EN
حلول شحن فصل الشتاء لأنظمة أعمدة الإنارة الشمسية LED في المناخات الباردة
يُعَد فصل الشتاء أكثر الفصول تحدياً من حيث ظروف التشغيل لأي مصباح الشارع الشمسي LED تقلّل ساعات النهار الأقصر من إجمالي طاقة الشمس المتاحة. وتزيد زوايا انخفاض الشمس من طول المسار الذي يقطعه الضوء عبر الغلاف الجوي، ما يقلّل الإشعاع الساقط على سطح الألواح الشمسية. كما أن غطاء الثلج يعكس جزءًا من الضوء بعيدًا عن الألواح المركّبة أفقيًّا. والأهم من ذلك أن درجات الحرارة المنخفضة تُبطئ التفاعلات الكهروكيميائية داخل البطارية بالضبط في الوقت الذي تحتاج فيه المنظومة إلى كل واط-ساعة متاحٍ بأقصى قدر ممكن. ولحل عجز الشحن في فصل الشتاء، لا بد من معالجة كل عامل من هذه العوامل عبر اختيار المكوّنات المناسبة وضبط تركيب النظام — فلا يوجد حل واحد يعوّض عن جميعها في آنٍ واحد.
لماذا يفشل الشحن في فصل الشتاء
مشكلة هندسة موقع الشمس
عند خط عرض ٤٥° شمالًا خلال الانقلاب الشتوي، تبلغ شمس الظهر ارتفاعًا قصوى لا يتجاوز ٢١٫٥°. ويمر ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي بطول يعادل تقريبًا ثلاثة أضعاف طوله في فصل الصيف، بينما تنكمش فترة النهار إلى ٨–٩ ساعات. وقد ينخفض إجمالي الإشعاع الشمسي اليومي الساقط على اللوح إلى ٢٥–٣٠٪ من قيمه في فصل الصيف.
قد تجمع لوحة شمسية بقدرة ١٠٠ واط ٥٠٠ واط-ساعة في فصل الصيف، لكنها قد تجمع فقط ١٢٠–١٥٠ واط-ساعة في يوم شتوي صافٍ، و٥٠–٨٠ واط-ساعة في ظروف غائمة. أما مصباح ليد بقدرة ٦٠ واط يعمل ١٢ ساعة في الليلة، فيحتاج إلى ٧٢٠ واط-ساعة كل ليلة — ما يُحدث عجزًا يتزايد سوءًا مع كل يوم غائم.
كيمياء البطارية عند درجات الحرارة المنخفضة
تواجه بطاريات ليثيوم حديد فوسفات انخفاضًا كبيرًا في السعة عند درجات الحرارة المنخفضة — بنسبة ٧٠–٨٠٪ عند -١٠°م، وتنخفض إلى ٥٠–٦٠٪ عند -٢٠°م. وتزيد وحدة إدارة البطارية (BMS) من هذه المشكلة عبر منع الشحن عند درجات حرارة أقل من ٠°م لتفادي ترسب الليثيوم، مما يعني أن البطارية لا يمكن شحنها خلال أشد ساعات الصباح برودةً حين تظهر أشعة الشمس لأول مرة.
استبدلت بلدية في شمال الصين ٣٠٠ عمود إضاءة شارع تقليدي يعمل بالشبكة الكهربائية بأعمدة إضاءة شمسية تعمل بالطاقة الشمسية المزودة بمصابيح الـLED على الطرق الريفية، حيث كان تمديد الشبكة الكهربائية مكلفًا جدًّا. وكشف أول شتاء عن عطل أعمدة الإضاءة المُركَّبة على الأجزاء الشمالية من الطرق بحلول الساعة الثانية صباحًا — أي قبل التوقيت المطلوب لإطفائها عند الفجر بنحو ٤ ساعات. وأظهر التحليل أن الألواح الشمسية كانت مُصمَّمة وفق متوسط الإشعاع الشمسي السنوي، وليس وفق أقل مستوى له في فصل الشتاء، وأن بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) لم تكن مزوَّدة بحماية ضد الشحن في درجات الحرارة المنخفضة. وتعاون فريق المشروع مع شركة Haisiou Lighting لتعديل الوحدات المتضرِّرة عبر تركيب ألواح شمسية أكبر، وعناصر تسخين للبطاريات، ووحدات تحكُّم ذكية من نوع MPPT. وفي الشتاء التالي، حافظت ٩٦٪ من الوحدات على تشغيلها الكامل طوال الليل حتى في أبرد الشهور.
حلول عملية لأداء ممتاز في فصل الشتاء
اختر لوحة شمسية أكبر حجمًا لتلبية احتياجات أسوأ شهر
يجب أن تستخدم عملية تحديد حجم النظام بيانات الإشعاع الخاصة بشهر ديسمبر أو يناير، وليس المتوسطات السنوية. واجب ضرب القدرة الواتية للوحات الشمسية المُحسوبة لظروف المتوسط السنوي في العامل ١,٥–٢,٠ بالنسبة للتركيبات الواقعة شمال خط العرض ٤٠°. ويتم التحكم في التحميل الزائد في فصل الصيف عبر وحدة التحكم في الشحن.
تَنفيذ نظام إدارة حرارة البطارية
تحصل حزم البطاريات الموضوعة داخل هيكل وحدة الإضاءة على حرارة ناتجة عن مصابيح LED أثناء التشغيل الليلي — حيث تتحول نحو ١٥–٢٠٪ من الطاقة الكهربائية الداخلة إلى حرارة. وتؤدي هذه التسخين السلبي عادةً إلى الحفاظ على درجة حرارة البطارية أعلى بـ ٥–١٠°م من درجة الحرارة المحيطة.
وفي التركيبات الأشد برودة، يُوجَّه جزء من تيار الشحن إلى عنصر مقاوم لتوليد الحرارة بشكل نشط، بحيث لا تُوجَّه الطاقة إلى خلايا البطارية إلا بعد بلوغ الحزمة درجة الحرارة الآمنة. وتكاليف الطاقة المطلوبة لهذا الغرض ضئيلة نسبيًّا، وتتراوح بين ٥–١٠٪ من شحنة اليوم الكاملة.
زاوية اللوحة وإدارة الثلوج
يجب أن يكون ميل لوحة الطاقة الشمسية في فصل الشتاء مساويًا لعرض الموقع الجغرافي زائد ١٥ درجة في نصف الكرة الشمالي. ويساعد الميل الأكبر في انزلاق الثلج، بينما تقلل الطلاءات الكارهة للماء التصاق الجليد. كما يمكن لعناصر التسخين المدمجة أن تذيب الثلج نشطيًّا على التركيبات الحرجة.
تقدم شركة هايسيو للإضاءة مصابيح شارع شمسية تعمل بالطاقة LED ومصمَّمة لأداء ممتاز في المناخات الباردة، وتستخدم بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4)، ووحدات تحكُّم ذات تقنية تتبع أقصى نقطة طاقة (MPPT)، مع خيارات لتسخين البطارية ولوحات شمسية أحادية البلورة أكبر من الحجم القياسي.
الأسئلة الشائعة
لماذا لا تستمر مصابيحي الشمسية للطرق طوال ليالي الشتاء؟
السبب الأكثر شيوعًا هو أن اللوحة الشمسية صغيرة جدًّا بالنسبة لاحتياجات فصل الشتاء، إذ تم حساب حجمها استنادًا إلى ظروف الصيف أو متوسط الإشعاع السنوي بدلًا من أقل مستوى إشعاع شمسي متاح في الشتاء. أما الأسباب الأخرى فتشمل: تدهور سعة البطارية بسبب دورات التفريغ العميق المتكررة، وتلوث سطح اللوحة الشمسية مما يقلل تيار الشحن، وانخفاض حرارة البطارية دون عتبة قطع الشحن أثناء الساعات الأولى من الصباح.
كم يجب أن أزيد من حجم اللوحة الشمسية لفصل الشتاء؟
اضرب سعة اللوحة الشمسية المحسوبة للظروف المتوسطة السنوية في العامل ١,٥–٢,٠ بالنسبة للتركيبات الواقعة شمال خط عرض ٤٠°. ويعتمد العامل الدقيق على عدد ساعات الذروة اليومية لأشعة الشمس في شهر ديسمبر مقارنةً بالمتوسط السنوي للموقع. وتوفّر قواعد بيانات الإشعاع الشمسي المهنية بيانات محددة حسب الموقع لتحديد الأحجام بدقة.
هل يمكن شحن بطاريات ليثيوم حديد فوسفات في الطقس المتجمد؟
يجب ألا تُشحن بطاريات ليثيوم حديد فوسفات القياسية عندما تكون درجة حرارة الخلايا أقل من ٠°م. أما البطاريات المزودة بحماية مدمجة من درجات الحرارة المنخفضة فتمنع الشحن حتى ترتفع درجة حرارة الخلايا فوق العتبة المحددة. وبالمقابل، تستخدم البطاريات المزودة بوظيفة التسخين الذاتي جزءًا من تيار الشحن لتسخين الخلايا أولًا، ثم تبدأ الشحن الطبيعي — ما يجعلها مناسبة للتشغيل طوال العام في المناخات الباردة.
لماذا يقل شحن ضوء الطاقة الشمسية لديّ في الأيام الشتوية الغائمة؟
يقلل الغطاء السحابي الإشعاع الشمسي المباشر بنسبة ٧٠–٩٠٪. وعند دمجه مع قصر مدة النهار وزاوية الشمس المنخفضة في فصل الشتاء، قد تنخفض الطاقة اليومية الإجمالية المُجمَّعة إلى ١٠–٢٠٪ من إنتاج اللوحة القياسي. ويُساعد منظم شحن ذكي (MPPT) في استخلاص أقصى طاقة ممكنة من الضوء المنتشر المتاح، لكنه لا يستطيع تعويض حجم اللوحات غير الكافي جوهريًّا.
كيف أصيّن مصابيح الشوارع الشمسية في المناطق الثلجية؟
اضبط ميل اللوحة ليكون مساويًا لعرض الموقع الجغرافي زائد ١٥° في فصل الشتاء لتعظيم امتصاص الإشعاع وتسهيل انزياح الثلج عنها. ونظّف الألواح بعد كل حدث ثلجي باستخدام عصا طويلة مزوَّدة بفرشاة ناعمة — وتجنَّب استخدام مكاشط معدنية تُحدث خدوشًا على سطح اللوحة. واختر ألواحًا مغطَّاة بطبقة كارهة للماء، وفكِّر في تركيب عناصر تسخين مدمجة في المنشآت الحرجة التي يصعب الوصول إليها للصيانة.
ما الزاوية الموصى بها لتركيب الألواح الشمسية في فصل الشتاء؟
في نصف الكرة الشمالي، يجب أن يكون ميل لوحة الطاقة الشمسية في فصل الشتاء مساويًا لعرض الموقع الجغرافي زائد ١٠–١٥ درجة. وبذلك، عند خط عرض ٤٥ درجة شمالًا، يكون ميل اللوحة ٥٥–٦٠ درجة. وتوجيه اللوحة نحو الجنوب الحقيقي يُحقِّق أقصى جمع ممكن للطاقة خلال اليوم. كما تسمح الأقواس القابلة للتعديل بتغيير زاوية التركيب وفق الفصول — بزاوية حادة في الشتاء وأقل انحدارًا في الصيف — لتحسين الأداء على مدار السنة.