مصابيح الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية مقابل مصابيح الشوارع التي تعمل بالشبكة الكهربائية: تحليل كامل لتكلفة الملكية الإجمالية لدورة حياة المشتريات البلدية

المقدمة

تتعرض ميزانيات إنارة البلديات لضغوط متزايدة. فمع توسع المدن نحو المناطق شبه الحضرية والريفية، يواجه مديرو المشتريات خيارًا ثنائيًا: إما توسيع شبكة الكهرباء أو نشر الطاقة الشمسية. وقد يؤدي الاختيار الخاطئ إلى تجاوز التكاليف بنسبة 40% من التقدير الرأسمالي الأصلي على مدى عمر الأصل البالغ 15 عامًا. تقدم هذه المقالة إطارًا منظمًا للتكلفة الإجمالية للملكية (TCO) - يغطي النفقات الرأسمالية، وتكاليف التشغيل، والصيانة، ومنطق استرداد التكاليف - لمساعدة المهندسين ومديري المشتريات على اتخاذ قرار مدعوم بالبيانات وقابل للدفاع عنه قبل اعتماد المواصفات النهائية.

سياق القرار: لماذا تُعدّ التكلفة الإجمالية للملكية أهم من السعر المعلن؟

يبدو تركيب مصابيح الشوارع المتصلة بالشبكة الكهربائية ومصابيح الشوارع الشمسية مختلفين تمامًا عند الشراء. قد تتراوح تكلفة مصباح الشارع LED المتصل بالشبكة بين 150 و400 دولار أمريكي للوحدة الواحدة؛ بينما قد تتراوح تكلفة مصباح الشارع الشمسي المتكامل المماثل بين 350 و900 دولار أمريكي للوحدة الواحدة، وذلك حسب سعة البطارية وقدرة الألواح الشمسية ونظام التحكم. عند حساب الميزانية التفصيلية، غالبًا ما يبدو الخيار الشمسي أغلى.

مع ذلك، فإن مقارنات أسعار الوحدات مضللة هيكليًا بالنسبة لأصول البنية التحتية. وتشير الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) في تقريرها "تكاليف توليد الطاقة المتجددة لعام 2023" إلى أن التكلفة الرأسمالية الأولية لا تمثل سوى جزء ضئيل من نفقات دورة حياة أنظمة الطاقة خارج الشبكة، حيث غالبًا ما تهيمن تكاليف التشغيل والتمويل على مدى 10 إلى 20 عامًا.

متغيرات القرار الحقيقية هي:

• المسافة من أقرب نقطة اتصال بالشبكة — تتصاعد تكاليف البنية التحتية والكابلات بشكل غير خطي بعد 500 متر
• مسار تعريفة الكهرباء المحلية — يتوقع تقرير توقعات الطاقة العالمية لعام 2023 الصادر عن وكالة الطاقة الدولية استمرار تقلب أسعار الكهرباء التجارية في جميع أنحاء جنوب شرق آسيا، وأفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، وأمريكا اللاتينية
• سهولة الوصول للصيانة وتكلفة العمالة — بالنسبة لممرات الطرق في المناطق ذات الكثافة السكانية المنخفضة أو المناطق النائية، يمكن أن تكلف الصيانة التصحيحية لكل حادثة من 3 إلى 8 أضعاف تكلفتها في المراكز الحضرية (تقرير اتجاهات سوق الطاقة الشمسية خارج الشبكة، البنك الدولي، برنامج إدارة الطاقة الشمسية خارج الشبكة، 2022)
• هيكل تمويل المشروع — قد تختلف المشاريع الممولة بالمنح في وزن النفقات الرأسمالية عن تلك الممولة بسندات البلديات

يُجري تحليل التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) المناسب توحيد هذه المتغيرات عبر إطار زمني مشترك - عادةً 15 عامًا، بما يتماشى مع افتراضات العمر التشغيلي المقدر لمصابيح LED وبطاريات LiFePO₄.

مقارنة النفقات الرأسمالية: إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية مقابل إنارة الشوارع المتصلة بالشبكة

أعمدة الإنارة المتصلة بالشبكة: ما الذي يدخل في ميزانية رأس المال

سعر التركيبات هو بند واحد فقط. يشمل تركيب نظام الطاقة الكهربائية المتكامل عادةً ما يلي:

• حفر الخنادق وتركيب المواسير: 15-60 دولارًا للمتر الطولي حسب حالة التربة ونوع سطح الطريق
• كابل الجهد المتوسط/المنخفض: 8-25 دولارًا للمتر الواحد من الكابل المدرع ذي الأربع نوى (أسعار السوق، 2023-2024)
• محول كهربائي وخزانة توزيع: 3000-12000 دولار لكل منطقة تغذية (موزعة على الأعمدة)
• العمود والأساس: 200-600 دولار لكل نقطة حسب الارتفاع وفئة حمل الرياح
• وحدة الإضاءة (مصباح LED): 150-400 دولار للوحدة، 70-150 واط نموذجية للطرق الرئيسية

بالنسبة لممر طريق بطول كيلومتر واحد مع أعمدة متباعدة بمسافة 35 مترًا (حوالي 29 عمودًا)، تتراوح النفقات الرأسمالية للبنية التحتية للشبكة باستثناء وحدات الإنارة عادةً من من 18000 دولار إلى 55000 دولار يعتمد ذلك على مسافة الخندق وتكاليف الإنشاءات المدنية المحلية. لا يظهر هذا الرقم في تكلفة وحدة التركيبات، ولكنه يُنسب بالكامل إلى المشروع.

أعمدة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية: هيكل رأسمالي مجمع

يجمع مصباح الشارع الشمسي المتكامل بين اللوحة والبطارية ووحدة التحكم ووحدة الإنارة في وحدة واحدة مثبتة على عمود. تتراوح تكاليف التركيب للوحدة الواحدة عادةً بين:

• المستوى المبتدئ (مخرج طاقة مكافئ 60-80 واط، استقلالية لمدة ليلة إلى ليلتين): 400-650 دولارًا أمريكيًا شاملة التركيب
• متوسط ​​المدى (ما يعادل 80-120 واط، بطارية ليثيوم فوسفات الحديد، مدة تشغيل تدوم 3 ليالٍ): 700-1100 دولار أمريكي شاملة التركيب
• مواصفات عالية (ما يعادل 120 واط فأكثر، استقلالية لمدة 5 ليالٍ، تعتيم ذكي): 1100-1800 دولار أمريكي شاملة التركيب

بشكل حاسم، لا يتم تكبد أي تكلفة للبنية التحتية للشبكة. تتشابه تكاليف الأساسات والأعمدة مع تكاليف أنظمة الشبكة الكهربائية. عادةً ما تحدث نقطة التعادل في الإنفاق الرأسمالي، التي تتساوى عندها التكلفة الإجمالية لتركيب الطاقة الشمسية مع التكلفة الإجمالية لتركيب الشبكة الكهربائية (التجهيزات + البنية التحتية)، عندما تتجاوز مسافة تمديد الشبكة 200–400 متر لكل عمود، حسب الرسوم المدنية المحلية.

النفقات التشغيلية والصيانة: أين تختلف الأرقام بمرور الوقت

تكلفة الطاقة: الأنظمة التي تعمل بالطاقة من الشبكة

تستهلك مصابيح الشوارع المتصلة بالشبكة الكهرباء بشكل مستمر، ويتم احتساب تكلفتها وفقًا لتعريفات الإضاءة التجارية أو العامة. باستخدام مصباح بقدرة 100 واط يعمل لمدة 11 ساعة في الليلة (4015 ساعة/سنة):

الاستهلاك السنوي للطاقة لكل نقطة: 100 واط × 4015 ساعة = 401.5 كيلوواط ساعة/سنة

بسعر تعريفة تجارية قدرها 0.10 دولار/كيلوواط ساعة (وهو سعر يمثل أسعار الأسواق ذات التعريفات المنخفضة في جنوب شرق آسيا وأجزاء من أفريقيا)، فإن هذا يساوي 40.15 دولارًا/للوحدة/سنويًاعند 0.15 دولار/كيلوواط ساعة (أوروبا الشرقية، أمريكا اللاتينية)، يرتفع الرقم إلى60.23 دولارًا/للوحدة/سنويًا<ص>.<ص>

على مدى 15 عامًا، وبزيادة سنوية متواضعة في التعرفة بنسبة 3%، تتراوح تكلفة الطاقة التراكمية لكل وحدة إضاءة من حوالي من 740 دولارًا إلى 1120 دولارًا، حسب مستوى التعريفة الجمركية.

تكلفة الطاقة: مصابيح الشوارع الشمسية

تُنتج مصابيح الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية طاقتها الخاصة. وتكون تكلفة الطاقة المستمرة معدومة فعليًا، شريطة توفر موارد شمسية كافية. وتؤكد بيانات برنامج ناسا للطاقة أن معظم المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية (نطاقات خطوط العرض من 15° شمالًا إلى 35° شمالًا، بما في ذلك شمال إفريقيا وجنوب/جنوب شرق آسيا وأمريكا الوسطى) تتلقى 4.5–6.5 ساعات ذروة سطوع الشمس (PSH) يومياً على أساس متوسط ​​سنوي، وهو ما يكفي لدعم الإضاءة الليلية الكاملة باستخدام أنظمة بطاريات ذات حجم مناسب.

النفقات التشغيلية ذات الصلة لأنظمة الطاقة الشمسية هي استبدال البطارية، وهو أكبر متغير تكلفة متكررة على الإطلاق.

تكلفة استبدال البطارية

تُصنّف بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO₄)، التي أصبحت المعيار الصناعي لأعمدة إنارة الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية، لتحمل 2000-3000 دورة شحن وتفريغ بنسبة 80% في ظروف مُحكمة، ما يُعادل عمرًا تشغيليًا ميدانيًا يتراوح بين 6 و8 سنوات تقريبًا في ظل أنماط دورات الشحن والتفريغ النموذجية (مرجع IEEE: تحليل دورة حياة خلايا LiFePO₄ لتطبيقات التخزين الثابتة، دراسات مختلفة 2019-2022). وهذا يعني دورة استبدال بطارية واحدة خلال أفق زمني قياسي للمشروع مدته 15 عامًا.

تتراوح تكلفة استبدال حزمة البطارية عادةً بين 80 و200 دولار أمريكي للوحدة الواحدة (تكلفة المصنع)، بالإضافة إلى أجور العمالة. في المناطق الحضرية التي يسهل الوصول إليها، قد تصل تكلفة الاستبدال الإجمالية إلى ما بين 120 و280 دولارًا أمريكيًا للوحدة الواحدة. أما في المناطق النائية ذات تكلفة النقل المرتفعة، فقد تصل هذه التكلفة إلى ما بين 350 و500 دولار أمريكي للوحدة الواحدة.

الصيانة والاستجابة للأعطال

تتطلب الأنظمة المتصلة بالشبكة تشخيص الأعطال الكهربائية التي تشمل كلاً من وحدة الإنارة ودائرة التغذية الكهربائية الرئيسية. عند حدوث أعطال في الكابلات، أو تعطل قواطع الدائرة، أو مشاكل في المحولات، تكون أوقات الإصلاح وتكاليفه أعلى بكثير من تلك الخاصة بالوحدات الشمسية المستقلة.

معايير نموذجية لتكاليف الصيانة التصحيحية (البنك الدولي، برنامج إدارة الصيانة والإصلاح البيئي، 2022):

حدث صيانة	نظام الشبكة (لكل حدث)	النظام الشمسي (لكل حدث)
استبدال المصباح/المحرك	30-80 دولارًا	30-80 دولارًا
إصلاح أعطال الكابلات	200 دولار - 1500 دولار فأكثر	غير متوفر
عطل في وحدة التحكم/المستشعر	50-150 دولارًا	40-120 دولارًا أمريكيًا
استبدال البطارية	غير متوفر	120-500 دولار
الفحص السنوي لكل عمود	من 15 إلى 40 دولارًا	10-30 دولارًا

تقضي أنظمة الطاقة الشمسية تماماً على خطر أعطال الكابلات، وتبسط عملية تحديد الأعطال على مستوى كل عمود على حدة.

فترة الاسترداد وحساب التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 15 عامًا

مثال على حساب التكلفة الإجمالية للملكية المنظمة

يستخدم المثال التالي افتراضات قابلة للدفاع عنها علنًا لتوضيح منهجية التكلفة الإجمالية للملكية. يجب على فرق المشتريات استبدال القيم المحلية بكل متغير.

سيناريو: مشروع إنارة طريق مكون من 50 عمودًا، يمتد على طول 2 كم، ويبعد 400 متر عن نقطة ربط الشبكة. الموقع: منطقة استوائية، متوسط ​​استهلاك الطاقة 5.2 كيلوواط/ساعة يوميًا (وفقًا لبيانات ناسا باور، وهي بيانات تمثل منطقة جنوب شرق آسيا). تعريفة الكهرباء المحلية: 0.12 دولار/كيلوواط ساعة، وتزداد بنسبة 3% سنويًا. تكلفة توفير العمالة: متوسطة (طريق معبد يسهل الوصول إليه).

تم ذكر الافتراضات بشكل صريح؛ ستختلف القيم الفعلية للمشروع.

خيار الربط بالشبكة - إجمالي تكلفة الملكية لمدة 15 عامًا (50 عمودًا)

بند التكلفة	تكلفة الوحدة	المجموع (50 عمودًا)
مصباح (100 واط LED)	280 دولارًا	14000 دولار
عمود + أساس	400 دولار	20,000 دولار
حفر الخنادق (400 متر بسعر 30 دولارًا للمتر)	<ص>—<ص>	12000 دولار
كابل (400 متر بسعر 15 دولارًا للمتر)	<ص>—<ص>	6000 دولار
خزانة توزيع (مستهلكة)	200 دولار/للحقل	10,000 دولار
المجموع الفرعي للنفقات الرأسمالية		62,000 دولار
الطاقة (15 عامًا، زيادة بنسبة 3%، 0.12 دولار/كيلوواط ساعة)	~860 دولارًا/للحقل	43,000 دولار
الصيانة الدورية (كل 15 سنة)	400 دولار/للحقل	20,000 دولار
تقدير الصيانة التصحيحية	250 دولارًا لكل حقل	12,500 دولار
المجموع الفرعي للنفقات التشغيلية (15 عامًا)		75,500 دولار
إجمالي تكلفة الملكية على مدى 15 عامًا		137,500 دولار
التكلفة الإجمالية للملكية لكل قطب		2750 دولارًا

خيار إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية - تكلفة إجمالية للملكية لمدة 15 عامًا (50 عمودًا)

بند التكلفة	تكلفة الوحدة	المجموع (50 عمودًا)
وحدة طاقة شمسية متكاملة (متوسطة المواصفات، LiFePO₄)	850 دولارًا	42,500 دولار
عمود + أساس	380 دولارًا	19000 دولار
أجور التركيب	120 دولارًا لكل حقل	6000 دولار
المجموع الفرعي للنفقات الرأسمالية		67,500 دولار
تكلفة الطاقة	$0	$0
استبدال البطارية (السنة 7، تقديريًا)	220 دولارًا لكل حقل	11,000 دولار
الصيانة الدورية (كل 15 سنة)	280 دولارًا لكل حقل	14000 دولار
تقدير الصيانة التصحيحية	150 دولارًا لكل حقل	7500 دولار
المجموع الفرعي للنفقات التشغيلية (15 عامًا)		32,500 دولار
إجمالي تكلفة الملكية على مدى 15 عامًا		100,000 دولار
التكلفة الإجمالية للملكية لكل قطب		2000 دولار

النتيجة: في ظل هذه الافتراضات، يوفر خيار الطاقة الشمسية انخفاض إجمالي تكلفة الملكية بنسبة 27% على مدى 15 عامًا(100,000 دولار مقابل 137,500 دولار) على الرغم من ارتفاع سعر شراء الوحدة. ويتحقق العائد البسيط على علاوة النفقات الرأسمالية مقارنةً بتوفير نفقات التشغيل للشبكة عند حواليالسنة الخامسة - السادسة<ص>.<ص>

عندما تقل مسافة الربط بالشبكة عن 100 متر وتكون تعريفات الكهرباء المحلية أقل من 0.08 دولار/كيلوواط ساعة، قد يحتفظ خيار الربط بالشبكة بميزة التكلفة طوال دورة حياته. ينبغي على المهندسين نمذجة كلا السيناريوهين باستخدام المدخلات المحلية قبل وضع المواصفات النهائية.

دعم اتخاذ القرار: إطار عمل مقارن وقائمة مراجعة للمشتريات

مقارنة مباشرة: إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية مقابل إضاءة الشوارع بالشبكة الكهربائية

بُعد التقييم	مصباح LED متصل بالشبكة	أعمدة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية (LiFePO₄)
التكلفة الأولية (للتجهيزات فقط)	الأسفل	أعلى
نفقات رأس المال على البنية التحتية	عالي (حفر الخنادق، الكابلات، المحولات)	الحد الأدنى
التكلفة السنوية للطاقة	40-120 دولارًا/عمود/سنة	صفر فعلياً
اعتمادية الشبكة	كامل	لا
دورة استبدال البطارية	غير متوفر	كل 6-8 سنوات (LiFePO₄)
عزل الأعطال	مستوى الدائرة (معقد)	مستوى العمود (بسيط)
مناسب للمناطق النائية/غير المتصلة بشبكة الكهرباء	غير قابل للتطبيق على مسافة تزيد عن 500 متر تقريبًا	مناسب تمامًا
مناسب للمناطق الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية	فعالة من حيث التكلفة	تعتمد التكلفة على التعريفة الجمركية
توافق مع أنظمة التحكم الذكية	نعم (دالي، زاغا)	نعم (مستشعر حركة مدمج، خاصية التعتيم)
المراجع القياسية المطبقة	EN 13201، IEC 60598	IEC 62133، IEC 61427
الفترة الزمنية النموذجية لاسترداد تكاليف المشروع مقابل خط الأساس	<ص>—<ص>	4-8 سنوات (يختلف حسب السيناريو)
التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 15 عامًا (سيناريو تمثيلي)	أعلى في الممرات ذات الكثافة السكانية المنخفضة	أقل في المناطق النائية أو خارج الشبكة

قائمة التحقق من المشتريات لتقييم مصابيح الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية

قبل الالتزام بتركيب مصابيح الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية في مناقصة عامة، يجب على مديري المشتريات التحقق مما يلي:

1.  كفاية الموارد الشمسية: هل تم استخدام بيانات ناسا باور أو بي في جي آي إس لتأكيد الحد الأدنى لمتوسط ​​هطول الأمطار السنوي البالغ 4.0 هطل/يوم لموقع المشروع؟
2.  عدد أيام الاستقلالية المحددة: هل تتطلب المواصفات حدًا أدنى من يومين إلى ثلاثة أيام متتالية غائمة من احتياطي البطارية عند 50% من الطاقة المقدرة؟
3.  تم تأكيد التركيب الكيميائي للبطارية:هل تم تحديد التركيب الكيميائي لـ LiFePO₄ بشكل صريح؟ (تجنب استخدام بطاريات الرصاص الحمضية أو بطاريات الليثيوم NMC في تطبيقات ركوب الدراجات في الهواء الطلق)
4.  ضمان دورة حياة البطارية:هل يضمن المورّد ≥2000 دورة تشغيل مع احتفاظ ≥80% من السعة؟ هل هذا موثق في العرض؟
5.  تم التحقق من تصنيفات IP و IK:هل تم تصنيف وحدة الإضاءة وعلبة البطارية وفقًا لمعياري IP65 و IK08 كحد أدنى وفقًا لمعياري IEC 60529 و EN 62262؟
6.  كفاءة السائق:هل كفاءة مشغل LED ≥ 92% عند الحمل المقنن، مع معامل قدرة ≥ 0.95؟
7.  صيانة الإضاءة: هل تتطلب المواصفات L70 ≥ 50,000 ساعة لكل بيانات IES LM-80؟
8.  تم تعريف منطق التعتيم الذكي: هل تم تحديد جدول التعتيم (على سبيل المثال، 100% من الساعة 18:00 إلى 23:00، 50% من الساعة 23:00 إلى 05:00) في العقد؟
9.  شروط الضمان: هل تم ذكر ضمانات الألواح (≥10 سنوات)، والبطاريات (≥5 سنوات)، ووحدات الإضاءة (≥5 سنوات) بشكل منفصل؟
10.  تم تقديم نموذج التكلفة الإجمالية للملكية:هل يُطلب من مقدم العطاء تقديم نموذج تكلفة دورة حياة لمدة 15 عامًا كجزء من العرض الفني؟

الاستنتاج

عندما يشمل المشروع ممرات طرق تبعد أكثر من 300-500 متر عن نقطة ربط الشبكة الحالية، أو عندما تتجاوز تعريفات الكهرباء المحلية 0.10 دولار/كيلوواط ساعة مع اتجاه تصاعدي، فإن إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية عادةً ما توفر تكلفة إجمالية أقل على مدى 15 عامًا مقارنةً بالبدائل المتصلة بالشبكة - حتى مع الأخذ في الاعتبار استبدال البطاريات. ويتم استرداد تكلفة رأس المال الإضافية لأنظمة الطاقة الشمسية عمومًا في غضون 5-8 سنوات من خلال توفير تكاليف الطاقة والبنية التحتية.

بالنسبة للمشاريع الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية والتي تتمتع ببنية تحتية شبكية قائمة بالفعل، يتغير التحليل: قد تحتفظ الأنظمة المتصلة بالشبكة بميزة التكلفة، وينبغي أن يستند القرار إلى نموذج التكلفة الإجمالية للملكية الخاص بالموقع بدلاً من القواعد العامة. يوفر الإطار المعروض هنا منهجية قابلة للتكرار يمكن لمديري المشتريات تكييفها مع الظروف المحلية.

إذا كنت بحاجة إلى نظام إضاءة LED خارجي التكوين تقييم مصمم خصيصًا لموارد الطاقة الشمسية لمشروعك، وملف تعريف الحمل، وهيكل الميزانية، إنفرالومينيتوفر فريق فني لتقديم تحليل مخصص.

المراجع

1. إيرينا · تكاليف توليد الطاقة المتجددة 2023 · 2024 · queen.org
2. IEA <ص> · <ص>توقعات الطاقة العالمية 2023 · 2023 · iea.org
3. البنك الدولي ESMAP · تقرير اتجاهات سوق الطاقة الشمسية خارج الشبكة 2022 · 2022 · esmap.org
4. قوة ناسا · أداة الوصول إلى بيانات المناخ (الإشعاع الشمسي السطحي، ارتفاع مستوى سطح البحر حسب الموقع) · power.larc.nasa.gov
5. PVGIS · مركز الأبحاث المشترك التابع للمفوضية الأوروبية، نظام المعلومات الجغرافية الكهروضوئية · re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools
6. إرشادات مرجعية أكاديمية/معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات · تحليل دورة حياة بطارية LiFePO₄ للتطبيقات الثابتة والخارجية · دراسات متعددة، 2019-2022 (Google Scholar: "LiFePO₄ cycle life outdoor storage")
7. IEC 62133 متطلبات السلامة للخلايا والبطاريات الثانوية المحمولة المغلقة · اللجنة الكهروتقنية الدولية
8. IEC 61427 · الخلايا والبطاريات الثانوية لأنظمة الطاقة الكهروضوئية · اللجنة الكهروتقنية الدولية
9. EN 13201 · معيار إضاءة الطرق · اللجنة الأوروبية للتوحيد القياسي
10. IEC 60598 / IEC 60529 · تصميم وحدات الإضاءة وتصنيف درجة الحماية IP · اللجنة الكهروتقنية الدولية