ما الذي يحدد عمر البطارية في أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية؟

يعتمد عمر البطارية في نظام إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية على مسألتين مترابطتين: هل تستطيع البطارية توفير الإضاءة المطلوبة طوال الليل، وكم سنة يمكنها القيام بذلك قبل أن تنخفض سعتها القابلة للاستخدام عن احتياجات المشروع. قد تساعد البطارية الأكبر، لكن فائدتها تعتمد على الطاقة التي تستطيع مصفوفة الألواح الشمسية إعادة شحنها، ودرجة الحرارة التي تتعرض لها، وعمق كل عملية تفريغ، وطريقة إدارة وحدة التحكم للنظام.

لذلك، يحتاج التصميم الموثوق بالنسبة إلى المقيمين الفنيين إلى أكثر من سعة بطارية وادعاء بشأن عمر الدورة. فهو يحتاج إلى ملف تشغيل، وموازنة طاقة واقعية، وظرف محدد لنهاية العمر الافتراضي. وتتيح هذه العناصر تقييم الأنظمة المتنافسة وفق متطلبات إنارة الطرق نفسها وظروف الطقس المحلية.

ابدأ باستهلاك الطاقة الليلي والسعة الاحتياطية

يجب أن تغطي البطارية الطاقة التي يستهلكها مصباح الإنارة والإلكترونيات المرتبطة به بين فترات الشحن. استخدم جدول التشغيل الفعلي بدلاً من الاقتصار على القدرة القصوى لمصباح LED: فاحتياجات وحدة تعمل بكامل قدرتها طوال الليل تختلف عن احتياجات وحدة لديها جدول خفض سطوع موثق. كما يجب احتساب استهلاك وحدة التحكم وفواقد التحويل.

على سبيل المثال، يستهلك حمل بقدرة 60 W يعمل لمدة 12 ساعة 720 Wh قبل احتساب الفواقد. وإذا عمل الحمل بمستويات قدرة مختلفة خلال الليل، فاحسب الطاقة لكل فترة ثم اجمع النتائج. هذا الرقم هو نقطة البداية لتحديد الحجم، وليس سعة البطارية المطلوب تحديدها.

السؤال التالي هو عدد الليالي التي يجب أن يعمل فيها النظام مع محدودية الشحن بالطاقة الشمسية. ويتوقف هذا المتطلب للاستقلالية على الطقس المحلي، وعواقب خفض الإضاءة، وما إذا كان مسموحاً لوحدة التحكم بخفض السطوع أثناء استمرار العجز. كما ينبغي أن تراعي السعة الاحتياطية انخفاض السعة القابلة للاستخدام مع تقادم البطارية. فقد لا يفي النظام بجدول الإضاءة قبل وقت طويل من تعطل البطارية فعلياً إذا كان يحققه فقط ببطارية جديدة ومشحونة بالكامل.

قارن السعات بوحدة الواط-ساعة متى أمكن. فقيمة الأمبير-ساعة وحدها لا تحدد الطاقة المخزنة ما لم يكن جهد البطارية معروفاً أيضاً. وحتى قيمة الواط-ساعة الاسمية لا تكون متاحة بالكامل للإضاءة؛ إذ تقلل حدود التفريغ ودرجة الحرارة وإعدادات إدارة البطارية والفواقد الكهربائية من الطاقة القابلة للاستخدام.

كيمياء البطارية وعمق التفريغ والتقادم

تؤثر كيمياء البطارية في استجابتها لدورات الشحن والتفريغ المتكررة ودرجة الحرارة وجهد الشحن والمدة التي تقضيها عند مستوى شحن مرتفع أو منخفض. فعلى سبيل المثال، تختلف متطلبات الشحن والصيانة بين بطاريات فوسفات الحديد والليثيوم وبطاريات الرصاص الحمضية. ولا يمكن تقييم أي منهما بشكل مسؤول بالاستناد إلى اسم الكيمياء وحده؛ فجودة الخلايا وإدارة البطارية والتركيب ودورة التشغيل عوامل مهمة أيضاً.

ويكتسب عمق التفريغ أهمية خاصة. فقد تتراكم آثار التآكل الناتجة عن دورات الشحن والتفريغ في بطارية تُفرغ بانتظام نسبة كبيرة من سعتها القابلة للاستخدام بوتيرة أسرع من البطارية نفسها عند استخدامها في دورة يومية أقل عمقاً. ويمكن للاحتفاظ بسعة احتياطية أن يدعم عمر الخدمة، لكن وضع حد تفريغ متحفظ أكثر من اللازم قد يترك طاقة غير كافية لجدول الإضاءة. ويجب تقييم الحد المناسب إلى جانب الأداء المختبَر للبطارية ومتطلبات استقلالية المشروع.

لا تكون أرقام عمر الدورة مفيدة إلا إذا كانت ظروف الاختبار واضحة. استفسر عن عمق التفريغ ومعدلات الشحن والتفريغ ودرجة الحرارة وعتبة السعة المحددة لنهاية العمر الافتراضي المستخدمة. فالادعاء المستند إلى تفريغ جزئي وعتبة سعة لا تزال تلبي احتياجات المشروع لا يُقارن مباشرةً بادعاء يستند إلى تفريغ أعمق أو عتبة مختلفة.

كما أن التقادم الزمني مهم. فقد تفقد البطارية سعتها حتى عندما يكون استخدامها في دورات الشحن والتفريغ محدوداً، ولا سيما إذا كانت درجات حرارة التخزين والتشغيل غير ملائمة. وفي التركيبات المصممة لعمر خدمة طويل، ينبغي أن يراعي تقدير موعد الاستبدال كلاً من عدد الدورات والوقت المنقضي، بدلاً من تحويل عدد الدورات المعلن مباشرةً إلى سنوات.

قد تحدد ظروف الشحن مدى الاستفادة من السعة

لا تستطيع البطارية توفير استقلالية طويلة بشكل متكرر إذا لم تتمكن مصفوفة الألواح الشمسية من تعويض الطاقة المسحوبة. ويتفاوت إنتاج المصفوفة حسب الموقع والموسم والاتجاه والتظليل والاتساخ ودرجة الحرارة؛ كما تتسبب وحدة التحكم بالشحن والبطارية في فواقد. قيّم موازنة الطاقة خلال الفترة ذات الصلة الأكثر تطلباً، والتي قد تجمع بين الليالي الطويلة وانخفاض الإشعاع الشمسي وظروف درجات الحرارة المنخفضة أو المرتفعة للبطارية.

تُقارن عملية تحقق يومية مبسطة بين الطاقة المتوقّع إيصالها إلى البطارية والطاقة المسحوبة أثناء الليل، مع مراعاة فواقد النظام. إذا كانت البطارية تفقد عادةً طاقة أكثر مما تكتسبه، فسوف ينخفض مستوى شحنها على مدى أيام متتالية حتى لو كانت سعتها الأولية كبيرة. ويكون التقييم متعدد الأيام أكثر إفادة عندما تكون الفترات الغائمة من اعتبارات التصميم؛ إذ ينبغي أن يوضح عمق العجز والسرعة التي تستطيع بها المصفوفة تعويضه بعد ذلك.

تؤثر إعدادات وحدة التحكم في عملية استعادة الشحن هذه. إذ يمكن للحماية من انخفاض الجهد أن تمنع التفريغ الضار، بينما يمكن لخفض السطوع التكيفي الحفاظ على الطاقة الاحتياطية. لكن كليهما يؤثر في الإضاءة التي تصل إلى الطريق. لذا ينبغي أن يوضح العرض متى يبدأ خفض السطوع، ومستوى الإضاءة الناتج، وما إذا كان نمط التشغيل هذا لا يزال مقبولاً للتطبيق. وتصبح عبارة «استقلالية طويلة» أقل فائدة للمقارنة إذا حققها أحد الأنظمة بخفض الإضاءة في وقت أبكر من نظام آخر.

تؤثر درجة الحرارة والتركيب في عمر الخدمة

قد تختلف درجة حرارة البطارية اختلافاً كبيراً عن درجة حرارة الهواء المحيط. فالحاوية المعرضة لأشعة الشمس المباشرة، أو البطارية المركبة بالقرب من مكونات تولد الحرارة، أو الحجرة المغلقة ذات التصميم الحراري غير الملائم، قد تخلق ظروفاً تسرّع التقادم. وعلى العكس، قد تقلل درجات الحرارة المنخفضة سعة التفريغ المتاحة وتقيّد الشحن في بعض بطاريات الليثيوم. ويجب أن يفرض نظام إدارة البطارية حدود الشحن التي تحددها الشركة المصنّعة للخلايا.

راجع موقع تركيب البطارية، وكيفية إدارة الحرارة، وما إذا كانت الحاوية تحمي التوصيلات من الماء والتآكل من دون أن تخلق بيئة حرارية غير مقبولة. فتقييم الحماية الخاص بمصباح الإنارة أو الحاوية يتعلق باختبار محدد لمقاومة دخول الأجسام أو السوائل؛ ولا يحدد بمفرده درجة حرارة تشغيل البطارية أو عمر الخدمة المتوقع لها.

كما يؤثر موقع التركيب في أعمال الصيانة. فقد تتطلب البطارية المركبة على ارتفاع كبير في عمود إنارة معدات رفع وتنظيم حركة المرور لاستبدالها. ويمكن لهذه التكلفة أن تغيّر التصميم المفضّل حتى عندما يكون العمر المعلن لبطاريتين متقارباً. وينبغي أخذ إمكانية الوصول للصيانة وطريقة الاستبدال والتوافق مع وحدة التحكم الحالية في الاعتبار عند تحديد تكلفة دورة الحياة.

قارن حمولة نظام الإنارة بالكامل، لا البطارية وحدها

يفصل التقييم المفيد بين عمر مصباح الإنارة وعمر البطارية. فعلى سبيل المثال،إنارة الشوارع الحديثة｜MSL-XY محددة بقدرة 150–250 W وعمر افتراضي معلن لا يقل عن 50,000 ساعة. ولا تثبت هذه الأرقام التوافق مع الطاقة الشمسية أو عمر خدمة البطارية. فإذا أُخذ مصباح بهذه القدرة في الاعتبار لتصميم يعمل بالطاقة الشمسية، فيجب تقييم جدول التشغيل المقترح ومصفوفة الألواح الشمسية ووحدة التحكم والبطارية معاً؛ ولا ينبغي اعتبار عمر المصباح فترةً فاصلة لاستبدال البطارية.

لمقارنة عروض إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية ذات البطاريات طويلة العمر، اطلب الافتراضات التي يستند إليها كل تصميم:

• نمط تشغيل الإنارة: القدرة عند كل مستوى تشغيل، وعدد الساعات لكل مستوى، والسلوك المسموح به خلال فترات انخفاض الطاقة.
• أساس اختيار البطارية: الطاقة الاسمية والقابلة للاستخدام، والكيمياء، وحدود التفريغ، ونطاق درجة الحرارة، وعتبة السعة المستخدمة لتحديد موعد الاستبدال.
• موازنة الطاقة: افتراضات الطاقة الشمسية بحسب الموقع والموسم، وتكوين المصفوفة، والفواقد، والاستقلالية المطلوبة، والتعافي بعد فترات الطقس السيئ.
• أدلة العمر الافتراضي: معلومات عن دورات الشحن والتفريغ والتقادم الزمني، مع ظروف اختبار ملائمة لدورة التشغيل المقترحة، إضافةً إلى شروط الضمان والاستثناءات.
• أنظمة التحكم والصيانة: وسائل الحماية أثناء الشحن، وعتبات خفض السطوع، والإبلاغ عن الأعطال عند توفره، وإمكانية الوصول لاستبدال البطارية.

تتيح هذه التفاصيل التمييز بين تصميم ذي بطارية كبيرة السعة الاسمية وتصميم قادر على الحفاظ على نمط تشغيل الإنارة المحدد طوال فترة الخدمة المقصودة. وعندما تختلف الافتراضات، قارن الإضاءة المتوقعة عند عتبة الاستبدال المحددة للبطارية، وليس أداءها في الليلة الأولى فحسب.