لماذا تختار مصباحًا شمسيًّا يعمل ببطارية ليثيوم بدلًا من بطارية الرصاص-حمض؟

سعة استخدام أكبر: كيف يُحسّن التفريغ العميق من وقت التشغيل للمصابيح الشمسية

عمق تفريغ الليثيوم (٨٠–٩٥٪) مقابل الحد الأقصى لعمق تفريغ الرصاص-حمض (٥٠٪)

توفر بطاريات الليثيوم، وبخاصة الأنواع المبنية على ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄)، نسبة تفريغ قابلة للاستخدام تتراوح بين ٨٠٪ و٩٥٪ (عمق التفريغ DoD)، مقارنةً بالحد الأقصى الصارم للتفريغ البالغ ٥٠٪ في بطاريات الرصاص الحمضية. وهذا يعني أن بطارية ليثيوم سعة ١٠٠ أمبير-ساعة ستوفّر عمليًّا طاقةً تتراوح بين ٨٠ و٩٥ أمبير-ساعة، بينما توفّر وحدة رصاص حمضية مكافئة ٥٠ أمبير-ساعة فقط بسبب خطر التلف. ويُعزى هذا الخطر إلى التركيب الكيميائي لبطاريات الرصاص الحمضية وعملية التكبريت (Sulfation). وبغض النظر عن شرح تفصيلي لظاهرة التكبريت، فإن السعة القابلة للاستخدام في بطاريات الرصاص الحمضية تكون محدودة بشدة. أما في بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄)، فتتم تجنّب ظاهرة التكبريت بفضل تركيبها الكيميائي، ما يسمح بتفريغ الطبقات المخزَّنة من الطاقة وإعادة شحنها مرارًا وتكرارًا. وهكذا، تصبح السعة القابلة للاستخدام في بطاريات الليثيوم ضعف السعة القابلة للاستخدام في بطاريات الرصاص الحمضية عند عملية التفريغ. ويتجلى ذلك جليًّا في استقرار الجهد: فالتركيب الكيميائي والهيكلي لبطاريات الليثيوم يحافظان على مستوى الجهد ثابتًا، ما يضمن استمرار إضاءة مصابيح الطاقة الشمسية بكامل شدتها طوال فترة التفريغ الكامل.

أثر تركيبات مصابيح الطاقة الشمسية المستقلة (خارج الشبكة) في مدة الإضاءة الليلية.

توفر هذه الميزة المتعلقة بنسبة التفريغ العميقة (DoD) في بطاريات الليثيوم للإضاءة الشمسية وقت استخدام أطول بنسبة 30–60% من حيث الأرقام. فعلى سبيل المثال، إذا كانت مصباحٌ بقدرة 20 واط يُشغَّل بواسطة بطارية سعة 120 واط-ساعة لمدة 5.7 ساعة باستخدام بطارية ليثيوم (بنسبة تفريغ عميقة تبلغ 95% = 114 واط-ساعة)، فإنها لا تعمل سوى لمدة 3 ساعات فقط عند استخدام بطارية رصاص-حمض (بنسبة تفريغ عميقة تبلغ 50% = 60 واط-ساعة). أما بالنسبة للمجتمعات التي تفتقر إلى شبكة الكهرباء وتستخدم المصابيح الشمسية بديلاً عن مصابيح الكيروسين، فإن القدرة على توفير إضاءة مستمرة من الغسق حتى الفجر تُعَدُّ فائدة كبرى لسلامة المجتمع ككل. كما أن هذا يخفف من الأعباء الملقاة على التعليم والإنتاجية داخل الأسرة. وخلال فصل الشتاء، يعني وقت التفريغ الأطول لبطاريات الليثيوم أنه يمكن استخدام المصابيح الشمسية للحفاظ على وقت نشط للاستخدام خلال النهار حتى في غياب أشعة الشمس وفي الأجواء الغائمة. وهذا يعني عدم وجود ساعات مظلمة تتسبب في انقطاع وقت الاستخدام. وبالتالي، يمكن تخفيض حجم النظام بنسبة تصل إلى 40% مع الحفاظ على نفس مستوى الأداء.

مقارنةً بالمصابيح الشمسية التقليدية، تتمتع المصابيح الشمسية التي تستخدم بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO₄) بمدة عمر افتراضية أطول، وتكاليف استبدال أقل احتمالاً، وبالتالي تكاليف إجمالية أقل للملكية.

تتمتع بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄) بعمر دورة متوقع أفضل مقارنةً بالبطاريات التقليدية الرصاصية الحمضية. فعمر الدورة المتوقع لبطاريات ليثيوم حديد الفوسفات يتراوح بين ٢٠٠٠ و٥٠٠٠ دورة، بينما يتراوح العمر المتوقع لدورات البطاريات الرصاصية الحمضية عادةً بين ٣٠٠ و٥٠٠ دورة. وتنطوي البطاريات الرصاصية الحمضية على احتمالٍ أعلى بكثير للتفكك الكيميائي مقارنةً ببطاريات ليثيوم حديد الفوسفات، وذلك نظراً لمقاومة الليثيوم الطبيعية للتدهور الكيميائي مقارنةً بالرصاص. وفي الاختبارات الميدانية، تتمكن بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات من الاحتفاظ بأكثر من ٨٠٪ من سعتها الأصلية بعد ٢٠٠٠ دورة، في حين تنفد سعة البطاريات الرصاصية الحمضية تماماً بعد ٤٠٠ دورة فقط، وغالباً ما تنخفض إلى أقل من ٥٠٪. ويترتب على هذا التحسّن في العمر التشغيلي المتوقع أن تدوم مصابيح الطاقة الشمسية التي تستخدم بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات من ٥ إلى ١٠ سنوات، بينما لا تتجاوز مدة خدمتها عند استخدام البطاريات الرصاصية الحمضية سنةً إلى سنتين. ويؤدي هذا التحسّن في العمر التشغيلي المتوقع إلى انخفاض متناسب في تكرار الاستبدال، وهو أمرٌ بالغ القيمة في المناطق التي يُعد فيها استبدال البطاريات أمراً معقّداً لوجستياً ومكلفاً من حيث العمالة.

تؤدي هذه العوامل إلى خفض التكاليف الإجمالية على مدار العمر بنسبة ٣٠–٥٠٪. وبما أن القيمة قد تحسّنت، فلا عجب في أن مصابيح الطاقة الشمسية التي تستخدم بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO₄) قادرة على تحقيق العائد على الاستثمار (ROI) المتوقع لها خلال ١٨–٢٤ شهرًا فقط، وبالتالي يُتوقع أن تحقّق عائد الاستثمار في فترة زمنية أسرع بمرتين مقارنةً بأنظمة الليثيوم.

تقنية الوقود الشمسي: أكثر تقنية بطاريات شمسية كفاءةً في العالم مع ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4)

كفاءة تبلغ ٩٥٪ في دورة الشحن/التفريغ دون هدر للطاقة (كفاءة ٨٠٪ تعني هدر الطاقة)

تُتيح تقنية ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) الخاصة بشركة سولار فويل (Solar Fuel’s technology) التقاط كل جولٍّ من الطاقة عبر الألواح الشمسية وتحويلها إلى ضوء شمسي، مع التقاط كامل الطاقة بنسبة 95% خلال دورة الشحن/التفريغ. وبالمقارنة مع بطاريات الرصاص الحمضية التي تلتقط فقط 70% من الطاقة، بينما تضيع 30% منها على هيئة حرارة في الخلية، ما يؤدي إلى فقدان 15–25% من الطاقة. وهذا يطيل زمن شحن البطارية بالضوء الشمسي، الذي لا يكون متاحًا أثناء التشغيل خارج الشبكة الكهربائية. كما أن كفاءة التوزيع توجّه الطاقة إلى الألواح الشمسية، ويستمر الإضاءة المتجانسة عبر الخلية الشمسية.

إضاءة مصابيح LED أثناء تفريغ البطاريات

تُضيء تقنية بطاريات الرصاص الحمضية من شركة Solar Fuel مصابيح LED أثناء التفريغ خلال الدورة، لكنها تلتقط الطاقة وتخزنها في البطارية لتحويلها. ويؤدي ذلك إلى استغلال ١٠٠٪ من الطاقة عندما تكون مصابيح LED مطفأة. كما تلتقط هذه التقنية الضوء لتحويله إلى طاقة. وعندما تكون مصابيح LED مطفأة، تُفرّغ بطارية الرصاص الحمضية طاقتها. ولن يلاحظ المستخدم أي وميض أو انخفاض في الإضاءة. وتوفّر الوحدة إضاءةً قويةً بدءًا من الغسق وتضمن استمرار الإضاءة.

مصابيح شمسية أسرع وأكثر كفاءة في جميع الأحوال الجوية وخالية تمامًا من الصيانة

في ظل نفس ظروف الشحن، تُعاد شحن بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄) بنسبة تصل إلى ٥٠٪ أسرع من بطاريات الرصاص الحمضية. وهذا يحسّن قدرتها على تخزين الطاقة خلال الأيام القصيرة أو ذات الإضاءة الشمسية المحدودة. كما أن نطاق درجات الحرارة التشغيلية لها أوسع، ويمتد من -٢٠°م إلى ٦٠°م. أما بطاريات الرصاص الحمضية فلا تنطبق عليها هذه الميزة، إذ تتدهور بشكل أسرع عند درجات حرارة تزيد عن ٣٥°م وتنخفض إلى ٠°م. والأهم من ذلك أن بطاريات الليثيوم لا تحتاج إلى صيانة. فهي لا تتطلب إضافات للإلكتروليت، ولا تنظيف للأقطاب، ولا شحنًا توازنيًّا، كما أن التآكل لن يكون مشكلةً على الإطلاق. وبفضل هذه البطاريات الخالية من الصيانة، تنخفض تكاليف الصيانة الإجمالية بنسبة ٣٠٪. وهذه النقطة بالغة الأهمية في المناطق التي يصعب الوصول إليها، حيث تبقى المصابيح دون أي تدخل لفترات طويلة. وكل ما سبق يُبرز الحاجة إلى إضاءة غير منقطعة.

الأسئلة الشائعة

السؤال ١: ما الميزة الرئيسية لبطاريات الليثيوم مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية في المصابيح الشمسية؟

الإجابة ١: كفاءة طاقوية أعلى وزمن استخدام أطول لبطاريات الليثيوم. ويعود ذلك إلى أن بطاريات الليثيوم تسمح بعمق استخدام أكبر، حيث يمكن تفريغها بنسبة تتراوح بين ٨٠٪ و٩٥٪، مقارنةً بنسبة تفريغ تبلغ ٥٠٪ في بطاريات الرصاص الحمضية.

السؤال ٢: ما تأثير بطاريات الليثيوم على عمر مصابيح الطاقة الشمسية وتكاليفها؟

الإجابة ٢: تؤدي دورات الشحن القصيرة واستبدال البطاريات المتكرر إلى ارتفاع التكلفة الإجمالية للملكية. وعلى العكس من ذلك، فإن بطاريات الليثيوم تمدّد عدد دورات الشحن لتصل إلى ٥٠٠٠ دورة.

السؤال ٣: لماذا يكتسب منحنى الجهد أهميةً في أداء مصابيح الطاقة الشمسية؟

الإجابة ٣: إن استقرار منحنى الجهد يعني أن التغير في شدة الإضاءة غير متغير. وكل ذلك يُبرز الحاجة إلى إضاءةٍ مستمرةٍ دون انقطاع.