ما العوامل التي تؤثر في مدة إضاءة مصابيح الشارع الشمسية؟

مدخلات اللوح الشمسي: الكفاءة، والموقع، والتعرض

تأثير كفاءة اللوح الشمسي، وتصنيف القدرة بالواط، والميل/الاتجاه على كمية الطاقة اليومية المُلتَقَطة

وبينما تلتقط الألواح الشمسية ذات القدرة الأعلى بالواط كميةً أكبر من ضوء الشمس، فإن احتمال تحقيقها لإمكاناتها الكاملة يكون أعلى اعتمادًا على طريقة تركيبها. ففي حالة التثبيت الدائم للألواح الشمسية في غالبية مناطق أمريكا الشمالية، فإن توجيهها نحو الجنوب الفعلي (وليس الجنوب المذكور في البوصلة) وضبط زاوية دورانها وفقًا لموقع التركيب يمكن أن يحسّن بشكل كبيرٍ كمية الطاقة المُنتَجة سنويًّا. كما أن تعديل زاوية الألواح وفقًا للفصول مبرَّرٌ أيضًا: فخلال أشهر الشتاء، حيث يكون ارتفاع الشمس منخفضًا، يمكن جمع كمية أكبر من ضوء الشمس بزيادة زاوية ميل الألواح؛ أما في أشهر الصيف، فإن خفض زاوية الميل يحسّن من كفاءة التقاط الضوء. وفي ظل هذه الظروف، تُعَدُّ أفضل الألواح هي تلك المصنوعة من السيليكون أحادي البلورة (وكفاءتها تتراوح بين ٢٢٪ و٢٤٪). ويمكن لهذه الألواح تغذية مصابيح الطرق كهربائيًّا، ما يؤدي إلى تقليل مدة إضاءتها.

أثر التلوث والظلال ومسار الشمس الموسمي على الشحن الموثوق

تؤثر الظروف البيئية تأثيرًا سلبيًّا قابلاً للقياس على أداء أنظمة الألواح الشمسية، حيث تحدث هذه التدهورات وفق أنماط محددة وتتراكم مع مرور الوقت. وحتى التظليل الجزئي للألواح الشمسية بواسطة الأشجار أو المباني يمكن أن يؤدي إلى خسائر في الطاقة تتجاوز ٥٠٪ بسبب الاتصال الكهربائي بين الخلايا الشمسية داخل الألواح. علاوةً على ذلك، تتلوث الألواح الشمسية بسرعة، ومع تلوثها تنخفض كفاءتها بنسبة ١٥–٢٥٪ كل ثلاثة أشهر (أو ربع سنويًّا) طوال مدة ثلاثة أشهر. وللتخفيف من هذه المشكلة، يمكن تطبيق طبقات واقية خاصة مقاومة للأوساخ. كما يُضاف بعدٌ آخر من التعقيد عند أخذ مسار الشمس الموسمي خلال العام في الاعتبار. فمقارنةً بالصيف، تكون أيام الشتاء أقل إشراقًا، ما يعني أن كمية الطاقة الشمسية المتاحة للاستغلال تكون أقل خلال أشهر الشتاء. وفي هذه الحالة، ينخفض أداء الألواح الشمسية بنسبة ٤٠٪، وبالتالي يتم جمع طاقة شمسية أقل؛ أما في الصيف، فتكون كمية الطاقة الشمسية أكبر، وأيامه أطول (أي أن ارتفاع الشمس في السماء يكون أعلى). وبالإضافة إلى ذلك، ولضمان الأداء الأمثل للألواح الشمسية وتعزيز هذا الأداء وضمان موثوقيته حتى أدنى مستوى مطلوب من الأداء، فإنه من الضروري أيضًا ضمان تنفيذ أداء فعّال وموثوق للألواح الشمسية. وتضمن أنظمة الألواح الشمسية أن تظل المصابيح التي تعمل بالطاقة الشمسية مشتعلة طوال الليل.

نظام البطارية: السعة، والتركيب الكيميائي، والتدهور مع مرور الوقت

البطاريات الليثيوم مقابل بطاريات الرصاص-حمض: السعة القابلة للاستخدام، وعمق التفريغ، ومقايضات مدة التشغيل الليلية

يمكن أن توفر بطاريات الليثيوم سعة قابلة للاستخدام تصل إلى ٨٠–٩٠٪ من سعتها الإجمالية، بينما لا يمكن لبطاريات الرصاص-حمض أن توفر سوى سعة قابلة للاستخدام تبلغ ٥٠٪. وهذا يعني أن بطاريات الرصاص-حمض لا يمكن تفريغها إلا إلى هذا العمق، في حين يمكن تفريغ بطاريات الليثيوم بشكل أكبر بكثير. ومن الناحية العملية، فإن ذلك يعني أطوال عمر أطول ومدد تشغيل أطول. فعلى سبيل المثال، خذ بطارية ليثيوم سعتها ١٠٠ أمبير-ساعة.

عادةً، يمكنها تشغيل مصابيح LED لأكثر من ١٠ ساعات. أما بطارية الرصاص الحمضية ذات الحجم نفسه فلا يمكنها تشغيل مصابيح LED سوى لمدة ٦ إلى ٧ ساعات قبل الحاجة إلى إعادة الشحن. وتتميَّز بطاريات الليثيوم بإمكانية استخدامها لعدد أكبر من المرات لأنها تتحمّل التفريغ العميق أكثر، بينما تتطلّب بطاريات الرصاص الحمضية معاملةً أكثر حذرًا لمنع تسارع عملية التصلُّب (الكبريتة). وهذا ما يجعل عمر بطاريات الرصاص الحمضية الافتراضي أقصر، وعلى الرغم من أن بطاريات الليثيوم قد تكون أعلى سعرًا في البداية، فإنها تستحق الاستثمار نظرًا لإنتاجها للطاقة وطول عمرها الافتراضي. وينطبق هذا بشكل خاص على مصابيح الشوارع العاملة بالطاقة الشمسية، إذ يتعيَّن أن تكون قادرةً على التشغيل كل ليلة.

إن تدهور أنظمة البطاريات في مصابيح الشوارع الشمسية يتأثر تأثراً بالغاً بدرجة الحرارة. وقد أظهرت الاختبارات الميدانية أن سعة البطارية قد تنخفض بنسبة تصل إلى ٣٠٪ بسبب ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط. وبافتراض تساوي جميع العوامل الأخرى، فإن بطاريات الرصاص الحمضية تميل إلى التدهور بمعدل يقارب ضعف معدل تدهور بطاريات الليثيوم. فعلى سبيل المثال، وبعد حوالي ٥٠٠ دورة شحن وتفريغ كاملة، تكون بطاريات الرصاص الحمضية، في المتوسط، قد انخفضت سعتها إلى نحو ٦٠٪ من سعتها الأصلية، بينما تبقى بطاريات الليثيوم عند مستوى يتراوح بين ٨٠٪ و٨٥٪. ما المقصود بهذا؟ هذا يعني أن مدة تشغيل المصابيح ستكون أقصر. وفي فصل الشتاء، تكون أنظمة البطاريات القديمة قادرة على توفير وقت تشغيل أقل بنسبة ٢٠٪ إلى ٤٠٪، وهي بالضبط الفترة التي يكون فيها الحاجة إلى أوقات تشغيل أطول في غاية الأهمية. وعند التشغيل في درجات حرارة مستمرة خارج النطاق من ١٥ إلى ٣٥ درجة مئوية، يتسارع عملية الشيخوخة. ولذلك فإن اختيار بطاريات مُصمَّمة خصيصاً للمناخ المحلي أمرٌ في غاية الأهمية. وبعض بطاريات الليثيوم الفريدة مُصمَّمة لتعمل بكفاءة أفضل في المناخات الباردة، وهي تستحق الاستثمار في المناطق التي تشهد ظروفاً شتوية قاسية.

تساعد وحدات التحكم الذكية أيضًا في الحفاظ على صحة البطاريات واستمرار عمل المصابيح لفترات طويلة، وذلك من خلال استخدام خوارزميات مدمجة تحلّل معلوماتٍ عن شحنة البطارية الحالية والشحنة المتاحة المُقدرة خلال الأيام القليلة القادمة استنادًا إلى الظروف الجوية المتوقعة ودرجة الحرارة وكمية أشعة الشمس السابقة. وتمنع ميزة تعويض درجة الحرارة الشحن الزائد أو الناقص للبطارية. أما التعتيم التكيفي فيقلّل سطوع الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) بنسبة 50٪ ويوفّر مستوى الأمان المطلوب. وتزيد وحدات التحكم من العمر الافتراضي المتوقع لبطاريات الليثيوم بنسبة 25٪ عن طريق تحديد نسبة الشحن عند 80٪ من السعة القصوى عندما تتجاوز درجة الحرارة 35°م، وكذلك بتمديد دورة الشحن. وتوفر مجموعة أجهزة استشعار الحركة والتعتيم إضاءةً مستهدفةً مدتها ٨–١٢ ساعة طوال فصول السنة، وتقلّل استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين ٣٠٪ و٥٠٪.

يمكن لأجهزة استشعار الحركة والتعتيم القائم على الوقت والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) المتقدمة أن تقلّل الطلب على الطاقة لمصابيح الشوارع الشمسية.

في أنظمة الإضاءة، يؤدي إدخال أجهزة استشعار الحركة إلى خفض استهلاك الطاقة بنسبة ٤٠٪، لأن النظام يعمل بقدرة كاملة وشدة إضاءة قصوى فقط عندما يدخل شخص ما نطاق حساسية جهاز استشعار الحركة. ومن ميزات توفير الطاقة الممتازة الأخرى التعتيم القائم على الوقت، حيث يقوم النظام تلقائيًا بتخفيض شدة إضاءة المصابيح في أوقات محددة من اليوم. فعلى سبيل المثال، يمكن تخفيض إضاءة المصابيح عند الساعة ١٢:٠٠ صباحًا إلى ٣٠٪، ثم تزداد تلقائيًّا إلى ٧٠٪ بحلول الساعة ٦:٠٠ صباحًا لضمان كفاية الإضاءة ليُرى المارة والمستخدمون الآخرون في ساعات الصباح الباكر. علاوةً على ذلك، فإن مصابيح LED الجديدة المصنَّعة حديثًا قادرة على إنتاج ما بين ١٨٠ و٢٠٠ لومن لكل واط. وهذا يعني أن مصابيح LED تتمتَّع بكفاءة طاقية أعلى وتستهلك نحو ٥٠٪ من الطاقة التي تستهلكها تقنيات الإضاءة التقليدية مثل مصابيح التفريغ العالي الكثافة (HID) والمصابيح الفلورية. كما تحافظ التجهيزات المصمَّمة لإزالة الحرارة عند ارتفاع درجة الحرارة إلى ٤٥°م على كفاءة ممتازة. وبدمج جميع العوامل المذكورة أعلاه، تُظهر تقنيات الإضاءة الذكية والمصابيح الشمسية للطرق أنها قادرة على العمل بشكلٍ موثوقٍ لمدة خمسة أيام متتالية غائمة، مما يوفِّر للمجتمعات أولى الأنظمة الخالية تمامًا من الحاجة إلى الطاقة الخارجية.

كيف تؤثر الجغرافيا والمناخ على موثوقية النظام

يعتمد تشغيل مصابيح الشوارع الشمسية بشكل كبير على الموقع الجغرافي. ففي حالة بطاريات الليثيوم، تُفقد جزءٌ من الطاقة مؤقتًا عند انخفاض درجة الحرارة دون نقطة التجمد. أما في المناخات الحارة، فإن فقدان الطاقة من الألواح الشمسية وانحدار كفاءتها يحدثان بوتيرة أسرع. وفي البيئات الساحلية التي تحتوي على هواء مالح، يمكن أن يتسبب الهواء المالح في تآكل المكونات الكهربائية مثل صناديق التوصيل ووحدات التحكم. وتقل مدة عمر هذه الأنظمة إذا لم تُجرَ عليها عمليات صيانة إضافية. وفي المناطق الجبلية والمناطق الواقعة في أقصى الشمال، تؤدي أشهر الشتاء إلى فترات أطول من الظلام وتراكم أكبر للثلوج، ما يحجب أشعة الشمس ويحبس الحرارة لذوبان الجليد والثلج. وقد أجرى قسم الطاقة في الولايات المتحدة بحوثًا سلَّطت الضوء على ضرورة التخطيط الذكي فيما يتعلق بالظواهر الجوية التي تشهدها المجتمعات، بدءًا من العواصف الاستوائية ومرورًا بالعواصف الرملية وانتهاءً بدورة التجمد والذوبان في فصل الشتاء. ويتضمن التخطيط الذكي عدة خطوات رئيسية من بينها...

تحديد بطاريات الليثيوم المُصنَّفة للعمل في درجات الحرارة المنخفضة (-20°م) للاستخدام في المناطق القطبية.

تحديد سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم ذات الجودة البحرية والتي تتمتع بمقاومة أعلى للتآكل للاستخدام في المناطق الساحلية أو ذات المناخ الرطب.

تحديد المواقع التي يمكن فيها رفع تصنيفات الأحمال الرياحية الإنشائية للمناطق المعرَّضة للإعاصير أو tornados (الدوامات الهوائية العنيفة).

تحديد المواقع التي يمكن فيها استخدام زوايا ميل الألواح البالغة ٤٥ درجة أو أكثر، والأسطح الملساء غير اللاصقة، لتسهيل انزلاق الثلوج.

هندسة أعمدة الإنارة الشمسية وفقًا لمناطق المناخ ستقلل من انخفاض وقت التشغيل بنسبة ٤٠٪ خلال فصلي الشتاء والصيف الذرويين، استنادًا إلى بيانات أداء الميكروشبكة من مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL).

الأسئلة والأجوبة

ما الفوائد المترتبة على استخدام الألواح السيليكونية أحادية البلورة؟

تبلغ كفاءة الألواح السيليكونية أحادية البلورة ٢٢–٢٤٪، أي أنها تحوِّل ضوء الشمس المستقطب إلى كهرباء بكفاءة عالية؛ وبالتالي فإنها تفيد أعمدة الإنارة الشمسية من خلال إطالة عمرها الافتراضي.

كيف تؤثر العوامل البيئية في أداء الألواح الشمسية؟

العوامل البيئية، بما في ذلك التراب والتظليل، فضلاً عن مسارات الشمس الموسمية، قد تقلل بشكلٍ كبير من الكفاءة الإجمالية للوح الضوئي. ويمكن أن تؤدي الأجزاء المظللة من اللوح إلى خفض الإنتاج بنسبة تزيد على ٥٠٪، بينما قد تؤدي الألواح غير النظيفة إلى خفض الكفاءة بنسبة تتراوح بين ١٥ و٢٥٪.

لماذا تُفضَّل بطاريات الليثيوم على بطاريات الرصاص الحمضية في أعمدة الإنارة الشمسية؟

تتميَّز بطاريات الرصاص الحمضية بأعمار افتراضية أقصر وقدرات تفريغ أقل. وبالتالي، فإن بطاريات الليثيوم توفر وقت تشغيل أطول عند جهد أكثر ثباتاً، رغم كونها أغلى سعراً.

ما وظيفة وحدات التحكم الذكية في أعمدة الإنارة الشمسية؟

تمتد وحدات التحكم الذكية عمر البطارية وتوفِّر الطاقة من خلال رصد صحة البطارية واستخدام التعتيم التكيفي لتحسين الإضاءة.

كيف تؤثر الظروف المناخية في موثوقية أعمدة الإنارة الشمسية؟

يمكن أن تتأثر الموثوقية بدرجات الحرارة القصوى والتحديات التي تفرضها السواحل والجغرافيا. تتأثر الموثوقية بدرجات الحرارة القصوى. تتأثر الموثوقية بدرجات الحرارة القصوى.