كيفية حل مشكلة استبدال البطارية في مصابيح الشوارع الشمسية المدمجة؟

لماذا يُعَدُّ استبدال البطارية العقبة الرئيسية أمام أنظمة مصابيح الشوارع الشمسية المدمجة؟

البطارية هي السبب الرئيسي للمشاكل في أنظمة مصابيح الشارع الشمسية المتكاملة بالكامل. وتتكوّن أنظمة مصابيح الشارع الشمسية المتكاملة من العديد من المكونات التي يمكن أن تدوم لسنوات عديدة، مثل الألواح الشمسية ومصابيح LED، لكن البطاريات تُعَدُّ الحلقة الأضعف فيها. فقد تبدأ في إظهار علامات على ضعف عملية الشحن والتفريغ بعد حوالي ٥–٧ سنوات. وتشكل تكلفة استبدال البطاريات نحو ٦٠٪ من إجمالي تكاليف صيانة المصابيح. وللمصابيح الشمسية المتكاملة ثلاثة مشاكل رئيسية تتعلق باستبدال البطاريات:

١. التغيرات الكيميائية التي تطرأ على البطارية نتيجة عمليات الشحن والتفريغ اليومية

٢. التآكل الحراري الداخلي الناجم عن درجات الحرارة المرتفعة جدًّا أو المنخفضة جدًّا

٣. المشاكل الناتجة عن الأيام الغائمة عندما تنفذ شحنة البطاريات تمامًا

تُفاقِم استراتيجيات تصميم الأنظمة المدمجة الوضع سوءًا. وعلى عكس الأنظمة الأخرى، تتطلب هذه الوحدات المغلقة تفكيكها بالكامل للوصول إلى البطارية، ما يجعل عملية التفكيك والتركيب مرتين ونصف إلى ثلاث مرات أطول مقارنةً بأنواع البطاريات الأخرى. وقد يؤدي إزالة البطارية إلى المساس بسلامة النظام المقاوم للعوامل الجوية. وتُعتبر البطاريات التي تحتاج إلى استبدال وحدات بعيدة المدى، أي أن تكاليف الاستبدال والنقل قد تصل إلى ٤٠٪ من التكلفة الإجمالية.

يُلغي دورة الاستبدال — في غياب المقاربات الاستراتيجية — الفوائد البيئية المستدامة لإضاءة الشوارع الشمسية. ولذلك يصبح من الضروري إدارة البطاريات بشكل استباقي لزيادة فترات الخدمة والحفاظ على الموثوقية. المتانة، وعمر الخدمة، وفترات الاستبدال أثناء التشغيل في وحدات إضاءة الشوارع الشمسية المدمجة.

عدد دورات الشحن والتفريغ، وتحمل الحرارة، ومعدلات الفشل الميدانية (من سنتين إلى خمس سنوات)

عند مقارنة بطاريات الرصاص بالبطاريات الليثيومية، فإن متوسط عمر البطاريات الليثيومية يبلغ ٢٠٠٠–٦٠٠٠ دورة شحن، بينما لا يتجاوز متوسط عمر بطاريات الرصاص ٥٠٠–١٠٠٠ دورة شحن، أي أن الفرق في عدد الدورات يتراوح بين ٤ و٦ أضعاف. كما أثبتت الدراسات أن البطاريات الليثيومية تدوم لفترة أطول من نظيراتها المصنوعة من الرصاص، وأن أدائها قد تحسّن وتراجع في نطاق أوسع من درجات الحرارة مقارنةً ببطاريات الرصاص. علاوةً على ذلك، تعمل البطاريات الليثيومية بكفاءة عالية في درجات الحرارة المنخفضة مثل سالب ٢٠ درجة مئوية، بل وحتى في درجات الحرارة المرتفعة مثل ٦٠ درجة مئوية. أما بطاريات الرصاص فتبدأ أداءها بالانخفاض بنسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٥٠٪ في درجات الحرارة المتجمدة، وقد تتعرض لانخفاض حاد في الأداء والسعة عند ارتفاع درجات الحرارة إلى ٢٥ درجة مئوية أو أكثر. وتعاني بطاريات الرصاص من تدهورٍ شديدٍ في المكونات الداخلية للخلايا، حيث تعاني معظم أنظمة بطاريات الرصاص من التصلب الكبريتّي (Sulphation) والتآكل داخل المكونات، ما يستدعي استبدال البطاريات كل ٢–٣ سنوات في المناخات الدافئة، وكل ٣–٥ سنوات في المناخات الأكثر برودة. وعلى النقيض من ذلك، تحتفظ معظم أنظمة الليثيوم المركَّبة بعد ٥ سنوات من التشغيل بما لا يقل عن ٨٠٪ من سعتها التخزينية الأصلية، كما أن ٧ من أصل ١٠ أنظمة ليثيومية لا تتطلب صيانةً بعد ١٠ سنوات من التشغيل، وتظل تحافظ على نسبة مشابهة من السعة التخزينية.

ليس من المستغرب أن تعتمد العديد من المدن بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) في أنظمتها لإضاءة الشوارع، إذ تؤدي هذه الفترات الطويلة للعمر الافتراضي إلى خفض تكاليف الصيانة بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٦٠٪ مقارنةً بالبدائل التقليدية القائمة على الرصاص-حمض.

دمج تقنية نظام إدارة البطارية الذكي (Smart BMS): التنبؤ بالأعطال وتحسين متانة البطارية في تصاميم أعمدة الإضاءة الشمسية المتكاملة

كيف تقلل تقنية نظام إدارة البطارية المتقدمة من تدهور البطارية عبر موازنة الجهد/درجة الحرارة وتقدير حالة الشحن (SOC)

تسعى أنظمة إدارة البطاريات الحالية (BMS) المستخدمة في مصابيح الشوارع الشمسية إلى منع تدهور البطاريات بشكل مبكر باستخدام ثلاث وسائل. وتتمثل إحدى هذه الوسائل في موازنة الجهد، والتي تهدف إلى منع شحن الخلايا الفردية للبطارية بشكل زائد أو ناقص (أي التفريغ الكامل)، ويمكن أن يؤدي هذا التعديل الوحيد إلى زيادة عمر حزمة البطارية الإجمالي بنسبة 30% أو أكثر. وثانيًا، هناك أجهزة استشعار لدرجة الحرارة التي تمنع ارتفاع حرارة النظام بشكل مفرط، مثلما يحدث أثناء موجات الحر الصيفية المُخيفة، وذلك للمساعدة في الحفاظ على السعة الكاملة للبطارية. وأخيرًا، توجد خوارزميات تقدير حالة الشحن (SOC) التي تحلّل أنماط التفريغ السابقة لتوقُّع ما إذا كان جهد البطارية يدعم التشغيل ضمن نطاقات تُعتبر خطرة. ومن الممكن أن تكون أبرز ميزة في هذه الأنظمة هي وظائفها التنبؤية المتعلقة باحتمال حدوث هذه المشكلات. فهذه الوظائف التنبؤية قادرة على كشف التقلبات الطفيفة في الجهد أو الأنماط غير الطبيعية في درجة الحرارة التي قد تؤدي إلى فشل النظام، مما يسمح بإجراء الصيانة الوقائية لتفادي الفشل التشغيلي والحفاظ على الكفاءة التشغيلية للنظام، وهو أمرٌ ذا قيمة كبيرة من الناحيتين الاقتصادية والتشغيلية.

إعادة تجهيز وحدة إدارة البطارية القابلة للتعديل: التغلب على قيود التصميم في وحدات مصابيح الشوارع الشمسية المدمجة والمغلقة

قد تقتصر عملية تحديث وحدات مصابيح الشوارع الشمسية المتكاملة باستخدام حلول أنظمة إدارة البطاريات الذكية (BMS) على تصميم الغلاف الواقي. فالمصابيح القديمة المُركَّبة في الشوارع تكون مدمجة داخل غلاف محكم الإغلاق لا يتيح مساحة إضافية للتعديلات أو دمج دوائر كهربائية إضافية، ما يستدعي تركيب أنظمة خارجية لوحدات إدارة البطاريات (BMS) مصمَّمة للاستخدام في الأماكن المفتوحة وذات تصنيف مناسب للاستخدام الخارجي. ومع ذلك، فإن الخبر السار هو أن الموصلات تكون عادةً متوافقة بفضل توفر محولات قياسية تتصل بالطرفيات الموجودة، دون الحاجة إلى إجراء أي تعديلات على الهيكل الأصلي. أما فيما يتعلق بإدارة الحرارة ودمج مشتتات الحرارة، فيتم وضع بطاقات موصلة حراريًّا بين المكونات الجديدة ومكوِّنات مشتت الحرارة الموجودة أصلاً. وفي أكثر من ٨٠٪ من الحالات، أثبتت هذه الطريقة المُجرَّبة ميدانيًّا أنها تحسِّن عمر البطارية الافتراضي بمقدار سنتين إلى أربع سنوات. كما تظل درجة مقاومة الوحدات الأصلية للماء والغبار (التقييم المناخي) محفوظة ومصمَّمة أيضًا في هذه الطريقة. ويجد العديد من البلديات أن هذه الطريقة مجدية تقنيًّا واقتصاديًّا.

طرق استبدال البطاريات للصيانة في أعمدة الإنارة الشمسية المدمجة

قائمة الاستبدال الإرشادية: الكيمياء، الجهد، والواجهة الحرارية

استخدم هذه البروتوكول لاستبدال بطاريات أعمدة الإنارة الشمسية المدمجة بسهولة.

الكيمياء: تأكَّد من توافق وحدات التحكم في الشحن (الحالية) والبطاريات (الجديدة) — فلكلٍّ من بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) وبطاريات الرصاص الحمضية متطلبات جهد مختلفة.

الجهد: قِس الجهد عند الدائرة المفتوحة قبل التركيب. وأي جهد يخرج عن النطاق القياسي (±0.5 فولت) يُرجَّح أن يكون عيبًا مصانعيًّا.

الواجهة الحرارية: استخدم معجونًا موصلًا حراريًّا بسعة 1.5 واط/متر·كلفن، واستبدل الوسادات، إن وُجدت، عند واجهة البطارية لتفادي ارتفاع درجة الحرارة.

مقاومة الطقس: بعد تركيب البطارية، وقبل إغلاق الغلاف، اختبر غرفة البطارية للتسربات بغمرها في ماء عمقه 30 سم لمدة 10 دقائق.

دورة التكرار: نفِّذ ثلاث دورات شحن وتفريغ كاملة، ولا تتجاوز عمق التفريغ 80% لتحقيق أفضل عمر دوري للبطارية.

وباتباع هذه العملية، يحقق فنيو الميدان نسبة نجاح تبلغ ٩٢٪. وبالمقارنة مع طرق الاستبدال الأخرى، يؤدي ذلك إلى خفض حالات الاتصالات اللاحقة بنسبة ٤٠٪.

ما هو قسم الأسئلة الشائعة؟

لماذا تتحلل بطاريات مصابيح الشوارع الشمسية أسرع من الألواح الشمسية ومصابيح LED؟

تتعرض بطاريات مصابيح الشوارع الشمسية لتفريغ عميق، ودرجات حرارة قصوى، ودورات شحن/تفريغ يومية، ولذلك فهي تتحلل أسرع من المكونات الأخرى.

ما المزايا التي تتمتع بها بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية عند استخدامها في مصابيح الشوارع الشمسية؟

تتميّز بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) بعمر افتراضي أطول وأداء أفضل في درجات الحرارة المختلفة، بينما تتطلب بطاريات الرصاص الحمضية استبدالاً أكثر تكراراً، ما يرفع تكاليف الصيانة بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٦٠٪.

كيف تسهم أنظمة إدارة البطاريات في إطالة عمر بطاريات مصابيح الشوارع الشمسية؟

من حيث عمر البطاريات الافتراضي، فإن أنظمة إدارة البطاريات تؤخّر آثار تدهور البطاريات وتدعم التشغيل الآمن لها. ويمكن تحقيق ذلك من خلال موازنة و/أو مساواة وحدات البطاريات من حيث جهدها و/أو درجة حرارتها؛ وتقدير حالة الشحن (State of Charge)؛ واكتشاف المشكلات قبل أن تؤدي إلى فشل نظام إدارة البطاريات.

ما الصعوبات التي تواجهها عند محاولة دمج أنظمة إدارة البطاريات الحديثة في أعمدة الإنارة الشمسية القديمة؟

عادةً ما تكون أعمدة الإنارة الشمسية القديمة مصمَّمة بشكل ضيق ومغلقة من عدة جهات، مما يستدعي إنشاء غلاف خارجي لأنظمة إدارة البطاريات (BMS)، وكذلك ضرورة التأكُّد من توافق الموصلات.