EN
تحسين موضع الألواح الشمسية ومقدار ميلها لتحقيق أقصى إنتاج ممكن للطاقة الشمسية
الميل = العرض الجغرافي + موضع الشمس الموسمي
لا يمكن المبالغة في أهمية وضع الألواح الشمسية في الموضع الصحيح لتشغيل فعّال لمصابيح الشوارع الشمسية LED. وغالبًا ما تُركَّب الألواح بزاوية تتوافق مع خط طول الموقع الذي تُثبَّت فيه. وبعبارة أخرى، يجب ضبط زاوية الألواح بحيث تكون عموديةً على موقع الشمس عند السمت (Zenith) في منتصف أشهر الصيف. فإذا أخذنا مثالاً على موقع يقع عند خط عرض 35 درجة شمالاً، فإن تركيب الألواح بزاوية 35 درجة بالنسبة للأفق سيحقِّق نتائج جيدة، لكن تحسين هذه النتائج يتم عبر تعديل زاوية الألواح وفقاً للموسم. فخلال أشهر الشتاء، يؤدي رفع زاوية اللوح (أو الألواح) بمقدار 10 إلى 15 درجة (أي تقريبها أكثر نحو الوضع الرأسي) إلى تمكين الألواح من امتصاص نسبة أكبر من الطاقة الشمسية المنبعثة من موقع الشمس المنخفض في السماء. أما في أشهر الصيف، فتكون الحالة عكسية: حيث يجب خفض زاوية اللوح لتقليل احتمال ارتفاع حرارته المفرط، وكذلك للحد من كمية الطاقة الشمسية التي تمتصها لتفادي ارتفاع الحرارة. ويُشار إلى خفض الزاوية بنفس المقدار (10 إلى 15 درجة) من الوضع الرأسي باسم «ضبط الصيف». وتُشير الدراسات إلى أن إجراء هذه التعديلات الموسمية يجنب حدوث خسائر في امتصاص الطاقة (تصل إلى 20٪) الناجمة عن سوء محاذاة الألواح. وبالتالي، تصبح الطاقة المخزَّنة في أنظمة البطاريات موثوقةً على مدار العام، سواء في أشهر الصيف أو الشتاء.
تحسين ديناميكي لميل الألواح الشمسية: دراسة حالة في راجاستان
جُرّبت تقنية تحسين الميل الديناميكي للألواح الشمسية كدراسة ميدانية في راجاستان. وقد أظهرت الدراسات الميدانية السابقة أنه حتى مع إجراء تعديلات موسمية على ميل الألواح الثابتة الموضوعة بزاوية ٢٧ درجة، فإنها تُنتج طاقة أقل (حوالي ٤,٢ كيلوواط ساعة يوميًّا) مقارنةً بالألواح القابلة للتعديل. وفي هذه التجربة، أُضيفت محركات قابلة للتعديل لميل الألواح مع تحديد مواضع موسمية محددة (ميل شتوي بزاوية ٤٢ درجة، وميل صيفي بزاوية ١٢ درجة). وأسفر ذلك عن زيادة في إنتاج الطاقة تصل إلى ٥,٨ كيلوواط ساعة. وبسبب هذا التحسين، حصلت الأسر في المنطقة على ساعتين ونصف إضافيتين من الإضاءة المسائية التي كانت سابقًا تعتمد على مصدر كهرباء غير متجدد. وغطّى النظام تكلفةَه البالغة ٢٢٠ دولار أمريكي (لكل وحدة شمسية) في غضون أقل من ١٤ شهرًا، وذلك نتيجة انخفاض الاعتماد على شبكة الكهرباء الرئيسية. كما أظهرت الألواح القابلة للتعديل، وفق التوقعات، عائد استثمار مرتفع نسبيًّا بسبب التغيرات الموسمية في موقع الشمس النسبي.
عدم كفاءة شحن بطاريات الرصاص-حمض عند درجات حرارة أقل من ٠°مئوية
ما زالت بطاريات الرصاص الحمضية تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الإضاءة الشمسية منخفضة التكلفة، لكن أداؤها ينخفض بشكل كبير عند درجات الحرارة دون الصفر. فعندما تنخفض درجة الحرارة إلى ٠ درجة مئوية، توفر هذه البطاريات فقط ٧٠ إلى ٨٠٪ من الطاقة التي صُمِّمت لتوفيرها. بل وحتى عند درجة حرارة -١٠ درجات مئوية، تكون الطاقة المقدَّمة غالبًا أقل من نصف الكمية المتوقعة. ويُعزى هذا الانخفاض أساسًا إلى طبيعة الإلكتروليت اللزجة، التي تعيق حركة الأيونات. ونتيجةً لذلك، لا تُشحن البطارية بالكامل، وتتسارع معدلات تكوُّن بلورات الكبريتات على ألواح البطارية. ولذلك، تصبح أعمدة الإنارة الشمسية غير قادرة على العمل خلال فصل الشتاء. وهذا لا يعرّض سلامة السائقين للخطر فحسب عبر خلق شوارع مظلمة، بل ويُشكِّل خطرًا جسيمًا أيضًا للمشاة.
مزايا ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄): التشغيل عند -٢٠°م وكفاءة كولومبية تبلغ ٩٥٪
وبما أن الطقس البارد يُشكِّل مشكلةً عديدةً للعديد من الأنظمة، فإن تكنولوجيا ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄) تُعَدُّ نَفَسًا منعشًا. فблагود بلورات الأوليفين تمكِّن هذه البطاريات من العمل بشكلٍ آمنٍ وكفءٍ حتى في الظروف التي تكون فيها درجات الحرارة دون نقطة التجمد. بل إن كفاءتها تصل إلى ٩٥٪ عند درجة حرارة سالب ٢٠°مئوية. وهذه ميزةٌ كبيرةٌ جدًّا في أيام الشتاء الباردة والغائمة، حيث يكتسب إدخال الطاقة وإخراجها أهميةً بالغة. أما نطاق الظروف التي يمكن أن تعمل فيها بطاريات الرصاص-الحمض فهو محدودٌ بشدة، وتصل هذه البطاريات بسرعةٍ إلى حد قطع الجهد المنخفض، ما يؤدي إلى تفريغٍ تامٍّ للبطارية وفقدانٍ تدريجيٍّ في السعة الإجمالية مع مرور الوقت. وفي أيام الشتاء، حتى لو كانت البطاريات قد خضعت لتفريغٍ عميقٍ، فإن قدرتها على الاستعادة تكون أفضل بكثيرٍ مقارنةً ببطاريات الرصاص-الحمض. فتستعيد بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄) بسهولةٍ دورة التفريغ والشحن، وتستمر لمدةٍ لا تقل عن ستة أضعاف عمر بطاريات الرصاص-الحمض. وقد لاحظت المدن أن الانتقال إلى هذه التكنولوجيا البطارية عند تنفيذ عمليات تركيب واسعة النطاق لإضاءة الشوارع الشمسية يُحقِّق تحسُّنًا كبيرًا في الموثوقية العامة وقابلية التشغيل لاستراتيجية الإضاءة الشمسية خلال الأشهر الباردة، مقارنةً بتقنيات كيمياء البطاريات الأخرى.
تعظيم احتجاز الطاقة في ظروف الإضاءة المنخفضة عبر نشر وحدات التحكم الذكية في الشحن ذات تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT)
مقارنة بين تقنيتي PWM وMPPT: مكاسب في الشحن تصل إلى ٢٥–٣٥٪ أثناء الغسق، الفجر، والأحوال الجوية الغائمة
تتفوق وحدات التحكم في الشحن ذات تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) على الوحدات الأساسية من نوع PWM (التعديل العريض للنبضات) في جميع الجوانب، بما في ذلك الساعات المبكرة من الصباح، والوقت المتأخر من المساء، والظروف الغائمة، أي في الأوقات التي تحتاج فيها أعمدة الإنارة الشمسية LED إلى دفعة طاقة. فبينما تُقيّد وحدات التحكم من نوع PWM جهد الشحن والتيار، فإن وحدات التحكم من نوع MPPT تقوم بضبط جهد الشحن والتيار لتعظيم كمية الطاقة الشمسية المستَغلَّة، بغض النظر عن التغيرات في الغطاء السحابي. وقد تصل كفاءة الشحن في وحدة التحكم من نوع MPPT إلى ما هو أفضل بنسبة ٢٥–٣٥٪ مقارنةً بوحدة التحكم من نوع PWM في الظروف الغائمة أو شبه المظللة أو ذات الإضاءة المتفرقة. ونتيجةً لذلك، تزداد مدة عمر البطاريات، وتبقى الأضواء مشتعلةً لفترة أطول. وفي التطبيقات خارج الشبكة الكهربائية، تستوعب أنظمة MPPT طاقةً إضافية بنسبة ١٥–٣٠٪ في ظروف الإضاءة المنخفضة مقارنةً بأنظمة PWM. وهذا ما يفسّر التفضيل السائد لوحدات MPPT في أنظمة الإنارة خارج الشبكة.
تطوير تقنيات شحن هجينة لضمان الموثوقية على مدار السنة
الطاقة الشمسية + طاقة الرياح الصغيرة أو الدعم من الشبكة الكهربائية: موثوقية تشغيلية مُثبتة بنسبة ٩٩,٢٪ في الاستخدام الفعلي
من خلال دمج (الطاقة الشمسية + طاقة الرياح الصغيرة) أو (الطاقة الشمسية + شبكة كهربائية ذكية)، يتم القضاء على الاعتماد على المخاطر المرتبطة بالظروف الجوية. وتوفّر توربينات طاقة الرياح الصغيرة الطاقة ليلاً في الأيام الرياحية، أو في الأيام الغائمة، أو حتى خلال الأسابيع الغائمة. أما الشبكة الذكية فتسحب الطاقة فقط عندما تنخفض شحنة البطارية إلى ٢٠٪ أو أقل، مما يقلل إلى أدنى حدٍّ من استنزاف الشبكة الكهربائية الرئيسية. وتستخدم مدن شمال أوروبا هذه التقنيات بنجاح مُثبت. ومتوسط دورات التشغيل/الإيقاف هو ٩٩,٢٪، مع انخفاض أداء الأيام الشتوية (الشمسية) بمقدار ١٢ نقطة. وبالمقارنة مع نظام (الطاقة الشمسية + طاقة الرياح الصغيرة)، يشهد مسؤولو البلديات انخفاضاً بنسبة ٣٠٪ في إصلاحات الأعطال. وربما لذلك تقوم البلديات بتثبيت هذه الأنظمة على الطرق الرئيسية، وممرات المشاة، ومسارات الحافلات.
الأسئلة الشائعة
ما هي أفضل زاوية لتثبيت الألواح الشمسية اعتماداً على العرض الجغرافي؟
إن أفضل زاوية للتثبيت تساوي تقريباً قيمة العرض الجغرافي للموقع. وعلى سبيل المثال، يمكن تعديل ميل الألواح رأسياً خلال أشهر الشتاء لزيادة كمية الطاقة المستمدة.
لماذا يفضّل بعض الأشخاص استخدام بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO₄) في المناخات القاسية؟
في البيئات القاسية، تعمل بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO₄) بكفاءة تامة عند درجة حرارة -٢٠ مئوية. علاوةً على ذلك، فإن كفاءتها التشغيلية تبلغ نحو ٩٥٪. أما بطاريات الرصاص الحمضية، فتنخفض كفاءتها بشكل كامل وتصبح غير قادرة على العمل عند درجة حرارة ٠ مئوية.
كيف يُحسَّن شحن الطاقة الشمسية باستخدام تقنية التتبع النقطي الأقصى (MPPT)؟
تتيح تقنية التتبع النقطي الأقصى (MPPT) تحسين عملية الشحن في الألواح الشمسية بفضل قدرتها على تعديل خصائص متعددة والحفاظ على عمليتي الشحن والتفريغ بأعلى كفاءة ممكنة. فعلى سبيل المثال، تحقِّق هذه التقنية كفاءة تتراوح بين ٢٥٪ و٣٥٪ في ظروف الإضاءة غير المواتية مقارنةً بمحوّلات التحكم بالعرض النبضي (PWM).
ما هي مزايا أنظمة الشحن الهجينة؟
إن دمج طاقة الطاقة الشمسية مع أنظمة شحن الرياح الصغيرة يجعل تشغيل أعمدة الإنارة العامة أكثر موثوقية، إذ يمكن للأنظمة الهجينة تحقيق وقت تشغيل بنسبة ٩٩,٢٪ حتى في الظروف المناخية القاسية.