ما هي إيجابيات وسلبيات مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية الكل في واحد مقابل مصابيح الشوارع الشمسية المنفصلة؟

كيف تعمل مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية الكل في واحد؟

ان الكل في واحد ضوء الشارع الشمسية يدمج أربعة مكونات أساسية في هيكل واحد مغلق: لوحة كهروضوئية أحادية أو متعددة البلورات (PV) مثبتة على الوجه العلوي للوحدة، وفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) أو حزمة بطارية ليثيوم بوليمر محاطة داخل الهيكل، ووحدة إضاءة LED عالية الكفاءة على الجانب السفلي، ونظام إدارة الشحن والتفريغ القائم على متحكم دقيق والذي يحكم تدفق الطاقة بالكامل من اللوحة إلى البطارية إلى مخرج LED. تعني هذه البنية المتكاملة أن النظام الكامل يتم تجميعه في المصنع، واختباره كوحدة، ويصل إلى موقع التثبيت جاهزًا للتركيب على عمود دون أي أسلاك ميدانية بين المكونات.

تدفق الطاقة الداخلية لوحدة الكل في واحد

خلال ساعات النهار، تقوم اللوحة الكهروضوئية المدمجة بتحويل الإشعاع الشمسي إلى تيار كهربائي مباشر. تطبق وحدة التحكم في الشحن داخل الوحدة خوارزميات تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) لاستخراج الحد الأقصى من الطاقة المتاحة من اللوحة في كل لحظة من اليوم، وضبط نقطة التشغيل الكهربائية للوحة مع تغير الإشعاع ودرجة حرارة اللوحة على مدار اليوم. تستخرج وحدات التحكم بالشحن MPPT طاقة أكثر بنسبة 10 إلى 30 بالمائة من الألواح الشمسية مقارنةً بوحدات التحكم البسيطة بوم (تعديل عرض النبض) في ظل ظروف العالم الحقيقي المتمثلة في التظليل الجزئي وتغير درجات الحرارة، وتعمل ميزة الكفاءة هذه على تمديد ساعات التشغيل الفعالة للبطارية في كل دورة شحن.

الطاقة المجمعة تشحن البطارية الداخلية. تعد كيمياء LiFePO4 هي المعيار الحالي لجودة المصابيح الشمسية الكل في واحد لأنها تجمع بين دورة حياة تتراوح من 2000 إلى 3000 دورة شحن وتفريغ كاملة (أي ما يعادل 5 إلى 8 سنوات من ركوب الدراجات يوميًا) مع الاستقرار الكيميائي الذي يقلل بشكل كبير من مخاطر الحريق المرتبطة بكيمياء بطاريات الليثيوم الأخرى. تقوم وحدة التحكم بالشحن بمراقبة حالة شحن البطارية وتطبيق ملف الشحن الصحيح متعدد المراحل (السائب، والامتصاص، والتعويم) لزيادة عمر البطارية إلى أقصى حد، ومنع الشحن الزائد الذي يسبب تدهور بطارية الليثيوم والتفريغ العميق الذي يقلل من السعة بشكل دائم.

عند الغسق، يقوم مستشعر الضوء الداخلي أو المؤقت بتنشيط وحدة LED. يقوم جهاز التحكم الدقيق بإدارة طاقة خرج LED، مع تطبيق جدول التعتيم المبرمج الذي يوازن بين متطلبات الإضاءة والحفاظ على طاقة البطارية. قد يقوم الجدول الزمني المبرمج النموذجي بتشغيل مؤشر LED بمعدل 100 بالمائة من الغسق حتى منتصف الليل، وتقليل الإخراج إلى 50 بالمائة من منتصف الليل إلى 4:00 صباحًا (عندما تكون حركة المشاة والمركبات في أدنى مستوياتها)، واستعادة خرج 100 بالمائة من 4:00 صباحًا حتى الفجر. يمكن لإدارة المخرجات التكيفية هذه تمديد ساعات التشغيل القابلة للتحقيق بنسبة 30 إلى 50 بالمائة مقارنة بتشغيل الإخراج الكامل المستمر، وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على الإضاءة الكافية خلال الأيام الملبدة بالغيوم المتتالية عندما لا تتمكن البطارية من إعادة الشحن بالكامل بين دورات التشغيل.

كشف الحركة والتحكم الذكي في وحدات الكل في واحد

تشتمل العديد من مصابيح الشوارع الشمسية الكل في واحد من الجيل الحالي على مستشعرات حركة تعمل بالأشعة تحت الحمراء السلبية (PIR) أو الموجات الدقيقة التي تؤدي إلى إخراج سطوع كامل عند اكتشاف الحركة ضمن نطاق المستشعر، عادةً من 5 إلى 12 مترًا، وتعود إلى مستوى إخراج الاستعداد بنسبة 10 إلى 30 بالمائة عند عدم وجود حركة. يمكن أن يؤدي التعتيم المنشط بالحركة إلى تقليل إجمالي استهلاك الطاقة ليلاً بنسبة 40 إلى 60 بالمائة مقارنة بتشغيل السطوع الكامل المستمر، مما يزيد بشكل مباشر من استقلالية النسخ الاحتياطي من 3 أيام قياسية إلى 5 أيام أو أكثر من تشغيل الطقس الغائم المتتالي. تعد هذه ميزة قيمة بشكل خاص في تطبيقات مثل مواقف السيارات والممرات البعيدة وطرق الوصول الصناعية حيث تكون حركة المرور متقطعة ويتم تشغيل متطلبات السلامة للإضاءة الكاملة السطوع من خلال التواجد الفعلي بدلاً من الحاجة إليها بشكل مستمر طوال الليل.

ما هي فوائد مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية من النوع المنفصل؟

نوع سبليت أضواء الشوارع بالطاقة الشمسية افصل اللوحة الشمسية عن وحدة الإضاءة والبطارية، وقم بتركيب اللوحة على ذراع أو دعامة منفصلة في أعلى العمود أو على سطح قريب أو سطح مرتفع، وقم بتوصيلها برأس الضوء وحاوية البطارية عبر كابل مقاوم للماء. هذه البنية المنفصلة ماديًا ليست مجرد تقنية قديمة تحل محلها تصميمات الكل في واحد؛ إنه التكوين المفضل للتطبيقات كثيرة المتطلبات حيث تكون لطاقة الإخراج أو مرونة التثبيت أو إمكانية الخدمة على المدى الطويل الأولوية على بساطة التثبيت.

إنتاج طاقة أعلى ومرونة في تغيير حجم اللوحة

الميزة العملية الأكثر أهمية للهندسة المعمارية من النوع المنفصل هي أن اللوحة الشمسية ليست مقيدة بالبصمة المادية لرأس الضوء. في وحدة الكل في واحد، تقتصر الألواح الكهروضوئية على مساحة سطح الوجه العلوي للتركيبات، وعادةً ما تنتج الألواح في حدود 20 إلى 60 واط للتركيبات السكنية والمسارات المدمجة، وما يصل إلى 100 واط لأضواء الشوارع الأكبر حجمًا. يمكن للأنظمة المنفصلة استخدام لوحات من أي حجم تم تصنيفها وفقًا لوحدة التحكم في الشحن ومواصفات البطارية، مع لوحات من 100 إلى 300 واط مقترنة عادةً بتركيبات إضاءة الشوارع عالية الإخراج لتطبيقات إضاءة الطرق التي تتطلب 80 إلى 150 واط من مخرجات LED.

يمكن لمصباح الشارع الشمسي من النوع المنفصل مع لوحة 200 واط، وبطارية LiFePO4 بقدرة 100 أمبير في الساعة، ومثبت LED بقدرة 80 وات أن يوفر من 8 إلى 10 ساعات من الإضاءة الكاملة لكل ليلة في المواقع التي تستقبل 4 إلى 5 ساعات ذروة من الشمس يوميًا، مما يوفر مستويات الإضاءة المطلوبة لتطبيقات الطرق والطرق السريعة الرئيسية. لا يمكن تحقيق مستوى الأداء هذا من خلال تصميمات الكل في واحد في شكلها الحالي، مما يجعل النوع المنفصل هو خيار الطاقة الشمسية الوحيد القابل للتطبيق لتطبيقات إضاءة الطرق عالية الإنتاج في معظم المواقع.

أداء حراري أفضل للبطارية

في ضوء الشمس الكل في واحد، يتم وضع البطارية داخل نفس حاوية اللوحة الكهروضوئية، والتي تسخن بشكل ملحوظ خلال فترات ذروة الإشعاع الشمسي. تتعرض بطاريات الليثيوم لدرجات حرارة مرتفعة لتدهور متسارع في قدرتها؛ يؤدي التشغيل عند 45 درجة مئوية إلى تقليل عمر دورة بطارية LiFePO4 بنسبة 20 إلى 30 بالمائة تقريبًا مقارنة بالتشغيل عند 25 درجة مئوية، كما أن التعرض لفترات طويلة فوق 60 درجة مئوية يؤدي إلى فقدان دائم للقدرة لا يمكن استعادته.

تسمح التصميمات من النوع المنفصل بتركيب البطارية بشكل منفصل عن اللوحة، عادةً في حاوية جيدة التهوية عند قاعدة العمود أو تحت الأرض، حيث تكون معزولة عن الحرارة التي تولدها اللوحة خلال فترة ذروة الشحن. يحافظ هذا الفصل الحراري على البطارية عند درجات حرارة تشغيل منخفضة، مما يطيل عمر الدورة الفعالة بهامش قابل للقياس في المناخات الحارة. في المناطق الاستوائية والقاحلة حيث تتجاوز درجات الحرارة المحيطة بانتظام 35 درجة مئوية، يمكن لميزة الإدارة الحرارية لحاوية البطارية من النوع المقسم ذات الموقع الجيد أن تطيل عمر خدمة البطارية بنسبة 20 إلى 40 بالمائة مقارنة بما يعادلها في وحدة واحدة في نفس الموقع.

استقلالية توجيه اللوحة

ان all in one solar light must be aimed with its panel facing the equator (south facing in the northern hemisphere, north facing in the southern hemisphere) to maximize solar capture, which simultaneously determines the direction the light fixture faces and points. On roads and paths that run in directions other than east west, this creates a conflict between optimal panel orientation and the required illumination direction, forcing a compromise that reduces either the panel's solar harvest or the fixture's illumination coverage.

تقوم أنظمة النوع المقسم بفصل اتجاه اللوحة تمامًا عن اتجاه توجيه التثبيت، لأن اللوحة ورأس الضوء عبارة عن مكونات مادية منفصلة متصلة بواسطة كابل. يمكن توجيه اللوحة بالزاوية المثالية لحصاد الطاقة الشمسية بغض النظر عن اتجاه الطريق أو المسار، بينما تهدف وحدة الإضاءة إلى توفير نمط الإضاءة المطلوب. تعتبر هذه المرونة ذات قيمة خاصة على الطرق الشمالية الجنوبية في مواقع خطوط العرض المرتفعة، حيث يمكن أن يؤدي التنازل عن الاتجاه الأمثل للوحة في وحدة الكل في واحد إلى تقليل التقاط الطاقة الشمسية بنسبة 15 إلى 30 بالمائة مقارنة بلوحة من النوع المقسم الموجهة بشكل صحيح في نفس الموقع.

استبدال وصيانة أسهل للمكونات

في مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية من النوع المنفصل، تكون اللوحة والبطارية وجهاز التحكم بالشحن وتركيبات LED مكونات منفصلة وقابلة للاستبدال بشكل فردي. عندما تصل البطارية إلى نهاية عمر الخدمة بعد 5 إلى 8 سنوات من التشغيل، يمكن استبدالها دون الإضرار باللوحة أو وحدة الإضاءة، وبجزء بسيط من تكلفة استبدال الوحدة المدمجة بأكملها. وبالمثل، إذا تدهورت تجهيزات LED أو تعطلت وحدة التحكم في الشحن، فيمكن استبدال هذا المكون المحدد دون الحاجة إلى إزالة العمود أو استبدال أجزاء أخرى قابلة للخدمة بالكامل من النظام.

وحدات الكل في واحد، على الرغم من سهولة تركيبها في البداية، إلا أنها تمثل حالات صيانة أكثر تعقيدًا عند فشل المكونات الفردية. تتطلب العديد من تصميمات الكل في واحد إزالة الرأس بالكامل من العمود لأي وصول إلى الخدمة، وفي بعض التصميمات يتم دمج البطارية بطريقة تجعل الاستبدال الميداني صعبًا بدون أدوات متخصصة. تصبح ميزة قابلية الخدمة للتصميمات من النوع المقسم ذات أهمية متزايدة مع تقدم عمر التركيبات بعد دورة استبدال البطارية الأولى، وبالنسبة لمديري الأساطيل الذين يحتفظون بأعداد كبيرة من الأضواء على مدى عمر أصول يتراوح من 15 إلى 20 عامًا، فإن التكلفة الإجمالية المنخفضة للملكية من الصيانة على مستوى المكونات قد تفوق تعقيد التثبيت الأولي العالي لأنظمة النوع المقسم.

الكل في واحد مقابل مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية من النوع المنفصل: مقارنة مباشرة

يتم تحديد القرار بين مصابيح الشوارع الشمسية الكل في واحد والنوع المنفصل من خلال مطابقة نقاط القوة والقيود لكل بنية مع المتطلبات المحددة للتركيب. يلخص الجدول التالي الاختلافات الرئيسية عبر العوامل ذات الصلة بالقرار.

أضواء الحدائق الشمسية: اعتبارات التصميم ونطاق التطبيق

أضواء الحديقة الشمسية تشغل الطرف السفلي من طيف الإضاءة الشمسية، المصمم للإضاءة الزخرفية والممرات في الحدائق السكنية والمتنزهات وأراضي الفنادق وإعدادات المناظر الطبيعية حيث يكون الطابع الجمالي للتركيبات لا يقل أهمية عن ناتج الإضاءة الوظيفية. تتبع مبادئ التكنولوجيا والتصميم التي تحكم مصابيح الحدائق الشمسية نفس الأساسيات التي تتبعها مصابيح الشوارع الشمسية الكبيرة، ولكن سياق التطبيق يقدم متطلبات تصميم محددة حول الجماليات ومستويات الإخراج وبساطة التثبيت التي تميز فئة المنتج هذه.

مستويات الإخراج والغرض من الإضاءة

لم يتم تصميم مصابيح الحدائق الشمسية لتحقيق مستويات الإضاءة المطلوبة لإضاءة سلامة الطرق أو المشاة؛ والغرض منها هو تحديد المسارات، وإنشاء أجواء بصرية، وتحديد ميزات المناظر الطبيعية، وتوفير ما يكفي من الضوء لتحديد مسارات الحديقة والتنقل فيها بأمان. تتراوح المخرجات النموذجية من 50 إلى 500 لومن لأضواء المسار المثبتة على الوتد، ومن 500 إلى 2000 لومن لفوانيس الحديقة المثبتة على العمود، وما يصل إلى 3000 إلى 5000 لومن للأضواء الكاشفة الشمسية المستخدمة لأمن الحديقة وإضاءة الميزات. للمقارنة، يوفر مصباح الشارع LED بقدرة 12 وات المصمم لسلامة مسار المشاة ما يقرب من 1200 إلى 1500 لومن، وهو ما يمثل الحد الأدنى لإضاءة السلامة الوظيفية بدلاً من الإضاءة الزخرفية التي تستهدفها معظم منتجات مصابيح الحدائق الشمسية.

تعد درجة حرارة اللون من المواصفات المهمة لأضواء الحدائق الشمسية، حيث أن الطابع البصري للإضاءة يحدد ما إذا كان الضوء يساهم في أجواء المناظر الطبيعية التي يبحث عنها المصمم أم ينتقص منها. تنتج المخرجات البيضاء الدافئة في نطاق 2700 إلى 3000 كلفن ضوءًا ناعمًا وجذابًا يكمل زراعة الحدائق والميزات المعمارية؛ تنتج المخرجات البيضاء الباردة التي تزيد عن 5000 كلفن ضوءًا سريريًا قاسيًا غير مناسب بشكل عام لتطبيقات الحدائق السكنية على الرغم من أنه قد يتم تحديده للأضواء الكاشفة الأمنية حيث تدعم الإضاءة الواضحة وعالية التباين تصوير الكاميرا وتحديد التهديد البصري.

تحديد حجم البطارية لتطبيقات إضاءة الحديقة

تستخدم مصابيح الحدائق الشمسية مجموعات من الألواح والبطاريات أصغر حجمًا من مصابيح الشوارع، والتي تتناسب مع متطلبات الإنتاج الأقل. قد يستخدم ضوء الحديقة المثبت على حصة 200 لومن لوحة 2 واط وبطارية هيدريد معدن النيكل (NiMH) أو بطارية ليثيوم بوليمر بقدرة 1,200 مللي أمبير في الساعة، مما يوفر من 6 إلى 8 ساعات من التشغيل في الليلة من يوم واحد من الشحن الكامل للشمس. تستخدم مصابيح الحدائق ذات الجودة العالية بطاريات LiFePO4 لدورة حياتها الفائقة وتحملها العميق للتفريغ، لكن NiMH وبوليمر الليثيوم يظلان شائعين في المنتجات ذات القيمة حيث يتم إعطاء الأولوية للتكلفة الأولية على طول العمر.

إن سعة البطارية الصغيرة لمعظم مصابيح الحدائق الشمسية تعني أنها أكثر حساسية للأيام الغائمة المتتالية من مصابيح الشوارع الشمسية الكبيرة ذات سعة تخزين البطارية ذات الأبعاد. يتطلب ضوء الحديقة المصمم لمدة 3 أيام من الاستقلالية الاحتياطية سعة بطارية تقارب ثلاثة أضعاف استهلاك الطاقة اليومي؛ توفر معظم مصابيح الحدائق ذات الميزانية المحدودة 1 إلى 1.5 يومًا فقط من النسخ الاحتياطي، مما يعني أنه بعد يومين متتاليين ملبدين بالغيوم، قد لا يعمل الضوء طوال الليل أو قد ينتج عنه انخفاض ملحوظ في الإخراج. يجب على المشترين الذين يبحثون عن إضاءة موثوقة للحديقة على مدار العام، بما في ذلك أشهر الشتاء مع انخفاض الإشعاع الشمسي والليالي الطويلة، اختيار مصابيح حديقة ذات استقلالية احتياطية محددة لمدة 3 أيام على الأقل والتحقق من هذه المواصفات مقابل ساعات الإنتاج اليومية وسلوك التعتيم المذكور في وثائق المنتج.

كيفية تركيب مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية لتحقيق أقصى قدر من الأداء؟

يتم تحديد أداء نظام إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية طوال فترة خدمته من خلال جودة التثبيت واختيار الموقع بقدر ما يتم تحديده من خلال مواصفات المعدات نفسها. إن الضوء الشمسي ذو المواصفات العالية المثبت مع اتجاه لوحة دون المستوى الأمثل، في مكان مظلل، أو على عمود ذو أبعاد غير كافية سوف يؤدي باستمرار إلى أداء أقل من الضوء المحدد بشكل أكثر تواضعًا والمثبت بشكل صحيح في الموقع الصحيح. تغطي إرشادات التثبيت التالية القرارات والإجراءات الحاسمة التي تحدد أداء النظام على المدى الطويل.

تقييم الموقع وتحليل التظليل

قبل اختيار المعدات أو البدء في التثبيت، قم بتقييم كل موقع إضاءة مقترح للوصول إلى الطاقة الشمسية على مدار العام. والسؤال الحاسم هو ما إذا كانت الألواح الكهروضوئية ستتلقى ضوء الشمس دون عائق خلال ساعات الذروة الشمسية من 9:00 صباحًا إلى 3:00 مساءً طوال العام، بما في ذلك أشهر الشتاء عندما تتبع الشمس قوسًا أقل عبر السماء وتكون الظلال من المباني والأشجار والأعمدة الأخرى أطول بكثير مما كانت عليه في الصيف.

التظليل الجزئي حتى لمنطقة صغيرة من اللوحة الكهروضوئية يمكن أن يقلل بشكل غير متناسب من إجمالي الناتج بسبب بنية الخلية المتصلة المتسلسلة المستخدمة في معظم الألواح الشمسية: يؤدي تظليل خلية واحدة في سلسلة إلى تقليل الإخراج الحالي لجميع الخلايا في تلك السلسلة، وليس فقط الخلية المظللة. يمكن أن يؤدي الظل الذي يغطي 10 بالمائة من مساحة اللوحة إلى تقليل إجمالي إخراج اللوحة بنسبة 30 إلى 50 بالمائة اعتمادًا على الخلايا المتأثرة. الأشجار التي تظهر وكأنها تنظف اللوحة خلال زيارات الموقع الصيفية قد تلقي بظلال كبيرة خلال فصل الشتاء بسبب زاوية الشمس المنخفضة؛ استخدم أداة تحليل مسار الطاقة الشمسية أو بيانات موقع الشمس لخط عرض التثبيت للتحقق من الوصول إلى الطاقة الشمسية عند الانقلاب الشتوي وكذلك في زيارة التقييم الصيفية.

إذا لم يكن من الممكن تجنب الظل من الأشجار أو الهياكل الموجودة في الموقع المقترح، فقم إما بنقل الضوء إلى موضع يوفر وصولاً أفضل لأشعة الشمس، أو بالنسبة للأنظمة من النوع المقسم، قم بتركيب اللوحة بشكل منفصل على حامل أو موضع صاري مرتفع يزيل مصدر الظل مع الحفاظ على وحدة الإضاءة في موقع الإضاءة المطلوب.

اتجاه اللوحة وزاوية الميل

بالنسبة للمصابيح الشمسية الكل في واحد، يتم تحديد اتجاه اللوحة من خلال الاتجاه الذي تواجهه التركيبات أثناء التثبيت. ضع الجهاز بحيث تواجه اللوحة مباشرة نحو خط الاستواء (جنوبًا في نصف الكرة الشمالي عند خطوط العرض فوق المناطق الاستوائية، وشمالًا في نصف الكرة الجنوبي) بقدر ما تسمح به محاذاة الطريق والقطب. الانحرافات عن اتجاه خط الاستواء تقلل من الحصاد الشمسي السنوي؛ يؤدي الانحراف بمقدار 45 درجة عن السمت الأمثل إلى تقليل إنتاج الطاقة السنوي بحوالي 10 إلى 15 بالمائة في معظم المواقع، بينما يؤدي الانحراف بمقدار 90 درجة (اللوحة التي تواجه الشرق أو الغرب) إلى تقليل الإنتاج بنسبة 20 إلى 30 بالمائة.

تختلف زاوية الميل المثالية للوحة بالنسبة للأفقي باختلاف خط عرض التثبيت. تعمل زاوية الميل المساوية لخط عرض الموقع على زيادة إنتاج الطاقة السنوي إلى الحد الأقصى؛ عند خط عرض 30 درجة، يكون الميل 30 درجة هو الأمثل، بينما عند خط عرض 50 درجة، يكون الميل 50 درجة هو الأمثل. بالنسبة للتركيبات في المواقع التي تتلقى أمطارًا كبيرة، يوصى بحد أدنى لزاوية الميل تتراوح من 10 إلى 15 درجة من المستوى الأفقي للسماح للمطر بغسل الغبار والحطام من سطح اللوحة، والحفاظ على إخراج اللوحة بالقرب من مواصفات سطحها النظيف. تتراكم الغبار وفضلات الطيور في الألواح المسطحة، الأمر الذي يمكن أن يقلل الإنتاج بنسبة 5 إلى 20 بالمائة سنويًا بدون تنظيف فعال.

ارتفاع القطب ومتطلبات ارتفاع التركيب

يحدد ارتفاع التركيب لجهاز الإضاءة المنطقة المضيئة أسفل الضوء ومستوى الإضاءة الذي يتم تحقيقه عند مستوى الأرض. ويرتبط النهج القياسي لتحديد ارتفاع التركيب المطلوب بعرض الطريق أو عرض المسار الذي تتم إضاءته: بالنسبة لإضاءة الطريق، يوفر ارتفاع التثبيت من 0.8 إلى 1.2 مرة عرض الطريق توزيعًا متوازنًا للإضاءة عبر سطح الطريق. بالنسبة لطريق سكني بعرض 6 أمتار، يكون ارتفاع التركيب من 5 إلى 7 أمتار مناسبًا؛ بالنسبة لطريق تجميعي بعرض 10 إلى 12 مترًا، يلزم ارتفاع التركيب من 8 إلى 10 أمتار.

بالنسبة للمصابيح الشمسية من النوع المنفصل حيث يتم تركيب اللوحة في الجزء العلوي من العمود، يجب أن تأخذ المواصفات الهيكلية للعمود في الاعتبار حمل الرياح الذي يفرضه سطح اللوحة الكبيرة. تبلغ مساحة اللوحة الشمسية بقدرة 200 واط حوالي 1.6 متر مربع؛ عند سرعة رياح تبلغ 120 كيلومترًا في الساعة (33 مترًا في الثانية)، تقدم هذه اللوحة حمولة رياح تتراوح ما بين 450 إلى 550 نيوتن تقريبًا على اللوحة، مما ينتج لحظة انحناء كبيرة في قاعدة العمود والتي يجب أن تنعكس في سمك جدار العمود وتصميم مسمار تثبيت الأساس. راجع بيانات حمل الرياح الخاصة بالشركة المصنعة للوحة واستخدم مهندسًا إنشائيًا مؤهلًا للتحقق من مواصفات العمود والأساس لتركيبات الألواح الكبيرة في المناطق المعرضة للرياح القوية أو الأعاصير الاستوائية.

إجراءات التثبيت لجميع مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية

1. إعداد الأساس: قم بحفر أساس العمود إلى العمق المحدد (عادةً من 600 إلى 1000 ملم اعتمادًا على ارتفاع العمود ونوع التربة) وقم بضبط قفص مسمار التثبيت مع محاذاة البراغي لنمط شفة التثبيت. صب الخرسانة وفقًا لمواصفات الأساس واتركها حتى تصلب بالكامل (7 أيام على الأقل للخليط الخرساني القياسي) قبل تطبيق أحمال الأعمدة والتركيبات.
2. انتصاب القطب: ارفع العمود على مسامير تثبيت الأساس وثبته بالصواميل والغسالات المحددة. التحقق من المحاذاة الراسية في اتجاهين متعامدين قبل الربط النهائي؛ سيؤدي القطب غير العمودي إلى توجيه اللوحة الموجودة في وحدة الكل في واحد بعيدًا عن الاتجاه الشمسي الأمثل وسيؤثر على نمط توزيع الإضاءة للتركيب.
3. تركيب لاعبا اساسيا والتوجيه: قم بتوصيل الجهاز المتكامل بذراع التثبيت على العمود وقم بتوجيه وجه اللوحة نحو خط الاستواء بقدر ما تسمح به محاذاة الطريق. قم بتأمين جميع أدوات التثبيت على قيم عزم الدوران المحددة لمنع الارتخاء تحت الاهتزاز الناجم عن الرياح طوال فترة خدمة التثبيت.
4. برمجة وحدة التحكم: استخدم تطبيق الشركة المصنعة أو جهاز التحكم عن بعد لبرمجة جدول التشغيل ومستويات التعتيم وحساسية مستشعر الحركة قبل تشغيل الضوء. تحقق من أن جدول التشغيل يطابق مواصفات المشروع، وخاصة فترات التعتيم وأي تعديلات على أساس الوقت مطلوبة للتغير الموسمي في طول الليل عند خط عرض التثبيت.
5. التحقق من التكليف: بعد أول يوم كامل من الشحن بالطاقة الشمسية بعد التثبيت، تأكد من تنشيط الضوء في الوقت الصحيح عند الغسق، ويعمل على مستويات الإخراج المبرمجة، ويتم إلغاء تنشيطه بشكل صحيح عند الفجر. تأكد من أن مستشعر الحركة (في حالة تركيبه) يستجيب ضمن نطاق الكشف المحدد وأن استجابة التعتيم تعمل كما هو مبرمج.

خطوات التثبيت المحددة لأضواء الشوارع بالطاقة الشمسية من النوع المنفصل

تتبع التركيبات من النوع المقسم نفس إجراءات تركيب الأساس والعمود كما هو الحال في الأنظمة كلها في نظام واحد، ولكنها تضيف الخطوات المحددة التالية للمكونات:

• تركيب قوس اللوحة: قم بتركيب دعامة اللوحة في الجزء العلوي من العمود قبل تركيب العمود، حيث أن العمل على ارتفاع يكون أسهل وأكثر أمانًا عندما يكون العمود أفقيًا. اضبط زاوية إمالة اللوحة على الدعامة على القيمة المناسبة لخط عرض الموقع باستخدام ضبط الإمالة المتدرج على ذراع الدعامة قبل التثبيت النهائي.
• توجيه الكابل الداخلي: قم بتوجيه جميع كابلات التوصيل من حامل اللوحة إلى البطارية وجهاز التحكم بالشحن من خلال القناة الداخلية للعمود. قم بتغذية الكابل قبل تركيب العمود؛ يعد تغذية الكابل من خلال عمود منتصب أكثر صعوبة بشكل ملحوظ. استخدم كابلًا مصنفًا خصيصًا للتعرض للأشعة فوق البنفسجية في الهواء الطلق عند جميع مسارات الكابلات الخارجية.
• تركيب حجرة البطارية: قم بتركيب البطارية ووحدة التحكم في الشحن في العلبة المقاومة للعوامل الجوية عند قاعدة العمود أو في موقع التثبيت المحدد. تأكد من إغلاق جميع مداخل الكابلات في العلبة باستخدام غدد الكابلات ذات التصنيف المناسب لمنع دخول الرطوبة التي قد تؤدي إلى تآكل أطراف البطارية وإلكترونيات وحدة التحكم في الشحن.
• تسلسل الاتصال: قم بتوصيل المكونات بالتسلسل الصحيح: قم بتوصيل البطارية بوحدة التحكم بالشحن أولاً، ثم اللوحة الكهروضوئية، ثم الحمل (تركيبة LED). قد يؤدي توصيل اللوحة الكهروضوئية قبل توصيل البطارية بوحدة التحكم إلى إتلاف مدخلات وحدة التحكم بالشحن غير المحمية في ظروف الإشعاع العالية.

كيف تختار أفضل إضاءة للشوارع بالطاقة الشمسية لمشروعك؟

يتطلب اختيار النظام الأمثل لإضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية لمشروع معين تقييمًا منظمًا ينتقل من متطلبات الإضاءة الأساسية للتطبيق إلى القيود العملية لبيئة التثبيت وميزانية المشروع وموارد الصيانة المتاحة. يتناول إطار القرار التالي هذه العوامل بتسلسل منطقي ينتج عنه مواصفات يمكن الدفاع عنها لأي تطبيق لإضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية.

الخطوة 1: تحديد متطلبات الإضاءة

ابدأ بمعيار الإضاءة الذي يجب أن يفي به التثبيت. تحدد المعايير الوطنية والدولية الحد الأدنى من متطلبات الإضاءة والتوحيد لمختلف فئات الطرق والمسارات؛ في العديد من الولايات القضائية، يتم نشر المعايير ذات الصلة من قبل هيئة المعايير الوطنية أو هيئة الطرق. تتراوح أهداف الإضاءة النموذجية من 5 إلى 10 لوكس متوسط ​​الإضاءة الأفقية لممرات المشاة السكنية ومسارات الحدائق، و10 إلى 20 لوكس للشوارع السكنية، و20 إلى 30 لوكس للطرق الجماعية، و30 إلى 50 لوكس للطرق الشريانية والتقاطعات الرئيسية. يعد اختيار مواصفات خرج الضوء التي تلبي هدف الإضاءة عند ارتفاع التركيب المقترح والتباعد هو أول قيد فني على اختيار المعدات.

الخطوة 2: تقييم مورد الطاقة الشمسية في موقع التثبيت

تحدد الطاقة الشمسية المتاحة أحجام اللوحة والبطارية اللازمة لتوفير ساعات التشغيل المطلوبة في الليلة عبر الدورة السنوية الكاملة بما في ذلك أشهر الشتاء في أسوأ الحالات. استخدم قاعدة بيانات NASA POWER، أو الأطلس الشمسي العالمي، أو أداة PVGIS للعثور على المتوسط ​​الشهري للإشعاع الشمسي اليومي (معبرًا عنه بساعات الذروة للشمس يوميًا) عند خطي العرض وخط الطول للمشروع لكل شهر من أشهر السنة. تصميم الإضاءة الشمسية نظام لمتوسط الإشعاع الشهري في أسوأ شهر (عادةً ديسمبر أو يناير في مواقع خطوط العرض الوسطى في نصف الكرة الشمالي)، حيث أن هذه هي الفترة التي يكون فيها وقت إعادة شحن البطارية أقصر ووقت التشغيل الليلي أطول، مما يخلق أكبر تحدي لتوازن الطاقة بالنسبة للنظام.

يمكن للموقع الذي يستقبل 3 ساعات ذروة شمس يوميًا في أسوأ شهر (كما هو معتاد في العديد من مواقع شمال أوروبا وشمال الولايات المتحدة في ديسمبر) إعادة شحن 60 بالمائة فقط من الطاقة المتاحة من موقع يتلقى 5 ساعات ذروة شمس يوميًا في أسوأ شهر (نموذجي لمواقع الشرق الأوسط وجنوب آسيا وجنوب الصحراء الكبرى الإفريقية). يتطلب هذا الاختلاف في موارد الطاقة الشمسية إما ألواحًا أكبر، أو بطاريات أكبر، أو جداول تعتيم أكثر قوة، أو مزيجًا من الثلاثة للحفاظ على ساعات تشغيل ليلية مكافئة عبر هذه المواقع المختلفة.

الخطوة 3: اختر بين الكل في واحد والنوع المقسم بناءً على ملاءمة التطبيق

قم بتطبيق المقارنة المعمارية الملخصة في الجدول 1 على سياق المشروع المحدد لتحديد نوع النظام المناسب:

• اختر الكل في واحد للشوارع السكنية ومواقف السيارات وممرات المشاة ومسارات الحرم الجامعي ومنشآت الحدائق حيث تكون مخرجات LED تصل إلى 60 إلى 100 واط كافية، ولا يمتلك فريق التثبيت شهادة كهربائية لأعمال الأسلاك، أو النشر السريع مع الحد الأدنى من وقت التثبيت لكل وحدة هو الأولوية.
• اختر النوع المنفصل للطرق الرئيسية التي تتطلب 80 وات أو أكثر من مخرجات LED، والتركيبات في المناخات الحارة حيث تكون الإدارة الحرارية للبطارية أمرًا بالغ الأهمية، والمواقع التي يمتد فيها الطريق شمالًا وجنوبًا، ومن شأن التسوية الشاملة لتوجيه اللوحة الواحدة أن تقلل بشكل كبير من التقاط الطاقة الشمسية، أو المشاريع التي تكون فيها قابلية الخدمة لدورة حياة 15 إلى 20 عامًا لصيانة مستوى المكونات تبرر زيادة تعقيد التثبيت الأولي.

الخطوة 4: تقييم معلمات المواصفات الرئيسية

بمجرد تحديد نوع النظام، قم بتقييم المنتجات وفقًا لمعايير المواصفات التالية لتحديد خيارات الجودة الأعلى ضمن ميزانية المشروع:

الخطوة 5: التحقق من الضمان ودعم ما بعد البيع

تعد أنظمة إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية من أصول البنية التحتية طويلة الأمد، كما أن التزامات الضمان والدعم من الشركة المصنعة لا تقل أهمية عن المواصفات الأولية لنجاح المشروع. ابحث عن الحد الأدنى لمعايير الضمان التالية عند تقييم المنتجات لعمليات النشر المهمة:

• ضمان النظام الكامل: الحد الأدنى 3 سنوات، ويفضل 5 سنوات لتركيبات LED والإلكترونيات. لا يعد الضمان لمدة 3 سنوات على منتج يتمتع بعمر خدمة متوقع يتراوح بين 10 إلى 15 عامًا بمثابة تأييد قوي لثقة الشركة المصنعة في الموثوقية على المدى الطويل؛ تُفضل المنتجات التي تتمتع بضمان لمدة 5 سنوات من الشركات المصنعة التي تتمتع بسجل مسار تثبيت يمكن التحقق منه لتطبيقات البنية التحتية.
• ضمان سعة البطارية: يجب ضمان احتفاظ البطارية بما لا يقل عن 70 إلى 80 بالمائة من سعتها الأصلية لمدة 5 سنوات أو 1500 دورة (أيهما يأتي أولاً). يعالج هذا المقياس بشكل مباشر وضع الفشل الأكثر شيوعًا لأنظمة الإضاءة الشمسية: تلاشي سعة البطارية الذي يقلل ساعات التشغيل تدريجيًا خلال أول 3 إلى 5 سنوات من الخدمة حتى لا يوفر النظام إضاءة ليلية كاملة.
• ضمان طاقة الألواح الكهروضوئية: الممارسة الصناعية القياسية للألواح الشمسية هي ضمان المنتج لمدة 10 سنوات وضمان إنتاج الطاقة الخطية لمدة 25 عامًا مما يضمن الحد الأقصى لتدهور إنتاج الطاقة بنسبة 0.5 إلى 0.7 بالمائة سنويًا، ولا يتجاوز 20 بالمائة من إجمالي التدهور على مدار 25 عامًا. تأكد من أن ضمان اللوحة في منتج الإضاءة الشمسية يطابق هذا المعيار بدلاً من تقديم ضمان أقصر أو أقل تحديدًا لإخراج الطاقة.

إن إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية، سواء كانت في شكل وحدات مدمجة الكل في واحد لتطبيقات المسارات السكنية والتجارية، أو أنظمة من النوع المنفصل عالية الإنتاجية للبنية التحتية للطرق الرئيسية، أو أضواء الحدائق المزخرفة لإعدادات المناظر الطبيعية، تمثل بديلاً ناضجًا تقنيًا وقابل للتطبيق اقتصاديًا للإضاءة المتصلة بالشبكة عبر مجموعة واسعة جدًا من التطبيقات. توفر ممارسات الاختيار والتركيب والصيانة الموضحة في هذا الدليل الأساس لعمليات نشر الإضاءة الشمسية التي توفر أداءً موثوقًا طوال فترة الخدمة المصممة بالكامل، مما يزيد من العائد على الاستثمار في البنية التحتية وفوائد الاستدامة المتمثلة في القضاء على استهلاك طاقة الشبكة من الإضاءة الخارجية عبر البيئة المبنية.

صيانة مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية لضمان الموثوقية على المدى الطويل

غالبًا ما توصف مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية بأنها لا تحتاج إلى صيانة، وهو تبسيط مضلل. في حين أنها تلغي تكاليف الكهرباء المستمرة والعديد من مهام صيانة البنية التحتية الكهربائية للإضاءة المتصلة بالشبكة، إلا أنها تتطلب اهتمامًا دوريًا للحفاظ على أدائها المصمم عبر فترة خدمة تتراوح من 10 إلى 15 عامًا. يمنع برنامج الصيانة المنظم الذي يغطي اللوحة والبطارية وتركيبات LED والمكونات الميكانيكية التدهور التدريجي للأداء الذي يؤدي إلى عدم كفاية الإضاءة واستبدال النظام مبكرًا.

تنظيف وفحص الألواح الشمسية

يتراكم الغبار وفضلات الطيور وحبوب اللقاح وغيرها من الرواسب المحمولة جواً على سطح اللوحة ويقلل من انتقال الضوء إلى الخلايا الكهروضوئية. وجدت الدراسات التي أجريت على التركيبات الكهروضوئية الخارجية في البيئات القاحلة والحضرية أن اتساخ الألواح يمكن أن يقلل الإنتاج بنسبة 5 إلى 25 بالمائة خلال 3 أشهر من التنظيف في المواقع ذات الأمطار المنخفضة والغبار المرتفع. بالنسبة لأضواء الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية في البيئات المتربة مثل السهول الجافة والحواف الصحراوية وممرات الطرق غير المعبدة، فإن تنظيف سطح اللوحة كل 3 إلى 6 أشهر بقطعة قماش ناعمة ومياه نظيفة يستعيد الإنتاج الكامل وقد يطيل عمر خدمة البطارية عن طريق تقليل فترات الشحن غير الكامل الذي يساهم في تدهور السعة.

أثناء زيارات تنظيف اللوحة، افحص سطح اللوحة بحثًا عن الشقوق أو التصفيح أو تغير اللون في الطبقة المغلفة، وافحص إطار اللوحة وأقواس التثبيت بحثًا عن التآكل أو الارتخاء. إن اللوحة ذات التصفيح الداخلي المرئي أو تشقق الخلايا قد أدت إلى إضعاف الإخراج ومقاومة الطقس ويجب جدولة استبدالها في دورة الصيانة التالية حتى لو كان تدهور ناتجها الحالي يبدو بسيطًا، حيث يتسارع معدل التدهور بمجرد كسر ختم التغليف.

مراقبة صحة البطارية والتخطيط لاستبدالها

يعد تدهور سعة البطارية هو الاهتمام الأساسي لصيانة مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية لأنه يحدد ما إذا كان النظام يمكنه توفير الإضاءة الكاملة طوال الليل مع تقدم عمر التثبيت. تتحلل بطاريات LiFePO4 تدريجيًا على مدار دورة حياتها، مع انخفاض السعة عادةً إلى 80 بالمائة من بطارياتها الأصلية بعد 2000 دورة (حوالي 5 إلى 6 سنوات من التدوير اليومي) وتستمر في الانخفاض بشكل أكثر حدة بعد تلك النقطة. يتمثل العرض العملي لتدهور البطارية في خفت الضوء في وقت مبكر من الليل أو التحول إلى أدنى مستوى إخراج قبل الفجر، مما يشير إلى استنفاد شحن البطارية قبل انتهاء الليل.

بالنسبة للأضواء الشمسية من النوع المنفصل مع حاويات بطارية يمكن الوصول إليها، يمكن قياس سعة البطارية مباشرة باستخدام جهاز اختبار سعة البطارية في زيارات الصيانة الدورية، مما يسمح باستبدال البطارية المخطط له قبل أن يصبح الأداء غير كاف بشكل واضح. بالنسبة للمصابيح الشمسية الكل في واحد حيث يكون الوصول إلى البطارية محدودًا، فإن مراقبة ساعات التشغيل التي تم تحقيقها في الليالي التي تلي الأيام الغائمة المتتالية توفر وكيلًا عمليًا لسلامة البطارية: النظام الذي يوفر التشغيل الليلي الكامل بعد يومين غائمين يؤدي أداءً قريبًا من مواصفات التصميم الخاصة به؛ الجهاز الذي يخفت بشكل كبير قبل منتصف الليل بعد يوم غائم واحد قد فقد جزءًا كبيرًا من سعة البطارية الأصلية ويجب جدولته لاستبدال البطارية أو استبدال الوحدة بالكامل.

الصيانة الهيكلية والميكانيكية

تتطلب أسس الأعمدة وأجهزة التركيب والوصلات الميكانيكية إجراء فحص سنويًا على الأقل في المناطق المعرضة لأحمال الرياح، وبعد أي عواصف مع سرعة رياح مسجلة تزيد عن 80 كيلومترًا في الساعة. يجب أن يتحقق الفحص من أن لوحة قاعدة العمود ومسامير التثبيت لا تظهر عليها أي علامات للتآكل، وأن العمود نفسه راسيا ولم ينحرف عن وضعه الرأسي تحت حمل الرياح، وأن جميع مثبتات تثبيت الدعامة واللوحة مشدودة. يجب استخدام المثبتات المجلفنة أو المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ في جميع أنحاء المبنى لتقليل التآكل، ويجب معالجة أي وصلات مثبتة بمسامير تظهر تآكلًا كلفانيًا بين معادن مختلفة بمركب مانع للتآكل وإعادة ربطها عند كل فحص.

يجب فحص عدسة تثبيت LED للتأكد من عدم وجود اصفرار أو ضباب ناتج عن تدهور الأشعة فوق البنفسجية لمادة عدسة البولي كربونات، مما يقلل من انتقال الضوء ويغير نمط توزيع الشعاع بمرور الوقت. توفر العدسات التي تظهر اصفرارًا مرئيًا إضاءة أقل بكثير من مواصفات التصميم الأصلي ويجب استبدالها أو ترقية التركيبات عندما يصبح التدهور البصري واضحًا. تستخدم تركيبات إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية عالية الجودة عدسات من البولي كربونات أو الزجاج المقسى المثبت للأشعة فوق البنفسجية والتي تحافظ على ناقل الحركة في حدود 5 بالمائة من قيمتها الأصلية لمدة 10 سنوات أو أكثر من التعرض الخارجي؛ يعد استخدام البولي كربونات غير المستقر في المنتجات ذات الميزانية المحدودة عامل تمييز هامًا للموثوقية والذي يصعب تقييمه من قوائم المنتجات دون طلب بيانات اختبار التقادم بالأشعة فوق البنفسجية من الشركة المصنعة.

مرجع

بهاتاشاريا، ت.، تشاكرابورتي، أ.ك.، وبال، ك. (2014). تأثيرات درجة الحرارة المحيطة وسرعة الرياح على أداء الوحدة الشمسية الكهروضوئية أحادية البلورية في تريبورا، الهند. مجلة الطاقة الشمسية، 2014، رقم المقالة 817078.

دوفو لوبيز، ر.، وبرنال أوغستين، ج. إل. (2008). تصميم متعدد الأهداف لأنظمة البطاريات الكهروضوئية وطاقة الرياح والديزل والهيدروجين. الطاقة المتجددة، 33(12)، 2559-2572.

اللجنة الكهروتقنية الدولية. (2020). IEC 62124: الأنظمة المستقلة الكهروضوئية – التحقق من التصميم. اللجنة الانتخابية المستقلة.

اللجنة الكهروتقنية الدولية. (2018). IEC 62509: وحدات التحكم في شحن البطاريات للأنظمة الكهروضوئية - الأداء والتشغيل. اللجنة الانتخابية المستقلة.

مركز أبحاث الإضاءة، معهد رينسيلار للفنون التطبيقية. (2012). إنارة الطرق: دليل للبلديات. تروي، نيويورك: معهد رينسيلار للفنون التطبيقية.

ماشيليني، إتش، كاريلس، إكس إف، ورورو، ك. (2016). تقييم أداء أنظمة إضاءة الشوارع LED التي تعمل بالطاقة الشمسية في جنوب أفريقيا. مجلة الطاقة في جنوب أفريقيا، 27(4)، 54-63.

ناير، إن كيه سي، وجاريميلا، إن (2010). أنظمة تخزين طاقة البطارية: تقييم تكامل الطاقة المتجددة على نطاق صغير. الطاقة والمباني، 42(11)، 2124-2130.

فوانغبورنبيتاك، ن.، وتيا، س. (2013). فرص وتحديات دمج الطاقة المتجددة في نظام الشبكة الذكية. بروسيديا الطاقة، 34، 282-290.

تساي، H. L.، تو، C. S.، & سو، Y. J. (2008). تطوير نموذج كهروضوئي معمم باستخدام MATLAB/SIMULINK. وقائع المؤتمر العالمي للهندسة وعلوم الكمبيوتر، سان فرانسيسكو، الولايات المتحدة الأمريكية.

وانغ، ي.، تشن، كيو، وكانغ، سي. (2015). تجميع ديناميكيات سلوك استهلاك الكهرباء نحو تطبيقات البيانات الضخمة في الشبكة الذكية. تسينغهوا للعلوم والتكنولوجيا، 21(5)، 489-500.