أي مصباح شارع شمسي مناسب لإضاءة الطرق في المناطق الجبلية؟

اختيار مصابيح الشوارع الشمسية للطرق الجبلية: إضاءة موثوقة للأماكن النائية والوعرة

تركيب أنظمة الإضاءة المدعومة بالشبكة الكهربائية على طول الطرق الجبلية يُعدُّ مكلفًا للغاية — إذ تتضمَّن أعمال الحفر عبر الصخور، وتمديد الخطوط الهوائية عبر الأودية، وصيانة المحولات في المواقع التي يصعب الوصول إليها، مما يجعل التكاليف تتجاوز ما يمكن لميزانيات البلديات والمشاريع الريفية لتوفير الكهرباء أن تتحمَّله. مصباح شارع شمسي يُلغي الاعتماد على الشبكة الكهربائية تمامًا، لكن البيئات الجبلية تُقدِّم تحدياتٍ لا تواجهها التثبيتات في المناطق المسطحة أبدًا: زوايا سقوط الأشعة الشمسية الحادة، وتقلبات درجات الحرارة السريعة، وحمولة الثلوج، وصعوبة الوصول للصيانة. ويُحدِّد اختيار التكوين المناسب للنظام في هذه الظروف ما إذا كانت المصابيح ستعمل بشكلٍ موثوقٍ أم ستتحول إلى أصولٍ معطلة بعد شتَوَيْن فقط.

متطلبات التصميم الخاصة بالمنطقة التضاريسية

اتجاه الألواح الشمسية وميلها

نادرًا ما تمتد طرق الجبال من الشرق إلى الغرب على طول القمم حيث تتلقى الألواح أقصى تعرضٍ ممكنٍ للإشعاع الشمسي. وقد تتلقى المنعطفات المواجهة للشمال فقط من ساعتين إلى ثلاث ساعات من الإشعاع المفيد في فصل الشتاء. ولذلك يجب تعديل ميل الألواح عن الصيغة القياسية لتعويض اتجاه المنحدر.

في المنحدرات المواجهة للشمال في نصف الكرة الشمالي، قد تحتاج الألواح إلى أذرعٍ ممتدةٍ فوق قطع الطريق لالتقاط الإشعاع القادم من الجنوب، أو إلى ميلٍ أكثر حِدَّةٍ لالتقاط الإشعاع المنعكس عن الثلوج. وكل نقطة تثبيت تتطلب تقييمًا فرديًّا.

نفّذ مشروع لتوصيل الكهرباء إلى المناطق الريفية في جبال الهيمالايا النيبالية ١٨٠ مصباحاً شمسياً للطرق على امتداد طريق جبلي بطول ١٢ كيلومتراً يربط بين ثلاث قرى. واعتمد التصميم الأولي زاوية مائلة موحدة تبلغ ٣٠° للوحات الشمسية، لكن المصابيح المُركَّبة على المقاطع المواجهة للشمال فشلت في الحفاظ على شحنتها خلال شهري ديسمبر ويناير. وتعاون فريق المشروع مع شركة «هايشيو لighting» لتعديل حوامل التثبيت الخاصة بـ٤٠ وحدة متأثرة، بحيث زادت الزاوية المائلة إلى ٥٠°، وأعاد توزيع الألواح الشمسية على أذرع ممتدة في الحالات التي حجب فيها اتجاه المنحدر أشعة الشمس المباشرة. وأدى هذا التعديل إلى استعادة التشغيل الكامل طوال الليل في جميع وحدات التركيب.

الحرارة القصوى وأداء البطاريات

تتعرض البيئات الجبلية لتقلبات في درجات الحرارة تُجهد كيمياء البطاريات. وتتفوق بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) على بطاريات الرصاص الحمضية من حيث عمر الدورة، لكنها تعاني من انخفاض في قدرة الشحن عند درجات حرارة أقل من ٠°م. ويؤدي شحن بطارية الليثيوم عندما تكون درجة حرارة الخلايا أقل من نقطة التجمد إلى ترسب الليثيوم على الأنود — ما يسبب فقدانًا دائمًا في السعة يتراكم مع كل دورة شحن تتم في الأجواء الباردة.

والحل هو نظام إدارة البطارية المزود بوظيفة إيقاف الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة وخاصية التسخين الذاتي المدمجة. وعندما يكتشف نظام إدارة البطارية أن درجة حرارة الخلايا أقل من ٠°م، فإنه يحوّل تيار الشحن إلى عنصر تسخين حتى تصل درجة حرارة المجموعة إلى ٥°م. وهذا يستهلك نحو ٥–١٠٪ من طاقة الشحن اليومية — وهي نسبة مبررة لمنع فقدان السعة بشكل دائم.

الأحمال الإنشائية الناتجة عن الثلوج والجليد

يجب أن تحدد تركيبات المناطق الجبلية أعمدةً مصممة لتحمل سرعة رياح تصل إلى ١٢٠ كم/ساعة، وحمل ثلوج وفقًا لكود البناء المحلي. كما يجب أن يكون هيكل لوحة الألواح الشمسية قادرًا على تحمل الحمل الثابت الإضافي، بينما تساعد الطلاءات الكارهة للماء في جعل الثلج والجليد ينزلقان بسهولة عن السطح.

ارتفاع القطب وتوزيع الإضاءة

تُشكِّل الطرق الجبلية ذات المنحدرات المتغيرة هندسة إضاءة غير عادية. فقد يؤدي وضع قطب في الحافة الخارجية للمنحنى إلى ترك الحارة الداخلية في الظل إذا لم تكن ارتفاعات التركيب وزوايا الشعاع متناسقة. وتساعد الزوايا الأوسع للشعاع — ١٤٠° أو أكثر — جنبًا إلى جنب مع ارتفاعات التركيب المُناسبة لعرض الطريق، في ضمان إضاءة متجانسة عبر كلا الحارتين. وتكفي الأعمدة القياسية بطول ٦–٨ أمتار للطرق الجبلية ثنائية الحارات التي لا يتجاوز عرضها ٧ أمتار؛ أما الأجزاء الأوسع فتتطلب أعمدة بطول ٩ أمتار أو وحدات إضاءة إضافية.

لتطبيقات الطرق الجبلية، يُوصى بتحديد ألواح شمسية أحادية البلورة مع زوايا ميل يتم تقييمها بشكل فردي، وبatteries ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) المزودة بحماية من الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة، وبوحدات تحكم MPPT، وأعمدة مصنَّفة لتحمل أحمال الثلج والجليد. وتوفِّر شركة Haisiou Lighting أعمدة إنارة شمسية تضم هذه المواصفات، سواءً في تصاميم مدمجة بالكامل أو في تصاميم منفصلة، وهي مناسبة تمامًا للمناطق النائية والوعرة.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن لأعمدة الإنارة الشمسية أن تعمل على الطرق الجبلية المظللة؟

يؤدي التظليل الجزئي إلى خفض كبير في الإنتاج. ويجب تقييم كل نقطة تركيب على حدة من حيث عدد ساعات سطوع أشعة الشمس المباشرة. وفي المناطق ذات التظليل الكثيف، يُنصح بتركيب الألواح الشمسية على أذرع ممتدة فوق قطع الطريق، أو نقل الألواح إلى أقرب منطقة مشمسة مع تمديد كابلات توصيلها إلى عمود الإنارة، أو استخدام أنظمة الإنارة المنفصلة التي يُفصَل فيها اللوح الشمسي عن وحدة الإضاءة جسديًّا.

كيف يؤثر الارتفاع عن سطح البحر على أداء الألواح الشمسية؟

تتلقى المناطق المرتفعة إشعاعًا شمسيًّا أكبر بسبب نحافة الغلاف الجوي — أي ما يقارب ٥–٨٪ أكثر لكل ١٠٠٠ متر ارتفاع. ومع ذلك، فإن انخفاض درجة حرارة الهواء المحيط في المناطق المرتفعة يؤدي أيضًا إلى ارتفاع جهد الألواح، مما قد يدفع جهد المصفوفة إلى ما يفوق الحد الأقصى لمدخل وحدة التحكم في الشحن في الظروف الباردة والمشمسة. لذا يجب التأكد من أن نطاق الجهد المسموح به لوحدة التحكم في الشحن يراعي ارتفاع الجهد الناتج عن انخفاض درجة الحرارة.

ما نوع البطارية الأنسب للاستخدام في البيئات الجبلية الباردة؟

بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) المزودة بحماية مدمجة من الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة ووظيفة التسخين الذاتي. ولا ينبغي شحن البطاريات الليثيوم القياسية عند درجات حرارة أقل من ٠°مئوية. وتتحمل بطاريات الرصاص-حمض الشحن في الأجواء الباردة بشكل أفضل، لكنها تتميز بعمر دورة أقصر وكثافة طاقة أقل، ما يستلزم استخدام علب بطاريات أكبر وأثقل، مما يعقّد عمليات التركيب في المناطق الجبلية.

كيف يجب تثبيت الألواح الشمسية بزاوية على الطرق الجبلية؟

يجب أن تساوي زاوية ميل الألواح مقدار عرض الموقع الجغرافي زائد ١٠–١٥ درجة لتحسين الأداء في فصل الشتاء في البيئات الجبلية، حيث يُشكّل ضوء النهار في الشتاء العامل المحدِّد. ويجب توجيه الاتجاه السطحي (السمت) نحو الجنوب الحقيقي في نصف الكرة الشمالي، مع تعديله وفقاً لاتجاه المنحدر المحدد. ويتطلب كل موقع تركيب تقييماً فردياً. وتستخدم مصابيح الشوارع الشمسية من شركة هايسيو للإضاءة حوامل تركيب قابلة للتعديل لتتناسب مع زوايا التضاريس المختلفة.

هل تتطلب مصابيح الشوارع الشمسية الجبلية إزالة الثلوج؟

في المناطق التي تشهد تساقطًا كثيفًا للثلوج، تسمح الألواح المُركَّبة بزوايا أكثر انحدارًا (50° أو أكثر) بانزلاق معظم الثلوج عنها بشكل طبيعي. وتُسرِّع الطلاءات الكارهة للماء المطبَّقة على الألواح من عملية انزلاق الثلوج. أما بالنسبة للتركيبات الحرجة، فيجب تحديد ألواحٍ مزوَّدة بخاصية التسخين الذاتي التي تُفعَّل تلقائيًّا بواسطة نظام إدارة البطارية (BMS) عند اكتشاف تراكم الثلوج عبر انخفاض تيار الشحن أثناء ساعات النهار.

ما الارتفاع المناسب لعمود الإنارة على الطرق الجبلية؟

تتناسب أعمدة الإنارة القياسية ذات الارتفاع ٦–٨ أمتار مع الطرق ثنائية المسار التي لا يتجاوز عرضها ٧ أمتار. أما الطرق الأوسع أو المنعطفات الحادة أو الأجزاء التي يتطلب فيها تركيب العمود على مسافة خلف حافة الطريق، فتتطلب أعمدة ارتفاعها ٩ أمتار وتوزِّع الضوء على مدى أوسع. ويجب أن يكون ارتفاع العمود مساويًا على الأقل لعرض الطريق لضمان توزيع متجانس للإضاءة على كلا المسارين.