافق في الحدائق والأماكن العامة: ممرات المشاة البعيدة عن توصيلات الشبكة، حيث توفر أعمدة الطاقة الشمسية الإضاءة دون الحاجة إلى تمديد كابلات تحت الأرض عبر المناطق ذات المناظر الطبيعية
• طرق الوصول إلى المواقع الصناعية والتعدينية: المواقع الصناعية النائية حيث يتطلب الاتصال بالشبكة استثمارات كبيرة في البنية التحتية؛ توفر الأعمدة الشمسية إضاءة آمنة لطرق وصول المركبات بتكلفة تركيب أقل بكثير
• الإضاءة المؤقتة ومواقع البناء: المواقع التي تتطلب إضاءة مؤقتة لفترة محددة دون تكلفة واستمرارية الاتصال بالشبكة؛ يمكن تركيب أعمدة الطاقة الشمسية وتشغيلها ونقلها دون ترك أي بنية تحتية كهربائية خلفها
• إضاءة الطوارئ أثناء التعافي من الكوارث: يمكن أن توفر أعمدة الطاقة الشمسية إضاءة فورية في المناطق التي تضررت فيها البنية التحتية للشبكة بسبب الكوارث الطبيعية، حيث أنها لا تحتاج إلى اتصال بالشبكة لتشغيلها

للبلديات والمطورين ومخططي البنية التحتية في الأسواق الأوروبية والشرق أوسطية حيث تكون معايير إضاءة الطرق صارمة وتهتم بالجودة الجمالية، ومصممة بشكل جيد أعمدة الإنارة الشمسية توفير مزيج من أداء النظام والجودة البصرية والموثوقية طويلة المدى التي تتطلبها تركيبات الإضاءة العامة المهمة - مع توفير استقلالية البنية التحتية وإلغاء تكاليف الطاقة التي تحدد بشكل متزايد عرض القيمة لتكنولوجيا الطاقة الشمسية في جميع أنحاء المنطقة.