كيفية تركيب مصباح شارع شمسي بكفاءة عالية وسلامة؟

تقييم أداء مصباح الشارع الشمسي وتقييم الموقع

إجراء تقييمات ميدانية للتظليل والتضاريس والإضاءة

يبدأ تركيب ناجح لأعمدة الإنارة الشمسية بتقييم ميداني في الموقع. وتتمثل الخطوة الأولى في فحص الظلال وتقييم كمية الظلال السنوية التي تلقيها المباني والأشجار المحيطة على الألواح الشمسية. (وقد تؤدي العوائق إلى خفض كفاءة الألواح الشمسية بنسبة تصل إلى ٥٠٪ تقريبًا، وفقًا لبيانات مختبر الطاقة المتجددة الوطني NREL لعام ٢٠٢٣). وينبغي تقييم التضاريس لتحديد أولويات مواقع تركيب الأعمدة استنادًا إلى التغيرات المتوقعة فيها. وإذا اقتضى الأمر توفير إضاءة إضافية لتلبية متطلبات الرؤية، فيجب قياس شدة الإضاءة باستخدام جهاز قياس الإضاءة (مقياس اللوكس).

الحفاظ على أهداف الإضاءة وفق معايير رابطة مهندسي الإضاءة الأمريكية IESNA: معايير التجانس، الوهج، والإضاءة العمودية

يُطلب تركيب مصباح شارع يعمل بالطاقة الشمسية لتلبية معايير جمعية هندسة الإضاءة في أمريكا الشمالية (IESNA) الخاصة بإضاءة الطرق (RP-8). وتشير هذه المعايير إلى أنه عند تقييم متوسط الإضاءة على الطرق، والذي يتراوح بين ١٠ و٢٠ لوكس كحد أقصى، يجب أن تكون نسبة التباين بين أشد النقاط إضاءةً وأقلها إضاءةً حوالي ٤:١. ويُطبَّق استخدام عدسات قطع الضوء لتقليل الوهج، بحيث لا يتجاوز الحد الأعلى لمعدل الوهج وفق معايير IESNA، والمحدد بـ ٠٫٣ بالنسبة للإضاءة الرأسية. كما توجد متطلبات تنص على وجوب تجاوز الإضاءة الرأسية لقيمة ٣ لوكس في مناطق إضاءة المشاة، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام تقييمات فوتومترية.

دمج العوامل البيئية والمناخية لتعزيز عمر مصابيح الشوارع الشمسية الافتراضي

للاستجابة لمتطلبات أنظمة التقسيم المكاني الخاصة بالمناطق الساحلية، فإن أعمدة الألومنيوم من الدرجة البحرية المقاومة للملح والغلاف المصنّف وفق معيار IP68 ستكفي لتلبية هذه المتطلبات. أما في المناطق الصحراوية المرتفعة، فستتطلب التغييرات التحكم في الغبار والتبريد الجاف. ويُستخدم التسخين وبطاريات ليثيوم حديد الفوسفات لمساعدة النظام على العمل في درجات الحرارة المنخفضة (−٣٠°م) في المناطق الصحراوية المرتفعة. وفي التثبيتات الحارة الاستوائية، توجد متطلبات عازلة تدعم مشغّلات مصابيح LED. وبعد خمس سنوات من تطبيق هذه التعديلات، ستكون نسبة فقدان شدة الإضاءة (اللومن) أقل من ٩٠٪.

التصميم الاستراتيجي وتحديد مواقع الألواح الشمسية لتحسين تغطية مصابيح الشوارع الشمسية

تحديد المواقع المُحسَّنة للأعمدة وارتفاعها ومحاذاة إسقاط الضوء وفقاً لتصنيف الطريق ونوع الإسقاط الضوئي

الأداء يتناسب طرديًا مع التصميم والتكنولوجيا. فكما هو مصنَّف في أعمدة الطرق، فإن برنامج تصميم النمذجة الفوتومترية يُحدِّد «المسافة النموذجية» لتباعد الأعمدة مع أخذ عامل التباعد بعين الاعتبار: حيث يكون التباعد بين الأعمدة من ٢٫٥ إلى ٤ أضعاف ارتفاع العمود للطرق الرئيسية، ومن ٣ إلى ٥ أضعاف ارتفاع العمود للطرق السكنية. فعلى سبيل المثال، ولتحقيق درجة التجانس الموصى بها من قِبل جمعية مهندسي الإضاءة الأمريكية (IESNA)، فإن الأعمدة ذات الارتفاع ١٠ أمتار على الطريق السريع ستكون متباعدةً بمقدار ٢٥–٤٠ مترًا. كما أن تحديد الاتجاه أمرٌ بالغ الأهمية لتحقيق أقصى ميل جنوبي للأعمدة بزاوية تتراوح بين ١٥° و٣٠°، مما يحسِّن كفاءة جمع الطاقة بنسبة ١٨٪ في المناطق المعتدلة. وتشمل العوامل البنائية المؤثرة في التصميم انحناء الطريق، وعرضه، وكثافة حركة المرور، والتي تُحدِّد ارتفاع مستوى الإضاءة المطلوب.

استخدام التصميم المتكامل لبصريات مصابيح LED: زاوية الحزمة وتوزيع الضوء للإضاءة

يؤدي دمج تصميم القطب مع البصريات إلى تحقيق توزيع ضوئي مثالي وتوازن إضاءة ممتاز. وبالنسبة لتوزيع «الجناح الخفاف» (Batwing) بزاوية ٦٠° × ١٢٠° المُستخدَم في الأرصفة الضيقة، يكون التداخل الأمثل بين وحدات الإضاءة ٢٥٪ للحفاظ على التجانس عند مستوى إضاءة قدره ١٥ لوكس. أما عند الارتفاعات الأعلى، فإن أقصى مسافة مسموح بها بين الأعمدة لنفس عرض الطريق تتراوح بين ٨ و١٢ متراً. ويتم استخدام عدسات دقيقة مجهرية متقدمة لتحقيق تصنيفات «القطع الضوئي» (Cutoff Classification Ratings) ضمن المدى من G6 إلى B0 وفقاً للمعيار الأوروبي EN 13201، ما يقلل من انتهاك الضوء (Light Trespass) بنسبة ٤٠٪ في أنظمة المرايا العاكسة. وتشمل المتغيرات الرئيسية في التصميم زاوية الحزمة المستخدمة للتحكم في توزيع الضوء، والتحكم في الضوء المتناثر (Spill Light) عبر تطبيق توزيع ضوئي غير متماثل على الأعمدة.

ويأخذ نهج الدمج هذا بعين الاعتبار اتجاه التصميم لضمان الاستفادة القصوى من كل واط في حسابات التصميم، مع توفير حماية كافية من الوهج لضمان السلامة أثناء الاستخدام، وتقليل العدد الإجمالي لعناصر التصميم.

توصيات التصميم لتطبيقات إضاءة الشوارع الشمسية

الإضاءة الشمسية للشوارع المتكاملة مقابل الأنظمة المنفصلة: تصميم النظام، وتبريد المكونات، وسهولة استبدال المكونات

يعتمد تقييم دمج الوحدات المتكاملة (All-in-One) مقابل الوحدات المنفصلة (Split-System) على مزيج من معايير التكلفة والوظيفة والتصميم. وتدمج الوحدات المتكاملة المُصنَّعة جاهزةً كلًّا من الألواح الشمسية الكهروضوئية (PV) والبطاريات ووحدات الإضاءة LED كمكونات منفصلة ضمن نظام واحد. ويؤدي تصميم المنتج هذا إلى إلغاء الحاجة إلى الأسلاك، ويقلِّل وقت تركيب النظام وبنائه في الموقع بنسبة ٤٠٪. ومع ذلك، وبسبب غياب التصميم الذي يراعي التبريد السلبي و/أو التبريد بالحمل الحراري النشط، فإن عملية تبدد الحرارة تكون غير كافية، ما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وتسريع معدل تدهور بطاريات الليثيوم-أيون. أما الأنظمة المنفصلة أو «المنقسمة» المكوَّنة من ألواح شمسية كهروضوئية وبطاريات ووحدات تحكم للإضاءة LED، فتتيح تركيب الألواح الشمسية الكهروضوئية بزاوية مثلى لالتقاط أشعة الشمس. وتُركَّب وحدات التحكم الخاصة بالبطاريات والإضاءة LED تحت سطح الأرض (تحت مستوى سطح الأرض)، مما يسمح بتوفير تهوية كافية وتبريد فعّال. وتتيح الأنظمة المنقسمة استبدال المكونات الفردية حتى في حال تجاوز درجات حرارة البيئة تحت السطحية ٤٥ درجة مئوية؛ وفي هذه الحالة، يتم تقسيم زمن وتكوينات الصيانة — بغض النظر عن القيود البيئية — بحيث يقتصر الاستبدال على البطارية المعزولة فقط خلال نحو ١٥ دقيقة، أو إزالة الوحدة المتكاملة بأكملها. واستخدم الأنظمة المتكاملة (All-in-One) في مشاريع التنمية البلدية السريعة، بينما استخدم الأنظمة المنقسمة (Split Systems) في المناخات القاسية التي تتطلب فصل متطلبات التحقق والصيانة.

موقع التركيب لضوء الشارع الشمسي؟

حماية من الدخول، وحماية البطارية، والامتثال للمعايير الصادرة عن اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) ومختبرات المُفَوَّضين (UL)

تُعتبر التهوية ومزيج متطلبات الحماية الحرارية وحماية البطاريات نتائج مباشرةً لتدهور بطاريات فوسفات الليثيوم الحديدي (LiFePO4). ويجب أن تُصمَّم أنظمة التغليف لتصل إلى درجة حماية IP67، والتي تحمي من المياه والغبار. ومن أفضل الممارسات المتعلقة بالسلامة الكهربائية وفقاً للمعايير الصادرة عن اللجنة الدولية للتمويه الكهربائي (IEC) ومؤسسة الاختبارات الآلية (UL) عزل كابل التيار المستمر (DC) مرتين، واستخدام صناديق توصيل قطبية مقاومة للماء ومزودة بأرضيّة مغلقة. كما يُعالَج غياب الدوائر القصيرة — التي تُشكِّل السبب الرئيسي لـ ٢٣٪ من جميع حالات الفشل في أنظمة الطاقة المتجددة وفقاً لمراجعات السلامة — باستخدام أجهزة حماية من التيار الزائد (OCPD) التي تُفعَّل وتقطع التيار عند حدوث العطل خلال أقل من ٠٫١ ثانية. ويُعَدُّ تأريض الأنظمة عنصراً جوهرياً في تصميم الأنظمة الكهربائية، لأنه الطريقة الأكثر فعاليةً لتوجيه طاقة صاعقة البرق نحو الأرض وتبديد هذه الطاقة.

هندسة الأساسات المقاومة لرفع الرياح: عمق الخرسانة، والتسليح، وتحديد قدرة تحمل التربة

يحدد تصميم الأساس بعض درجات مقاومة حمل الرياح. فعلى سبيل المثال، يؤدي التصميم الأساسي لعمود ارتفاعه ٨ أمتار في ظل سرعة رياح تبلغ ٣٣ مترًا/ثانية إلى النتائج التالية:

المعامل المطلوب / أساس الحساب

عمق الخرسانة: ١,٢–١,٨ مترًا / سدس ارتفاع العمود + عمق التجمد

التسليح: شبكة من حديد التسليح بقطر ١٦ مم وبمسافة بينية قدرها ٢٠٠ مم وفق المواصفة القياسية الأمريكية ASTM A615 لمقاومة الشد

قدرة تحمل التربة: ≥ ١٥٠ كيلو نيوتن/م²، وفق اختبار الاختراق القياسي الأمريكي ASTM D1586

ولمنع الانقلاب الناتج عن رياح الرفع، فإن حسابات الكتلة الخاصة بالأساس وفقًا لكود البناء الأمريكي ASCE 7-22 تشير إلى أن نوع التربة يُحدّد أبعاد القاعدة. فعلى سبيل المثال، تتطلب التربة الرملية قواعد أوسع بنسبة ٣٠٪ مقارنةً بالتربة الطينية. أما فترة المعالجة التي تتراوح بين ٧ و٢٨ يومًا فهي تسمح للخرسانة بالوصول إلى مقاومة ضغط تبلغ ٢٥ ميجا باسكال، مما يجنبها الانحناء أو الانهيار أثناء عاصفة من الفئة الثالثة، وذلك كقاعدة عامة.

أسئلة شائعة

ما السبب الذي يجعل إجراء تجربة ميدانية أمرًا بالغ الأهمية عند تركيب مصابيح الشوارع الشمسية؟

العمل الميداني القصصي يُحدِّد أساسًا الزوايا الصحيحة للألواح الشمسية والمصابيح، ويُهيئ مختلف الظروف المتعلقة بالظلال، ويقيس ويُقيِّم مستويات الإضاءة المحيطة الآمنة والمثلى من حيث التضاريس.

ما بعض الآثار الناجمة عن النمذجة الفوتومترية على تحديد مواقع الأعمدة؟

تُعزِّز النمذجة الفوتومترية تفصيل الطريق لتحديد المسافات بين أماكن تركيب الأعمدة.

ما النتيجة المترتبة على مختلف التكيُّفات المستندة إلى المناخ في تصميم مصابيح الشوارع الشمسية؟

إن معظم التكيُّفات — مثل تصنيف IP67 وآليات مقاومة الغبار مع تهوية متغيرة، بالإضافة إلى إدارة حرارية جزئية أيضًا — تسمح للمصابيح بأن تعمل بشكل متجانس عبر ظروف بيئية متنوعة.

ما بعض الآثار الأخرى لأنظمة مصابيح الشوارع المنفصلة؟

تتميَّز الأنظمة المنفصلة بفوائد كبيرة في إدارة الحرارة والصيانة العامة، مما يسهِّل تحقيق تصاميم متينة قادرة على الصمود في البيئات القاسية وغيرها من الظروف غير المتوقعة.

ما هي أهم اعتبارات السلامة عند تركيب مصابيح الشوارع الشمسية؟

وتشمل الإجراءات الأكثر أهمية إجراء التوصيلات الكهربائية وفقًا لمعايير UL أو IEC، واستخدام أغلفة واقية ذات تصنيف IP67+، وإنشاء أساسات مستقرة مقاومة للرياح وغيرها من الظروف الجوية.