إقتبس
إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية خارج الشبكة ليست مجرد مشروع إضاءة LED متصل بالشبكة مزود ببطارية. فعندما يقع موقع المشروع خارج نطاق بنية تحتية موثوقة للتوزيع - كممر طريق ريفي في الأقاليم الشمالية الكندية، أو طريق وصول إلى بلدة في مرتفعات بيرو، أو مجتمع إعادة توطين في شمال شرق البرازيل - يتغير نموذج التكلفة الإجمالية للملكية بالكامل. وتصبح تكلفة تمديد الشبكة، وليس تكلفة المصباح، هي المتغير المهيمن.
وفقًا لتوقعات الطاقة في أفريقيا الصادرة عن وكالة الطاقة الدولية (IEA، 2022) وتقارير بنك التنمية للبلدان الأمريكية بشأن كهربة المناطق الريفية، فإن تمديد البنية التحتية لشبكة الجهد المتوسط إلى مجتمع ناءٍ قد يكلف ما بين 15000 دولار أمريكي و 50000 دولار أمريكي لكل كيلومتر، وذلك تبعاً للتضاريس ومستوى الجهد الكهربائي ونظام الترخيص. بالنسبة للأحمال المخصصة للإضاءة فقط والممتدة على مسافة تتراوح بين 5 و15 كيلومتراً في ممر ريفي، غالباً ما يجعل هذا الرقم توسيع الشبكة غير مجدٍ اقتصادياً على مدى 10 سنوات.
النتيجة: مشاريع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسيةتُعدّ الإضاءة الشمسية الخيار الهندسي الأساسي - وليست بديلاً - لإضاءة الطرق الريفية في المناطق التي يتجاوز فيها متوسط الإشعاع الشمسي السنوي حوالي 3.5 ساعات ذروة شمسية يومياً. ويشمل هذا الحدّ معظم أمريكا اللاتينية وجنوب أوروبا ومناطق واسعة في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وجنوب وجنوب شرق آسيا.
يُعدّ هذا التحوّل في الافتراض الافتراضي ذا أهمية بالغة لكيفية تنظيم فرق المشاريع لعمليات الشراء، وتحديد المعدات، وتخصيص الاحتياطيات. كما يعني أيضًا أن المتغيرات الأكثر احتمالًا للتسبب في فشل المشروع ليست مقاييس أداء وحدات الإضاءة، بل هي... أخطاء في تحديد حجم البطارية، وافتراضات غير صحيحة بشأن الاستقلالية، وتصميم غير كافٍ لأساسات الأعمدة في ظل ظروف الرياح والتربة.. تتناول الأقسام التالية كلًا من هذه النقاط بطريقة منظمة.
تتضمن إضاءة المناطق النائية للبنية التحتية العامة عادةً ثلاثة أنظمة إضاءة شوارع تعمل بالطاقة الشمسية. ويُعد فهم الاختلافات الميكانيكية والكهربائية والصيانة بينها شرطًا أساسيًا لأي مواصفات شراء.
في التكوينات المنفصلة، تُشكّل اللوحة الشمسية، ووحدة تشغيل/إضاءة LED، وحزمة البطارية، ووحدة التحكم، وحدات منفصلة. تُثبّت اللوحة عادةً على دعامة في أعلى عمود يتراوح طوله بين 6 و10 أمتار، بزاوية مُثلى لتحسين امتصاص الإشعاع الشمسي. وتُوضع البطارية في صندوق أرضي أو في منتصف العمود.
المزايا:
القيود:
تدمج الأنظمة المتكاملة اللوحة، وبطارية الليثيوم، ووحدة LED، ووحدة التحكم، ومستشعر الحركة في غلاف واحد مثبت أعلى العمود. وقد أصبحت هذه الأنظمة الشكل السائد للمنتجات في مشاريع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية للطرق الريفية والمناطق المجتمعية خلال السنوات الخمس الماضية، وذلك بشكل أساسي بسبب سرعة التركيب وسهولة الخدمات اللوجستية.
المزايا:
القيود:
هناك بنية معمارية أقل شيوعًا ولكنها تُعتمد بشكل متزايد في المشاريع متوسطة الحجم: حيث يتم دمج اللوحة والبطارية/وحدة التحكم في غلاف واحد مثبت بشكل منفصل عن وحدة إضاءة LED. وهذا يحافظ جزئيًا على مرونة التركيب المنفصل مع الحفاظ على بعض مزايا التكامل.
تختلف معايير اختيار مشاريع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية اختلافًا كبيرًا بين المناطق ذات خطوط العرض العالية والإشعاع الشمسي المنخفض، مثل شمال كندا، والمناطق الاستوائية أو شبه الاستوائية ذات الإشعاع الشمسي العالي، مثل المناطق الداخلية الشمالية الشرقية من البرازيل. تقدم كلتا المنطقتين حالات استخدام جذابة، لكنهما تتطلبان معايير نظام مختلفة تمامًا.
تعمل مشاريع إنارة الطرق الريفية في مقاطعات مثل مانيتوبا وساسكاتشوان والأقاليم الشمالية الغربية في ظل بعض أصعب ظروف الطاقة الشمسية خارج الشبكة:
في ظل هذه الظروف، يوصي المهندسون عادةً بما يلي:
عمليًا، هذا يعني أن وحدة إضاءة LED بقدرة 30 واط في شمال مانيتوبا قد تتطلب لوحة بقدرة 300 واط وبطارية 150 أمبير/ساعة/12 فولت - أي ما يقارب ثلاثة أضعاف سعة اللوحة وأربعة أضعاف سعة البطارية التي تحتاجها نفس وحدة الإضاءة في وسط البرازيل. وبشكل عام، فإن تصميمها المتكامل غير مناسب لهذه الظروف.
السياق السياسي ذو الصلة: قامت وزارة شؤون السكان الأصليين والشمال الكندية (INAC) وبرامج المقاطعات، مثل برنامج دعم الكهرباء للمجتمعات النائية في مانيتوبا، بتمويل العديد من المشاريع التجريبية لإضاءة الطرق بالطاقة الشمسية في المناطق الريفية. ويتطلب الشراء الفيدرالي لمثل هذه المشاريع عادةً الحصول على شهادة مجموعة CSA للمكونات الكهربائية والامتثال لإطار مسؤولية المنتج الموسع الصادر عن وزارة البيئة وتغير المناخ الكندية فيما يتعلق بالتخلص من البطاريات.
توفر منطقة شمال شرق البرازيل (سيارا، بياوي، باهيا، ريو غراندي دو نورتي) بعضًا من أعلى مستويات الإشعاع الشمسي في أمريكا الجنوبية:
تفضل هذه الظروف أنظمة إضاءة الشوارع الشمسية المتكاملة مع:
البرازيل برنامج النور للجميع</p> أرست مبادرة "الإنارة للجميع" والبرامج اللاحقة التابعة لوزارة المناجم والطاقة قاعدة توريد أساسية كبيرة لأنظمة الإنارة الشمسية الريفية غير المتصلة بالشبكة. وتشرف الوكالة الوطنية للطاقة الكهربائية (ANEEL) على المعايير الفنية؛ ويُشترط عمومًا الحصول على شهادة INMETRO للمعدات الكهربائية المستوردة أو المباعة للاستخدام في البنية التحتية العامة.
بالنسبة لمقاول الهندسة والمشتريات والإنشاءات الذي يتقدم بعرض لمشروع طريق ريفي في سيارا يضم 200 وحدة إضاءة، فإن البنية المتكاملة عادةً ما توفر أقل تكلفة تركيب لكل نقطة، شريطة أن يكون حجم حركة المرور على الطريق منخفضًا بما يكفي (أقل من 50 مركبة/ساعة تقريبًا في الليل) لكي يؤدي التعتيم الناتج عن الحركة إلى إطالة عمر البطارية بشكل ملحوظ.
تغطي المقارنة التالية ثلاثة تكوينات للنظام ضمن سيناريوهين نموذجيين للمشروع. جميع تقديرات التكلفة هي نطاقات إرشادية تستند إلى بيانات المشروع المنشورة علنًا وأسعار الصناعة القياسية اعتبارًا من 2023-2024؛ ستختلف أسعار المشروع الفعلية باختلاف الخدمات اللوجستية المحلية وتصنيف التعريفة الجمركية والحجم.
جدول مقارنة الأنظمة
| بُعد التقييم | نظام الطاقة الشمسية المنفصل | نظام الطاقة الشمسية المتكامل | نظام الطاقة الشمسية المتكامل |
|---|---|---|---|
| السعة النموذجية للوحة | 150–400 واط | 30–100 واط | 80–200 واط |
| استقلالية البطارية (الإخراج الكامل) | 3-7 ليالٍ | ليلة أو ليلتين | 2–4 ليالٍ |
| مدة التركيب لكل عمود | 60–90 دقيقة | 20-35 دقيقة | 35-55 دقيقة |
| التكلفة التقديرية للتركيب (مصباح LED بقوة 30 واط) | 350-600 دولار أمريكي | 180-320 دولارًا أمريكيًا | 260–430 دولارًا أمريكيًا |
| إجراء استبدال البطارية | مستوى الأرض؛ لا يتطلب تسلقًا | نزول الوحدة بالكامل من العمود | فك وحدة البطارية؛ لا يتم إزالة الوحدة بالكامل |
| مناسب للمناطق ذات خطوط العرض العالية (أكثر من 50 درجة شمالاً) | ✓ نعم (مع المقاس المناسب) | ✗ عموماً لا (لوحة/بطارية غير كافية) | مشروط (يعتمد على حجم اللوحة) |
| مناسب للمناطق الاستوائية/شبه الاستوائية | ✓ نعم (قد يكون حجمه كبيرًا) | ✓ نعم (الشكل الأمثل) | ✓ نعم |
| خطر التخريب (البطارية) | متوسط (صندوق أرضي) / منخفض (عمود متوسط) | منخفض (تركيب علوي متكامل) | منخفض (تركيب علوي) |
| تعقيد الخدمات اللوجستية | مرتفع (وحدات تخزين متعددة لكل وحدة) | منخفض (وحدة تخزين واحدة) | متوسط |
| مسار الحصول على الشهادة (كندا) | CSA C22.2، ULC | CSA C22.2، ULC | CSA C22.2، ULC |
| مسار الحصول على الشهادة (البرازيل) | إنمترو، إيه بي إن تي إن بي آر | إنمترو، إيه بي إن تي إن بي آر | إنمترو، إيه بي إن تي إن بي آر |
| حجم المشروع الموصى به | 50–500+ قطب | 20-300 عمود | 30-200 عمود |
تُعد نطاقات التكلفة إرشادية، وتستند إلى بيانات معيارية صناعية للفترة 2023-2024 من تقارير المشتريات الصادرة عن مؤسسة التمويل الدولية/برنامج إدارة المشاريع الأوروبية (IFC/ESMAP) وعروض أسعار المقاولين الإقليميين في مجال الهندسة والمشتريات والإنشاءات (EPC).
قبل وضع اللمسات الأخيرة على أي مواصفات لأنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية خارج الشبكة، يوصي المهندسون عادةً بإجراء مراجعة منظمة قبل الشراء تغطي البنود التالية. تنطبق قائمة التحقق هذه على مقاولي الهندسة والمشتريات والإنشاءات الذين يديرون مشاريع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية في المناطق الريفية.
تقييم الموقع وموارد الطاقة الشمسية
الظروف الهيكلية والبيئية
مواصفات النظام
الامتثال والشهادة
توضح الحسابات التالية منطق التكلفة الإجمالية للملكية لمقارنة تمديد شبكة الكهرباء مقابل نظام إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية المتكامل لمشروع إنارة طريق ريفي بطول 5 كيلومترات و100 عمود في ولاية سيارا بالبرازيل. جميع الافتراضات مذكورة صراحةً، ويجب تعديلها وفقًا لظروف المشروع.
الافتراضات:
مقارنة التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 10 سنوات (100 قطب):
| مكون التكلفة | مصباح LED متصل بالشبكة | نظام الطاقة الشمسية خارج الشبكة (الكل في واحد) |
|---|---|---|
| توسيع الشبكة (5 كم × 150,000 ريال برازيلي/كم في المتوسط) | 750,000 ريال برازيلي | <ص>—<ص> |
| وحدة إضاءة + تركيب (100 وحدة) | 80,000 ريال برازيلي | 130,000 ريال برازيلي |
| التكلفة السنوية للطاقة (30 واط × 12 ساعة × 365 × 100) | 85,410 ريال برازيلي/سنويًا ← 854,100 ريال برازيلي على مدى 10 سنوات | <ص>—<ص> |
| استبدال البطارية (السنة 7، 100 وحدة) | <ص>—<ص> | 30,000 ريال برازيلي |
| التشغيل والصيانة لأكثر من 10 سنوات | 80,000 ريال برازيلي | 50,000 ريال برازيلي |
| التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 10 سنوات (تقديرية) | 1,764,100 ريال برازيلي | 210,000 ريال برازيلي |
التفسير: عند احتساب تكاليف تمديد الشبكة الكهربائية، يصبح إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية خارج الشبكة أكثر تنافسية من حيث التكلفة على مدى عشر سنوات في هذا السيناريو. ومع ذلك، تتقلص هذه الميزة بشكل كبير إذا كان الطريق يقع على ممر تمديد شبكة كهربائية يخدم أحمالًا متعددة تتجاوز الإنارة (مضخات الري، المرافق العامة)، وفي هذه الحالة ينبغي توزيع تكلفة تمديد الشبكة على جميع الأحمال المستفيدة بدلاً من تحميلها بالكامل على مشروع الإنارة.
عندما تتغير ظروف المشروع، كقصر طول الطرق (1-2 كم من الشبكة الحالية)، أو تقارب أعمدة الإنارة بشكل كبير، أو المواقع التي تم فيها بالفعل تمديد الشبكة لأسباب أخرى، قد يكون الخيار الاقتصادي الأمثل هو استخدام مصابيح LED المتصلة بالشبكة. ينبغي على المهندسين إجراء تحليل التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) باستخدام مدخلات خاصة بالمشروع قبل اتخاذ القرار النهائي بشأن اختيار النظام.
الاستنتاج
بالنسبة لمشاريع إنارة الطرق في المناطق الريفية والنائية، فإن السؤال الهندسي الأساسي ليس "الطاقة الشمسية أم الشبكة الكهربائية؟" بل هو: ما هي التكلفة الفعلية لتوسيع الشبكة، وهل يتناسب شرط الاكتفاء الذاتي بالطاقة الشمسية مع موارد الطاقة الشمسية المحلية؟عندما يتجاوز امتداد الشبكة ما يقارب 10000-15000 دولار أمريكي لكل كيلومتر، ويبلغ متوسط استهلاك الموقع 3.5 ساعة عمل يوميًا على الأقل على مدار السنة، فإن أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية توفر عادةً تكلفة إجمالية أقل على مدى 10 سنوات مع موثوقية مقبولة - بشرط أن يتم تحديد حجم البطارية بناءً على أسوأ ظروف الشهر، وليس المتوسطات السنوية.
لا يزال التكوين المنفصل الخيار الأمثل تقنيًا للمشاريع التي تقع في خطوط العرض العليا أو التي تتطلب استقلالية عالية (كندا، شمال أوروبا، الطرق الجبلية في جبال الأنديز). يوفر التصميم المتكامل الحل الأمثل من حيث التكلفة للمشاريع الاستوائية وشبه الاستوائية حيث يكون معدل استهلاك الطاقة لكل ساعة تشغيل أعلى من 4.5 باستمرار، وتكون متطلبات استقلالية البطارية متواضعة.
ينبغي لفرق المشتريات إعطاء الأولوية لبيانات موارد الطاقة الشمسية الموثقة، والمعدات المعتمدة من جهات خارجية، واستراتيجية استبدال البطاريات كجزء من ميزانية التشغيل والصيانة. إذا كنت بحاجة إلى تقييم لتكوين النظام الخاص بك مشروع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية، يرجى الاتصال بـ الفريق الفني لإضاءة الشوارع من إنفرالومينين للحصول على حل مخصص.
المراجع