ما الارتفاع المثالي لتركيب مصباح شارع يعمل بالطاقة الشمسية؟

ارتفاع مصابيح الشارع الشمسية وكيف يؤثر على أداء الإضاءة

قانون التربيع العكسي

مثال على قانون التربيع العكسي هو حالة عمود إضاءة ارتفاعه ضعف ارتفاع العمود القياسي. وستنخفض الإضاءة عند مستوى سطح الأرض بنسبة تقارب 75%. فعلى سبيل المثال، فإن مصباح الشارع الشمسي الموضوع على ارتفاع 6 أمتار سيُنتج فقط ربع كمية الإضاءة عند مستوى سطح الأرض مقارنةً بمصباح موضوع على ارتفاع 3 أمتار. وعادةً ما يُعد هذا العامل الرئيسي عند تحديد الارتفاع المناسب لعمود الإضاءة، خاصةً فيما يتعلق بعرض الطريق. وبشكل عام، يتبع الناس منهجية النسبة 1 إلى 1. وعلى سبيل المثال، وفقاً للمعيار الهندي 3500، فإن طريقاً عرضه 7 أمتار سيتطلب عمود إضاءة ارتفاعه 7 أمتار أيضاً لتحقيق إضاءة متجانسة تزيد عن 20 لوكس. أما الوهج فهو مشكلة جادة عندما يكون ارتفاع تركيب المصباح منخفضاً، وهو كذلك مشكلة عند ضبط المصباح أفقياً في اتجاه الضوء. وتكون الأعمدة الأعلى فعاليةً أكبر في الحد من الوهج، كما أن المصابيح المصممة تصميماً جيداً توجّه نسبةً أكبر من الضوء إلى المكان الذي يحتاج إليه فعلاً. وسيتم استهلاك طاقة أكبر لإنتاج كمية أقل من الضوء المرئي، مقارنةً بإنتاج كمية أكبر من الضوء المرئي باستخدام استهلاك طاقة مرتفع.

الارتفاع مقابل القدرة الكهربائية: لماذا يهم الارتفاع في مصابيح الشوارع الشمسية

يؤدي زيادة الارتفاع إلى توزيع أفضل للضوء من المصابيح مقارنةً بزيادة القدرة الكهربائية. وفي حالتنا، أدت زيادة الطول من ٤ أمتار إلى ٨ أمتار إلى مضاعفة المساحة المُضاءة تقريبًا ثلاث مرات دون زيادة استهلاك الطاقة. وهذه مثالٌ بارزٌ على أهمية الموقع مقارنةً بالقدرة الكهربائية للمصباح. وقد أُثبت هذا عمليًّا أيضًا في ولاية غوجارات؛ حيث استهلكت أعمدة الإنارة الشمسية البالغ ارتفاعها ١٢ مترًا طاقة أقل بنسبة ٢٥٪ لتغطية مساحة أكبر بنسبة ~٤٠٪ مقارنةً بأعمدة الـ٨ أمتار. كما أن ارتفاع الألواح يعني وجود عوائق أقل تُحدث ظلالًا محيطةً، ما يساعد على جمع طاقة إضافية تبلغ نحو ١٨٪ طوال اليوم. ويعرف معظم المهندسين هذه الحقيقة، ولذلك يركّزون على الارتفاع بدلًا من سعة البطارية في الأنظمة التي تكلّف أكثر بنحو ١٢٠ دولارًا أمريكيًّا لكل وحدة. فالأمر كله يتعلّق بالارتفاع، حيث تحقّق الأنظمة أقصى كفاءة في توزيع الضوء، وجمع الطاقة الشمسية، ومقاومة حمولة الرياح، واستدامة النظام.

الارتفاع الأمثل السياقي لأعمدة مصابيح الشوارع الشمسية

يتحدد ارتفاع أعمدة الإنارة الشمسية وفقًا لمكان التقاء الحل التكنولوجي بالسياق المحيط. والآتي هو إرشادات مبنية على حالات الاستخدام.

المناطق السكنية/الحدائق (٣–٦ أمتار): بالنسبة للمسارات التي عرضها أقل من ٧ أمتار، فإن الأعمدة ذات الارتفاع ٣–٦ أمتار والمزودة بتثبيتات بقدرة ٣٠–٦٠ واط توفر إضاءة متوسطة تتراوح بين ١٥–٢٠ لوكس. ويؤدي ذلك إلى تقييد معقول لانسكاب الضوء مع إضاءة مناسبة لمنطقة المشاة.

الطرق الحضرية (٨–١٠ أمتار): بالنسبة للشوارع التي يتراوح عرضها بين ٨–١٢ مترًا وبمتطلب إضاءة قدره ٣٠ لوكس، يُوصى باستخدام مصابيح بقدرة ١٠٠ واط مع أعمدة ارتفاعها ٨–١٠ أمتار. كما أن تركيب الأعمدة على الجانب المقابل يحسّن كفاءة التغطية ويقلل من الحاجة إلى تباعد أكبر بين الأعمدة.

الطرق السريعة (١٠–١٤ مترًا): بالنسبة لحارات المرور التي يزيد عرضها عن ٢٠ مترًا والتي تتطلب رؤية عالية، فإن الأعمدة ذات الارتفاع ١٠–١٤ مترًا والمزودة بوحدات بقدرة ١٠٠–٢٠٠ واط مناسبة، ويمكن تركيبها على مسافات تتراوح بين ٤٠–٥٠ مترًا لتقليل الوهج وانسكاب الضوء.

أثبتت دراسة أجرتها شركة لوكسمان (2023) أنه في حالة الانحرافات في الارتفاع التي تقل عن ±١٫٥ متر، يكون إخراج الضوء أقل بنسبة ٤٠٪، وتُهدر الطاقة بنسبة ٣٥٪، مما يدل على أهمية اختيار الارتفاع بعناية لتحقيق أقصى أداء ضوئي وتقليل تكلفة دورة الحياة.

اختيار ارتفاع أعمدة الإنارة الشمسية
مراعاة عرض الطرق وارتفاع أعمدة الإنارة والمسافة بين الأعمدة

تحقيق مستويات الإضاءة المطلوبة على الطرق يمثل توازنًا مثاليًّا بين ثلاثة عناصر: عرض الطريق، وارتفاع الأعمدة، والمسافات بين الأعمدة. فعلى سبيل المثال، يحتاج ممر ضيّق بعرض يتراوح بين ٣ و٤ أمتار إلى أعمدة ارتفاعها يقارب نفس العرض (أي ما بين ٣ و٤ أمتار) ومتباعدةً عن بعضها بمسافة تتراوح بين ١٠ و١٥ مترًا لتفادي ظهور «البقع المظلمة» المكروهة بين مصادر الإضاءة. أما بالنسبة للطرق الأوسع — مثل تلك التي يتراوح عرضها بين ٨ و١٢ مترًا — فيتغيّر ارتفاع الأعمدة ومسافاتها بشكلٍ كبيرٍ. إذ يجب أن يتراوح ارتفاع الأعمدة بين ٨ و١٠ أمتار، وأن تكون المسافة بينها ما بين ٢٥ و٣٠ مترًا. وعادةً ما تحقق هذه الترتيبات إرشادات معهد الهندسة الكهربائية والإضاءة (IES) RP-8. وتضمن الحسابات الرياضية تلبية المتطلبات الإلزامية المتعلقة بالسطوع، مع الحد من الوهج وانسكاب الضوء إلى الممتلكات المجاورة.

توجد مقايضات بين كفاءة الألواح الشمسية، وتحميل الرياح، وارتفاع الألواح.

تزيد الأحمال الناتجة عن الرياح مع الارتفاع، ما يستلزم استخدام مواد عالية الجودة (مثل الفولاذ المجلفن) في بناء الأعمدة لتحمل سرعات رياح تصل إلى حوالي ١٥٠ كم/ساعة. أما الجانب الإيجابي فهو أن زيادة ارتفاع الأعمدة يحسّن وصول أشعة الشمس إلى الألواح الشمسية دون عوائق ناتجة عن الظلال التي تُلقيها المباني أو الأشجار المحيطة. وللمصممين والمهندسين، هناك دائمًا مفاضلة يجب أخذها في الاعتبار. وبناءً على التقارير الميدانية الواردة في عام ٢٠٢٣، فإن زيادة الارتفاع تؤدي إلى ارتفاع تكلفة المواد بنسبة تقارب ١٨٪، بينما تزداد إنتاجية الطاقة بنسبة تقارب ٩٪ يوميًّا. وعلى الرغم من أن وحدات التحكم ذات التعديل العرضي للنبض (PWM) تتعامل مع مشكلات الظل الجزئي، فإنها لا تزال غير قادرة على التعويض الكامل عن الآثار السلبية الناتجة عن ارتفاع الأعمدة بشكل مفرط. وكلما زاد طول الأسلاك، زادت خسائر الطاقة. كما تصبح عملية التركيب أكثر تعقيدًا، وقد يصبح زاوية التركيب مسطحة جدًّا بحيث لا تتيح استغلالًا جيدًا لإشعاع الشمس.

من وثائق المعايير إلى التحقق من البيانات الميدانية: المواصفة القياسية الهندية IS 3500

الامتثال لمتطلبات الإضاءة حسب توصيات معهد الإضاءة الهندية (IES RP-8) والمواصفة القياسية الهندية IS 3500 (باللوكس) لجميع فئات الطرق

عندما يتعلق الأمر بالامتثال لمعيار IES RP-8 ومعيار الهند IS 3500، فإن ارتفاع مصباح الشارع الشمسي يُعَدُّ أحد العوامل المؤثرة الكبرى في تحقيق هذه المعايير. ومن الأمثلة على ذلك:

- الطرق السكنية (العرض: ٥ أمتار): الأعمدة البالغ ارتفاعها ٦ أمتار توفر إضاءة تتراوح بين ١٠ و١٥ لوكس

- الطرق الجامعة (العرض: ٧–١٠ أمتار): يمكن للأعمدة البالغ ارتفاعها ٨ أمتار أن تحقِّق الحد الأدنى المطلوب من الإضاءة والبالغ ٢٠ لوكس وفقًا للمعيار IS 3500

- الطرق السريعة (العرض: ١٢ مترًا فأكثر): تضمن الأعمدة التي يبلغ ارتفاعها ١٠ أمتار أو أكثر توزيعًا متجانسًا للإضاءة لا يقل عن ٣٠ لوكس، وهو ما يُعدُّ ضروريًّا للسفر الآمن بسرعات عالية

إن الارتفاع المنخفض قد يؤدي إلى مناطق مظلمة غير مطابقة للمواصفات، بينما قد يتسبب الارتفاع الزائد في عدم تجانس التوزيع وإهدار الطاقة. وقد كشفت دراسة تدقيق حديثة أُجريت في ولاية غوجارات عام ٢٠٢٣ عن نسبة عدم امتثال بلغت ٢٢٪ على طرق القرى بسبب عدم تحقيق الحد الأدنى من الإضاءة المطلوب وفق المعيار IS 3500، والمحدَّد بـ١٠ لوكس، وذلك في حالة استخدام أعمدة يزيد ارتفاعها عن ٦ أمتار. ويؤكد هذا الأمر على أهمية تصميم أثاث الطرق والشوارع بشكلٍ كافٍ.

أدلة ميدانية: مقارنة بين أعمدة ارتفاعها ٨ أمتار وأعمدة ارتفاعها ١٢ مترًا على طريق ريفي عرضه ٧ أمتار في غوجارات، الهند

أُجريت تجربة استمرت ١٢ شهرًا لتقييم ارتفاعات الأعمدة على طريقٍ عرضه ٧ أمتار.

حتى لو كانت عمود الإضاءة البالغ ارتفاعه ٨ أمتار يُنتج بقعة إضاءة أكثر سطوعًا وإيجابية هنا وهناك، فإن الترتيب المكوَّن من عمودٍ بارتفاع ١٢ مترًا كان بالتأكيد الأفضل عند النظر إلى متوسط مستوى الإضاءة (لوكس) والتوزيع المتجانس للضوء على الطريق، حيث حقَّق درجةً قدرها ٠٫٦٨ مقارنةً بـ ٠٫٤١ للعمود الأقصر. وستنخفض بالتأكيد درجة الإجهاد التي يشعر بها السائق أثناء القيادة على طول الطريق، كما سيقل تسرُّب الضوء إلى الحقول المجاورة، مما يجعل هذا الترتيب يتماشى بشكل أفضل مع معايير السماء المظلمة الهندية. وبمراعاة كل ما سبق، تعلَّمنا أن التغطية الجيدة في سياق مصابيح الشوارع الشمسية تكتسب أهمية قصوى، وهي أفضل من تحقيق مستوى عالٍ من الإضاءة (لوكس). أما التجانس فهو أفضل معيار لقياس الجودة مقارنةً فقط بقيمة عالية من الإضاءة (لوكس).

الأسئلة الشائعة

ما هي قاعدة التربيع العكسي للمسافة فيما يتعلق بمصابيح الشوارع الشمسية؟

تنص قاعدة التربيع العكسي للمسافة على أنه عند مضاعفة ارتفاع عمود الإضاءة، تنخفض إضاءة سطح الأرض إلى ربع القيمة الأصلية لإضاءة سطح الأرض، وهذه القاعدة توجِّه تحديد ارتفاع أعمدة الإضاءة بالنسبة إلى المسافة بينها.

ما الذي يجعل ارتفاع القطب أكثر قيمةً من القدرة الكهربائية (الواط) عند الحديث عن مصابيح الشوارع الشمسية؟
عند الحديث عن مصابيح الشوارع الشمسية، يكون الارتفاع أكثر قيمةً من القدرة الكهربائية (الواط)، لأنّه يؤثر في مدى توزيع الضوء أكثر من مجرد زيادة القدرة. فعلى سبيل المثال، في ولاية غوجارات الهندية، أدّى تعديل ارتفاع الأعمدة إلى توسّع أكبر في نطاق توزيع الضوء، بل وأدى أيضًا إلى خفض استهلاك الكهرباء.

ما هي البيئات ومواصفات ارتفاع الأعمدة؟
تُعدّ الأعمدة التي يتراوح ارتفاعها بين ٣ و٦ أمتار مثاليةً للاستخدام في المناطق السكنية والحدائق، بينما يجب أن يتراوح ارتفاع الأعمدة في الطرق الحضرية بين ٨ و١٠ أمتار، أما على الطرق السريعة فيُوصى بأن يكون ارتفاع الأعمدة بين ١٠ و١٤ مترًا لتحقيق إضاءة كافية مع الحفاظ على كفاءة استهلاك الطاقة.

ما هي السلبيات الناجمة عن زيادة ارتفاع القطب؟
تشمل السلبيات الناجمة عن زيادة ارتفاع القطب ارتفاع تكاليف المواد، وزيادة التعرّض لتأثير الرياح، واحتمال حدوث مشكلات تتعلّق بكفاءة استهلاك الطاقة وتوزيع الضوء إذا لم يتم التصميم بشكلٍ سليم.