إقتبس
قد يبدو مشروع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية الذي يعمل بكفاءة عالية على مدى عشر سنوات، وآخر يتعطل خلال ثمانية عشر شهرًا، متطابقين ظاهريًا - نفس قدرة الألواح، ونفس شدة الإضاءة، ونفس السعر المُعلن. لكن الفرق يكمن غالبًا في كيفية تحديد مواصفات المكونات الأساسية، ودمجها، والتحقق منها. يُفصّل هذا الدليل الأنظمة الفرعية الستة الأساسية لنظام إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية التجاري، ويشرح المنطق الهندسي وراء كل قرار من قرارات المواصفات، ويُقدّم إطارًا عمليًا لفرق المشتريات لتقييم العروض بموضوعية.
بلغت الشحنات العالمية من مصابيح الشوارع الشمسية ما يقدر بنحو 20 مليون وحدة في عام 2022، وتستمر في التوسع في جميع أنحاء جنوب شرق آسيا وأفريقيا والشرق الأوسط وأمريكا اللاتينية، مدفوعةً بانخفاض تكاليف وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وارتفاع نفقات توسيع الشبكة، ومتطلبات الاستدامة البلدية. ومع ذلك، لا تزال معدلات الأعطال الميدانية مرتفعة بشكل غير متناسب في القطاع التجاري. وأشار تقرير وكالة الطاقة الدولية لعام 2023 حول سوق الإضاءة خارج الشبكة إلى أن التركيب الكيميائي غير المطابق للمواصفات للبطاريات وصغر حجم الألواح الشمسية هما السببان الأكثر شيوعًا للفشل المبكر للنظام في مشاريع إضاءة القطاع العام في الأسواق الناشئة (وكالة الطاقة الدولية، 2023).
يُعدّ هذا النمط مهمًا لمقاولي الهندسة والمشتريات والإنشاءات ومديري المشتريات البلدية لسببٍ مُحدد: قد لا يتجاوز فرق الإنفاق الرأسمالي بين نظام إضاءة LED شمسي تجاري مُصمم بشكل صحيح وبديل مُخفض التكلفة 15-25%، ومع ذلك، غالبًا ما تتجاوز فجوة التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) على مدى 10 سنوات - عند احتساب زيارات الصيانة واستبدال البطاريات وفشل المشروع الذي قد يُؤثر على سمعته - 60%. يُوصي المهندسون عمومًا بتقييم مقترحات الإضاءة الشمسية على أساس التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 7-10 سنوات بدلاً من تكلفة الوحدة وحدها.
نظام إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية التجارية ليس منتجاً واحداً، بل هو نظام طاقة متكامل يتألف من ستة أنظمة فرعية مترابطة. إن تحديد أي منها بمعزل عن الآخر، دون مراعاة قيود الأداء التي تفرضها الأنظمة الأخرى، خطأ شائع ومكلف.
تُعدّ الألواح الشمسية المكوّن الوحيد في النظام الذي يُدرّ ربحًا، أما باقي المكونات فتُعتبر تكلفة. في التطبيقات التجارية، أصبحت ألواح PERC أحادية البلورة هي المعيار لسببين: كفاءة أعلى لكل وحدة مساحة (عادةً ما بين 20 و22% في ظروف الاختبار القياسية) وأداء أفضل في الإضاءة المنخفضة مقارنةً بالبدائل متعددة البلورات. بالنسبة للمنشآت التي تتميز أسطح تركيبها بانعكاسية عالية (كالطرق الخرسانية والأراضي الرملية والمسطحات المائية)، يمكن للوحدات ثنائية الوجه أن تُوفّر إنتاجية طاقة إضافية تتراوح بين 10 و15% من الإشعاع الشمسي من الجهة الخلفية، مع العلم أن هذه الفائدة لا تتحقق إلا عندما يكون السطح الخلفي مُعرّضًا للضوء دون عوائق.
غالباً ما يتم إغفال معيارين أساسيين في المواصفات في المناقصات التجارية: معامل درجة حرارة الطاقة للوحة الشمسية وضمان تدهورها. في المناخات الحارة، حيث تتجاوز درجات الحرارة المحيطة 35 درجة مئوية بانتظام، وقد تصل درجة حرارة سطح الوحدة إلى 65-75 درجة مئوية، فإن كل ارتفاع بمقدار درجة مئوية واحدة فوق ظروف الاختبار القياسية (STC) يقلل من الإنتاج بنسبة تتراوح بين 0.35% و0.45% تقريباً للخلايا أحادية البلورة القياسية. قد لا تُنتج لوحة بقدرة 200 واط، مُحددة بظروف الاختبار القياسية، سوى 170-180 واط عند درجة حرارة التشغيل في بيئة استوائية، مما يؤثر بشكل مباشر على ميزانية الطاقة اليومية. عادةً ما يضمن مصنّعو الألواح الشمسية الموثوق بهم تدهوراً في الإنتاج لا يتجاوز 0.45% سنوياً؛ ويُفضّل اختيار الألواح التي يضمن تدهوراً في الإنتاج لا يتجاوز 0.4% سنوياً، إن وُجدت.
المعيار الرئيسي الذي يجب الرجوع إليه: IEC 61215 (تأهيل تصميم وحدات الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلوري) وIEC 61730 (تأهيل السلامة). اطلب دائمًا شهادات اختبار سارية المفعول من مختبر معتمد.
يُعد اختيار البطارية، بفارق كبير، أهم قرار في تصميم أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية. فهو يحدد موثوقية النظام والتكلفة الإجمالية للمشروع طوال فترة الخدمة.
تُستخدم ثلاثة أنواع من البطاريات تجاريًا في هذا التطبيق: بطاريات الرصاص الحمضية الهلامية (VRLA)، وبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO₄)، وبطاريات الليثيوم الثلاثية (NMC). يُفضل المهندسون العاملون في المشاريع البلدية التجارية عمومًا بطاريات LiFePO₄ للأسباب التالية: أولًا، يبلغ عمرها الافتراضي عند تفريغ 80% من سعتها عادةً 2000-4000 دورة، مقارنةً بـ 400-700 دورة لبطاريات الهلام عند نفس السعة. ثانيًا، تتميز بطاريات LiFePO₄ بثبات حراري فائق، فهي لا تتعرض للانهيار الحراري في ظروف الشحن الزائد التي قد تُلحق الضرر بخلايا الهلام أو NMC. ثالثًا، يُسهّل منحنى التفريغ المسطح (يبقى الجهد مستقرًا نسبيًا بين 20% و80% من حالة الشحن) تصميم وحدة التحكم ويحمي إلكترونيات تشغيل مصابيح LED من تقلبات الجهد.
يُحدد حجم سعة البطارية بناءً على متطلبات استقلالية الطاقة، أي عدد الأيام الغائمة المتتالية التي يجب أن يعمل فيها النظام بكامل طاقته أو جزئيًا دون إعادة شحن بالطاقة الشمسية. ويُشترط في المعايير الهندسية لتطبيقات الطرق الرئيسية والشرايين في المناطق الاستوائية الموسمية (جنوب شرق آسيا، غرب أفريقيا، جنوب آسيا) حد أدنى من ثلاثة أيام من التشغيل المستقل عند 80% من عمق التفريغ. وبهذا الحجم، لا تعاني البطارية من نقص الشحن المزمن (مما يُقلل من عمرها الافتراضي)، ولا تكون ذات سعة زائدة تُهدر التكاليف الرأسمالية.
معادلة تحديد الحجم: سعة البطارية المطلوبة (واط ساعة) = (قوة مصابيح LED × ساعات التشغيل يوميًا × أيام الاستقلالية) ÷ عامل كفاءة النظام (عادةً 0.85-0.90). يجب دائمًا ذكر الحد الأقصى المفترض لوزارة الدفاع في وثائق التصميم.
ينظم منظم الشحن تدفق الطاقة بين اللوحة الشمسية والبطارية والحمل. في تصميم أنظمة الإضاءة الشمسية التجارية، حلت منظمات تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) محل منظمات تعديل عرض النبضة (PWM) إلى حد كبير للأنظمة التي تزيد قدرتها عن 50 واط، وذلك لسبب بسيط: تقوم خوارزميات MPPT بضبط جهد التشغيل ديناميكيًا لاستخلاص أقصى طاقة متاحة من اللوحة عند أي مستوى إشعاع معين، مما يؤدي إلى استعادة طاقة أكثر بنسبة 20-30% تقريبًا من PWM في ظروف الظل الجزئي الواقعية وظروف الإشعاع المنخفض في الصباح/المساء.
بالإضافة إلى خوارزمية الشحن، ينبغي على المهندسين التحقق مما يلي: الحد الأقصى لجهد دخل وحدة التحكم (يجب أن يتجاوز جهد الدائرة المفتوحة للوحة عند أدنى درجة حرارة تشغيل، مع هامش أمان)، وتوافق جهد خرج الحمل مع مشغل LED المُختار، وما إذا كان بروتوكول التعتيم (إشارة PWM، أو إشارة تناظرية 0-10 فولت، أو DALI) يتطابق مع مشغل وحدة الإضاءة. في المشاريع التجارية الكبيرة، تُمكّن وحدات التحكم المزودة بإمكانية المراقبة عن بُعد - عادةً عبر GPRS أو NB-IoT - من الصيانة الوقائية القائمة على البيانات، ويتم تحديدها بشكل متزايد في العقود البلدية في دول الآسيان ودول مجلس التعاون الخليجي.
يحوّل مصباح LED الطاقة الكهربائية المخزنة إلى إضاءة للطرق. وتحدد ثلاثة معايير أداءه في سياق أنظمة LED الشمسية التجارية. أولًا، كفاءة النظام: عند كتابة هذا التقرير، تحقق مصابيح إنارة الشوارع التجارية عالية الجودة بتقنية LED كفاءة تتراوح بين 150 و180 لومن/واط عند التيار المقنن؛ أما المنتجات التي تقل كفاءتها عن 130 لومن/واط فتفرض تكلفة طاقة إضافية يجب تعويضها بألواح وبطاريات أكبر. ثانيًا، التوزيع الضوئي: تتطلب تطبيقات إنارة الطرق نمط توزيع من النوع الثاني أو الثالث أو الرابع (وفقًا لتصنيف IES) لتحقيق أقصى قدر من التجانس وتقليل الوهج؛ ويُعد التحقق من ذلك من خلال ملف IES الضوئي الذي تم اختباره بشكل مستقل ممارسة قياسية للمشاريع التي تستهدف الامتثال لمعيار IES RP-8 أو EN 13201. ثالثًا، الإدارة الحرارية: تتدهور مصابيح LED بشكل أسرع عند ارتفاع درجات حرارة الوصلة؛ تحافظ وحدات الإضاءة التي تستخدم لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة النحاسية أو أنابيب التسخين ذات حجرة البخار على درجة حرارة الوصلة أقل من 85 درجة مئوية في الظروف المحيطة التي تصل إلى 45 درجة مئوية، في حين أن الهياكل المصنوعة من الألومنيوم سيئة التصميم قد تسمح بتجاوز درجات حرارة الوصلة 100 درجة مئوية.
يستحق مشغل LED - وهو مصدر الطاقة الإلكتروني لوحدة LED - فحصًا منفصلاً. في تطبيقات الطاقة الشمسية، يجب أن يقبل المشغل نطاق جهد دخل تيار مستمر متوافقًا مع منحنى تفريغ البطارية (على سبيل المثال، 22-29 فولت لنظام LiFePO₄ بجهد اسمي 24 فولت). عادةً ما تحدد المشغلات من الشركات المصنعة المعروفة كفاءة ≥93% وتحمل تصنيفات IP67 أو IP68 عند تركيبها في غلاف وحدة الإنارة. من المزايا التشغيلية المهمة للمشغلات الخارجية (مقارنةً بالوحدات المتكاملة بالكامل) إمكانية استبدالها ميدانيًا: في حالة تعطل المشغل، يمكن للفني استبدال الوحدة على العمود دون فك المجموعة البصرية - وهو ما يوفر وقتًا ثمينًا في الصيانة، وهو أمر بالغ الأهمية في الشبكات البلدية الكبيرة.
في مشاريع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية التجارية، غالبًا ما يتم التقليل من أهمية النظام الإنشائي - العمود وقوس التثبيت - في تحديد مواصفاته. يجب أن يراعي تصميم العمود الحمل الناتج عن الرياح على اللوحة الشمسية (التي تعمل كشراع كبير) وذراع وحدة الإنارة، محسوبًا وفقًا لمعيار منطقة الرياح المحلية (ASCE 7، EN 40، أو ما يعادله على المستوى الوطني). بالنسبة للألواح التي تزيد قدرتها عن 200 واط والمثبتة على ارتفاعات نموذجية تتراوح بين 6 و10 أمتار، فإن سمك جدار العمود وقطر دائرة مسامير التثبيت في الأساس هما حسابات خاصة بالمشروع، وليست قيمًا واردة في الكتالوج. ينصح المهندسون بطلب حسابات الأحمال الإنشائية من المورد أو إجراء فحص مستقل عندما تتجاوز مساحة اللوحة 1.2 متر مربع.
يُعدّ الجلفنة بالغمس الساخن (HDG) وفقًا للمعيار ISO 1461 أو ما يعادله الحد الأدنى لمعيار الحماية من التآكل للمنشآت الساحلية وذات الرطوبة العالية؛ ويُحدد عادةً سُمك طبقة الزنك بـ 85 ميكرومتر أو أكثر للمواقع القريبة من البحر. كما يوفر الطلاء المسحوق فوق الجلفنة بالغمس الساخن مقاومة إضافية للأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية.
يُعتبر نظام إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية التجاري هو الحلقة الأضعف فيه. فجودة تكامل النظام - أي كيفية ربط الأنظمة الفرعية الستة فعلياً، وحمايتها من الرطوبة والتغيرات الحرارية، ومراقبتها - هي التي تحدد ما إذا كانت قائمة مكونات النظام المحددة جيداً ستؤدي إلى أداء ميداني موثوق.
تشمل متطلبات التكامل الرئيسية ما يلي: حماية IP65 كحد أدنى (ويُفضل IP67 في المناطق المعرضة للفيضانات) لجميع التوصيلات الكهربائية الخارجية وغدد الكابلات؛ أسلاك مقاومة للأشعة فوق البنفسجية مصممة لتحمل أقصى درجة حرارة سطحية متوقعة؛ صناديق بطاريات مزودة بتهوية كافية أو نظام إدارة حرارية لمنع تراكم الحرارة في البيئات ذات درجات الحرارة المحيطة المرتفعة؛ ونقاط صيانة واضحة المعالم ويسهل الوصول إليها. بالنسبة لأسطول الإنارة البلدية الذي يضم أكثر من 100 وحدة إضاءة، يُعتبر الرصد عن بُعد عبر نظام إدارة مركزي (CMS) مع خاصية الكشف عن الأعطال لكل عقدة، وتسجيل استهلاك الطاقة، والتحكم في شدة الإضاءة، من أفضل الممارسات في دول مجلس التعاون الخليجي وفي العديد من البرامج الوطنية لدول الآسيان اعتبارًا من عام 2024.
لتوضيح كيفية تفاعل مواصفات المكونات عمليًا، لنأخذ مثالًا نموذجيًا لمشروع: طريق حضري ثانوي بأربعة مسارات في مدينة متوسطة الإشعاع الشمسي في جنوب شرق آسيا (مثل مترو سيبو، الفلبين؛ جوهور باهرو، ماليزيا؛ أو سورابايا، إندونيسيا). استنادًا إلى بيانات ناسا باور التاريخية، تسجل هذه المنطقة عادةً ما بين 4.5 و5.2 ساعة ذروة سطوع الشمس يوميًا، بينما تنخفض هذه النسبة إلى ما بين 3.0 و3.8 ساعة ذروة سطوع الشمس في المتوسط خلال أشهر الرياح الموسمية من يونيو إلى أغسطس. يجب أن يحافظ النظام المصمم جيدًا على الإضاءة الكاملة خلال هذه الأشهر ذات الإشعاع المنخفض.
تتضمن المواصفات التجارية النموذجية لهذا السيناريو ما يلي: لوحة أحادية البلورة من نوع PERC بقدرة 200-250 واط (بزيادة 25% عن الطلب في أسوأ شهر)، وبطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO₄) بجهد 48 فولت وسعة 100 أمبير/ساعة (حوالي 4800 واط/ساعة قابلة للاستخدام عند 80% من عمق التفريغ)، ووحدة تحكم MPPT مصممة لتيار شحن ≥15 أمبير، ووحدة إضاءة LED بقدرة 60-80 واط تحقق كفاءة إضاءة ≥150 لومن/واط، مما ينتج عنه إضاءة تتراوح بين 9000 و12000 لومن عند وحدة الإضاءة. يوفر هذا التكوين حوالي 3.5 أيام تشغيل مستقلة خلال موسم الأمطار، ويلبي متطلبات معيار EN 13201 من الفئة ME3 أو ME4 لإضاءة الطرق على مسافة أعمدة تتراوح بين 30 و35 مترًا.
مصدر البيانات: مورد ناسا باور لعلم المناخ الزراعي (https://power.larc.nasa.gov/)، متوسط الإشعاع الشمسي اليومي الشهري، بيانات مناخية للفترة 2001-2020. يوفر برنامج PVGIS (مركز الأبحاث المشتركة التابع للاتحاد الأوروبي) بيانات مماثلة لأفريقيا وأوروبا والشرق الأوسط.
يقارن الجدول أدناه أربعة من تكوينات أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية الشائعة، وذلك من خلال أبعاد هندسية ومشتريات رئيسية. والهدف من ذلك هو مساعدة المهندسين ومديري المشتريات في اختيار نوع النظام المناسب لمتطلبات المشروع، وليس التوصية بأي فئة منتج محددة.
ملاحظات الجدول: PSH = ساعات ذروة سطوع الشمس؛ DoD = عمق التفريغ؛ نطاقات الإنفاق الرأسمالي إرشادية وتختلف باختلاف المنطقة وحجم الطلب والمواصفات. احصل دائمًا على عروض أسعار خاصة بالمشروع.
صُممت قائمة التحقق التالية لاستخدامها من قبل فرق المشتريات أثناء تقييم العطاءات، ومن قبل مهندسي الموقع أثناء فحص استلام البضائع. يتوافق كل بند مع قرار متعلق بأحد المكونات المذكورة في هذا الدليل.
يوضح المثال العملي التالي النهج الهندسي القياسي لتحديد حجم البطارية. جميع الافتراضات مذكورة صراحةً؛ سيؤدي تعديل أي منها إلى تغيير النتيجة بشكل متناسب.
الشروط المفترضة:
الخطوة 1: الطلب اليومي على الطاقة
الحمل اليومي = 70 واط × 11 ساعة = 770 واط ساعة في الليلة
الخطوة 2: إجمالي احتياطي الطاقة المطلوب (3 أيام من الاستقلالية)
إجمالي الاحتياطي = 770 واط ساعة × 3 أيام = 2310 واط ساعة
الخطوة 3: إجمالي سعة البطارية المطلوبة (مع مراعاة الحد الأقصى لوزارة الدفاع والكفاءة)
السعة الإجمالية = 2310 واط ساعة ÷ (0.80 عمق التفريغ × 0.85 كفاءة النظام) = 2310 ÷ 0.68 ≈ 3397 واط ساعة
الخطوة 4: سعة البطارية بالأمبير/ساعة (عند جهد اسمي 48 فولت)
السعة = 3397 واط ساعة ÷ 48 فولت ≈ 71 أمبير ساعة → تقريب إلى الحجم القياسي: 80 أمبير ساعة عند 48 فولت
الخطوة 5: فحص حجم اللوحة الشمسية (التأكد من إمكانية إعادة شحن اللوحة خلال ساعات العمل المتاحة)
الطاقة اللازمة لإعادة الشحن يوميًا = 770 واط/ساعة ÷ 0.85 ≈ 906 واط/ساعة. في أسوأ شهر، عند معدل تشغيل 3.5 ساعة: القدرة المطلوبة للوحة = 906 واط/ساعة ÷ 3.5 ساعة ≈ 259 واط في ظروف الاختبار القياسية. مع تطبيق تخفيض القدرة الحرارية (-15% لدرجة حرارة الوحدة 65 درجة مئوية): 259 واط ÷ 0.85 ≈ 305 واط. ← حدد لوحة أحادية البلورة بقدرة 300-320 واط كحد أدنى لهذا السيناريو.
الخلاصة:
بالنسبة لهذا النظام بقدرة 70 واط في بيئة ذات معدل استهلاك طاقة 3.5 ساعة في أسوأ شهر، تمثل بطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO₄) بجهد 48 فولت/80 أمبير/ساعة ولوحة شمسية بقدرة 300-320 واط الحد الأدنى من المواصفات التجارية الموثوقة. لا يفي الموردون الذين يقترحون لوحة شمسية بقدرة 200 واط وبطارية بقدرة 60 أمبير/ساعة لدورة التشغيل هذه بمعيار الاستقلالية لمدة 3 أيام، وهو تناقض يستدعي طلب وثائق حسابات التصميم الخاصة بالمورد.
تعود غالبية أعطال إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية في القطاع التجاري إلى سببين رئيسيين: سعة تخزين طاقة غير كافية لا تكفي لتشغيل النظام بشكل مستقل لمدة ثلاثة أيام أو أكثر خلال فترات انخفاض الإشعاع الشمسي، وتركيبة بطاريات (عادةً ما تكون من نوع الجل أو الليثيوم منخفض الجودة) تتدهور بسرعة في بيئات التشغيل ذات درجات الحرارة العالية. عندما تستند قرارات الشراء إلى هذين المعيارين - احتياطي التشغيل المستقل المُثبت وبيانات دورة حياة البطارية الموثقة من الشركة المصنعة - تتحسن نتائج المشروع بشكل ملحوظ، بغض النظر عن العلامات التجارية المحددة.
عندما يتطلب المشروع دعم تصميم هندسة الإضاءة الشمسية الخارجية، التحقق من صحة المكونات، أو تكوين النظام المخصص لتطبيقات إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية في البلديات أو الطرق السريعة أو الصناعية، إنفرالومينيتوفر فريق فني للمساعدة في تحديد حجم النظام ومراجعة مواصفاته بما يتناسب مع الموقع.
المراجع