مصباح شوارع شمسي متكامل 5.8m بقدرة 46W - إضاءة شمسية مدمجة ببطارية فوسفات الحديد والليثيوم

يجمع مصباح الشوارع الشمسي المتكامل 5.8m بقدرة 46W بين لوح شمسي بقدرة 92 Wp، وبطارية فوسفات الحديد والليثيوم بسعة 414 Wh، ووحدة إضاءة بالصمامات الثنائية الباعثة للضوء بقدرة 46 W، على عمود من سبائك الألومنيوم بارتفاع 5.8 m. صُمم للمشروعات في المناخات المعتدلة، ويتراوح سعره الاسترشادي بنظام الهندسة والتوريد والتنفيذ وتسليم المفتاح بين $183–$306 لكل نقطة إنارة؛ ويتطلب الاستقلال التشغيلي المعلن لمدة 7 أيام برنامجًا هندسيًا لخفض خرج الإضاءة، بدلًا من التشغيل المستمر بكامل القدرة.

بنية النظام

تدمج وحدة الإنارة المتكاملة 4 وظائف كهربائية رئيسية: توليد الكهرباء بالطاقة الكهروضوئية، وتخزينها في البطارية، والتحكم في الشحن، والإضاءة بالصمامات الثنائية الباعثة للضوء. يقلل هذا الترتيب التوصيلات الخارجية ويلغي الحاجة إلى صندوق منفصل للبطارية عند مستوى الأرض. يحمل العمود بارتفاع 5.8 m المجموعة المتكاملة، وتظل البطارية قابلة للوصول من خلال حجرة صيانة ينبغي تأكيد طريقة فتحها، وإجراء استبدال حشية إحكامها، وتوافر قطع غيارها قبل الطلب.

يشحن اللوح المحدد، وهو أحادي البلورة بتقنية التلامس المخمّل بالأكسيد النفقي وبقدرة 92 Wp، بطارية فوسفات الحديد والليثيوم بسعة 414 Wh عبر متحكم لتتبع نقطة القدرة القصوى. تشمل القيم المستهدفة لسلسلة المنتجات كفاءة لوح تبلغ 19–23% وكفاءة تحويل للمتحكم تتجاوز 98% في ظروف محددة؛ ولا تثبت أي من القيمتين إنتاج الطاقة اليومي للنظام. ويتحدد مقدار الطاقة المتاحة فعليًا للإضاءة وفق اتجاه اللوح، والتظليل، ودرجة حرارة التشغيل، وفواقد التوصيلات، وفواقد شحن البطارية، والحمل الليلي.

المواصفات الفنية

يوضح التكوين أدناه مدخلات التصميم المقدمة لنقطة إنارة عددها 1، ويفصلها عن قيم الأداء التي تتطلب تقارير اختبار. تمثل قدرة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء القدرة الاسمية للإضاءة؛ وتُعبّر قدرة اللوح بوحدة Wp، بينما تمثل سعة البطارية طاقة التخزين الاسمية بوحدة Wh. تصف هذه الكميات وظائف مختلفة، ولا يجوز جمعها باعتبارها قدرة إجمالية واحدة للنظام.

تمثل القيمة المحسوبة 7,820 lm تقديرًا أوليًا ناتجًا عن 46 W × 170 lm/W، وليست إقرارًا بخرج مقاس فعليًا. ويجب أن يثبت ملف القياسات الضوئية المقدم من المورد التدفق الضوئي الفعلي لوحدة الإنارة، وتوزيعه، والوهج، والاستضاءة المستدامة. يتناول المعيار IEC 60598-2-3 متطلبات السلامة لإنارة الطرق والشوارع؛ ولا تعني الإشارة إليه أن هذه المجموعة بعينها قد خضعت للاختبار.

سعة البطارية والاستقلال التشغيلي لمدة سبعة أيام

عند التشغيل المستمر بالقدرة الاسمية، تستهلك الإضاءة 46 W × 12 h = 552 Wh في الليلة، وهو ما يتجاوز كامل السعة الاسمية للبطارية البالغة 414 Wh. وحتى قبل احتساب الفواقد، لا تتجاوز مدة التشغيل النظرية 9 h. وبافتراضات توضيحية تبلغ 80% للسعة القابلة للاستخدام و90% لكفاءة مسار التفريغ، تصبح الطاقة المتاحة للحمل 298.08 Wh، ما يتيح تشغيلًا يقارب 6.48 h عند 46 W.

لتشغيل الإضاءة 7 ليالٍ، بواقع 12 h في الليلة، دون شحن شمسي مجدٍ، لا تسمح ميزانية الطاقة نفسها البالغة 298.08 Wh إلا بمتوسط قدرة إضاءة يبلغ 3.55 W، أي نحو 7.7% من الخرج الاسمي. ولا يشمل هذا التقدير استهلاك المتحكم في وضع الاستعداد، أو طلب الاتصالات على الطاقة، أو تقادم البطارية، أو انخفاض السعة في درجات الحرارة الباردة. لذلك يجب ربط ادعاء الاستقلال لمدة 7 أيام ببرنامج تعتيم طارئ موثق وظروف اختبار محددة للبطارية.

يمكن للمتحكم إعطاء الأولوية لفترة سطوع أعلى عددها 1 بعد الغروب، ثم خفض الإضاءة خلال ساعات انخفاض الحركة، ورفع الخرج لفترة وجيزة بعد رصد الحركة. لكن تواتر الحركة يغير إجمالي الاستهلاك، وقد تستنزف فترات تعزيز الإضاءة المتكررة عند 46 W الاحتياطي المخصص للطوارئ. وينبغي للمشترين طلب برنامجين منفصلين: أحدهما لليالي العادية والآخر لانخفاض حالة الشحن، على أن يشملا الحد الأدنى للخرج، ومهلة المستشعر، وجهد فصل البطارية، وسلوك استعادة التشغيل بعد استئناف الشحن.

تشير إرشادات سلسلة بطاريات فوسفات الحديد والليثيوم إلى 2,000+ دورة تفريغ عميق في ظروف اختبار محددة؛ أما العمر الفعلي فيعتمد على عمق التفريغ، ودرجة حرارة الخلايا، ومعدل الشحن، وحالة الشحن أثناء التخزين. وينبغي لحماية درجات الحرارة المنخفضة منع الشحن تحت الحد المسموح به من الشركة المصنعة للبطارية، حتى إذا ظل التفريغ ممكنًا عند −20°C. ويجب أن يشمل التحقق من النظام تسلسل التشغيل الموضح في IEC 62124:2004، بدلًا من استنتاج الاستقلال التشغيلي من كيمياء البطارية وحدها.

إنتاج الطاقة الشمسية والتحجيم الموسمي

لإجراء تقدير أولي واضح، نفترض 4 ساعات شمس ذروية يوميًا ومعاملًا إجماليًا قدره 75% لتحويل الطاقة المحصودة إلى طاقة قابلة للاستخدام. عندئذ يوفر اللوح بقدرة 92 Wp نحو 276 Wh/day، وفق الحساب 92 × 4 × 0.75. ويدعم ذلك متوسط حمل إضاءة يبلغ 23 W خلال 12 h ضمن هذه الافتراضات، دون هامش إضافي لإعادة شحن بطارية مستنزفة بعد الطقس الغائم.

عند 2 ساعة شمس ذروية، ينخفض ناتج الحساب نفسه إلى 138 Wh/day، بما يسمح بمتوسط قدرة لا يتجاوز 11.5 W خلال 12 h. ويمكن أن يؤدي التظليل الشتوي، وتراكم الأوساخ، واتجاه اللوح إلى خفض الإنتاج أكثر. لذلك تصف القدرة الاسمية 46 W الحد الأقصى المتاح للخرج، بينما يجب تحديد برنامج التشغيل الليلي المستدام وفق أقل أشهر التصميم ملاءمة في الموقع والحد الأدنى المطلوب للإضاءة.

استخدم 12 تقديرًا شهريًا للإشعاع الشمسي ونموذجًا متتابعًا لطاقة البطارية عند اختيار برنامج التشغيل. توفر حاسبة المختبر الوطني للطاقة المتجددة لتقدير إنتاج الأنظمة الكهروضوئية نقطة انطلاق معترفًا بها للتقييم الأولي للمورد الشمسي والإنتاج، لكنها تحاكي الأنظمة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة ولا تتحقق بذاتها من استقلال البطارية في الأنظمة المنفصلة عن الشبكة. ولا ينبغي عرض إنتاجها السنوي باعتباره دليلًا على توافر الإضاءة لمدة 7 ليالٍ.

تصميم الإضاءة والبدائل التقليدية

عند ارتفاع تركيب 5.8 m، لا يمكن تحديد التباعد بين الأعمدة اعتمادًا على القدرة الكهربائية وحدها. يحتاج المصممون إلى عرض الطريق، والمسافة الفاصلة عن حافته، وزاوية التركيب، وانعكاسية الرصف، ونشاط المشاة، وتوزيع موثق للشدة الضوئية. وينبغي أن تقدم محاكاة ببرنامج لحساب الإضاءة أو ما يعادله متوسط الاستضاءة المستدامة، والحد الأدنى للاستضاءة، والتجانس، والوهج، مقارنةً بمعايير المشروع المعمول بها، قبل اختيار مخطط نهائي عددُه 1 لتوزيع الأعمدة.

بالمقارنة مع وحدة تقليدية مفترضة بقدرة 100 W تعمل 12 h كل ليلة، يقلل التشغيل المستمر عند 46 W طاقة الإضاءة الاسمية بنسبة 54%، من 438 إلى 201.48 kWh/year. ولا يشمل هذا الحساب فواقد أجهزة التشغيل المساعدة ولا يثبت تكافؤ الإضاءة. كما يتجاوز ميزانية الطاقة الشمسية اليومية التوضيحية لهذا التكوين، لذا يتطلب برنامج التشغيل الشمسي العملي مع التعتيم تقييمًا ضوئيًا منفصلًا.

يستهلك برنامج تعتيم توضيحي بمتوسط قدرة 18 W مقدارًا قدره 78.84 kWh/year، أي طاقة أقل بنسبة 82% من خط الأساس المفترض البالغ 100 W. ويمكن للتحكم خفض الطلب، لكن مقدار التوفير يعتمد على الإشغال والحد الأدنى المطلوب للإضاءة. وتناقش أبحاث وزارة الطاقة الأمريكية حول إنارة الطرق الإضاءة التكيفية؛ لكنها لا تصادق على تحقيق هذا المنتج وفرًا بنسبة 82%.

التطبيقات

يُعد التكوين بارتفاع 5.8 m خيارًا محتملًا لمسارات المشاة، وطرق الوصول السكنية، وأطراف مواقف السيارات، ومسارات الخدمة في المزارع الشمسية، حيث تؤكد حسابات الإضاءة المطلوبة ملاءمة خرجه. ويمكنه الاستغناء عن حفر خنادق كابلات التغذية بين نقاط الإنارة، مع استمرار الحاجة إلى أساس مناسب لكل عمود. وقد تتطلب الطرق السريعة، والتقاطعات ذات الحركة الكثيفة المستمرة، والممرات المظللة سعة تخزين أكبر، أو ألواحًا منفصلة، أو بنية تغذية مختلفة.

سيناريو توضيحي — طريق وصول إلى مزرعة شمسية في مناخ معتدل يضم 50 نقطة إنارة: نفترض 50 مصباحًا، و4 ساعات شمس ذروية، وكفاءة قدرها 75% لتحويل الطاقة المحصودة إلى طاقة قابلة للاستخدام، ومتوسط قدرة إضاءة يبلغ 18 W لمدة 12 h كل ليلة. يستهلك كل مصباح 216 Wh/night مقابل إنتاج تقديري يبلغ 276 Wh/day. والفائض الاسمي الناتج، البالغ 60 Wh/day، تقدير أولي وليس هامش شحن شتويًا موثقًا أو نتيجة تشغيل لدى عميل.

في سيناريو نقاط الإنارة البالغ عددها 50، توفر بطارية بسعة 414 Wh، وفق افتراضات الطاقة القابلة للاستخدام المذكورة سابقًا، نحو 1.38 ليلة عند استهلاك 216 Wh/night دون شحن. لذلك يتطلب التشغيل الاحتياطي لمدة سبع ليالٍ خفضًا كبيرًا للخرج. وينبغي للمهندسين مقارنة 2 من برامج التشغيل، أحدهما للخدمة العادية والآخر لاحتياطي الطوارئ، ورفض أي برنامج منخفض الخرج لا يلبي الحد الأدنى المطلوب للإضاءة في الموقع.

المراقبة السحابية

يمكن للاتصال الاختياري عبر 4G أو الاتصال اللاسلكي بعيد المدى دعم الإبلاغ عن حالة البطارية، وبرامج التشغيل، وإشعارات الأعطال، وتجميع وحدات الإنارة ضمن مجموعات. وتتطلب هذه الوظائف متحكم اتصالات محددًا ومنصة متوافقة؛ ولم يتأكد شمولها في السعر الأساسي. وحتى حمل مساعد مستمر بقدرة 1 W يستهلك 24 Wh/day، لذا يجب إدراج أجهزة الاتصال في كل من تحجيم الطاقة وعرض السعر.

لمشروع يضم 50 مصباحًا، اطلب سجل أصول يربط كل عمود بموقعه، ومعرّف متحكمه، وتاريخ تشغيله الأولي، وبرنامجه المبرمج. ويجب أن يشمل قبول الاتصال توافر الشبكة المحلية، ووصول التنبيهات، وتغيير الإعدادات عن بُعد، والسلوك عند فقد الاتصال. وينبغي أن يظل برنامج إضاءة مخزن محليًا عددُه 1 على الأقل قابلًا للتنفيذ عند انقطاع الاتصال السحابي.

التركيب والإنشاء والصيانة

ينطبق زمن التركيب المستهدف لسلسلة المنتجات، البالغ نحو 30 min لكل عمود، على التجميع الميكانيكي والكهربائي بعد تجهيز الأساسات، وترتيبات الرفع، وإمكانية الوصول. ولا يشمل الحفر، أو معالجة الخرسانة، أو تحسين التربة، أو إدارة المرور. وعند ارتفاع 5.8 m، يتطلب الأساس ووصلة القاعدة التحقق من أحمال الرياح المحلية، وقدرة تحمل التربة، والمساحة المسقطة للوح، وهندسة العمود.

يقلل التصنيع من سبائك الألومنيوم وزن المناولة مقارنة بتصميم فولاذي مماثل من الجوانب الأخرى، لكن لم تُقدم كتلة موثقة للعمود أو قيمة موثقة لمقاومة الرياح لهذا الطراز بارتفاع 5.8 m. تأكد من السبيكة، وسماكة الجدار، والتشطيب السطحي، وتوزيع مسامير التثبيت، والعزل الجلفاني بين المعادن المختلفة. وتتطلب المواقع الساحلية تقييمًا محددًا للتآكل؛ فالألومنيوم وحده لا يثبت فئة أداء في اختبار الرذاذ الملحي.

يتعلق المستوى المستهدف IP66 لحماية الغلاف بمنع دخول الغبار والماء في ظروف اختبار محددة، بينما يمثل IP67 مستوى حماية معلنًا مختلفًا، ولا ينبغي استبداله به دون دليل. ويحدد IEC 60529 إطار تصنيف الحماية. وينبغي عند الشراء طلب التقرير الخاص بالغلاف الفعلي، والحشيات، ومداخل الكابلات، وترتيب غطاء الصيانة، إلى جانب إجراء فحص لإحكام الغلق بعد الصيانة عددُه 1 على الأقل.

حدد فحصًا أوليًا بعد 3 أشهر، ثم اضبط فترات التنظيف والفحص وفق ظروف الغبار والطقس المحلية. وتمثل أهداف سلسلة المنتجات البالغة 50,000+ ساعة تشغيل للإضاءة وعمرًا تصميميًا للوح قدره 25 سنة قيمًا تخطيطية للمكونات، وليست ضمانات مكافئة للنظام. وقد تتطلب البطاريات، والحشيات، ومشغلات الإضاءة، والمستشعرات الاستبدال في وقت أبكر، خصوصًا عند قصور الإدارة الحرارية أو صعوبة الوصول للصيانة.

تحليل الاستثمار وهيكل الأسعار للهندسة والتوريد والتنفيذ

لنقطة إنارة عددها 1، يشمل نطاق الهندسة والتوريد والتنفيذ التصميم الهندسي، والمشتريات، والإنشاء، والتشغيل الأولي، وخدمة الضمان المحددة. وتشمل الهندسة إعداد ميزانية الطاقة، وتوزيع الإضاءة، والتنسيق الإنشائي؛ وتشمل المشتريات المعدات وفحوص الجودة. ويشمل الإنشاء والتشغيل الأولي الأساس المتفق عليه، وتجميع العمود، وبرمجة المتحكم، واختبارات التسليم. ويظل النطاق السعري المذكور $183–$306 خاضعًا لنطاق المشروع وموقعه بعد تأكيدهما.

التسليم على ظهر السفينة والتسليم من المصنع هما 2 من شروط التسليم المختلفة، لذا يجب أن تحدد فئة المعدات الأساس التعاقدي المطبق. ولا يشمل التسليم مع التكلفة والتأمين وأجرة الشحن تلقائيًا رسوم الاستيراد، أو المناولة في الوجهة، أو النقل الداخلي. وتكتسب هذه المخصصات أهمية خاصة لعمود ألومنيوم بارتفاع 5.8 m، لأن أبعاد التغليف وحجم الشحنة قد يغيران بدرجة ملموسة التكلفة الواصلة لكل نقطة إنارة.

تمثل شرائح الخصم البالغ عددها 3 افتراضات للتخطيط التجاري، وتخضع لعرض سعر مكتوب، وتطابق التكوين، وتجميع الشحنات. وهي غير تراكمية، وقد يختلف تطبيقها على الشحن، أو الضرائب، أو الأعمال المدنية المحلية. والأرقام المخفضة أمثلة حسابية مشتقة من النطاق المنشور للهندسة والتوريد والتنفيذ، وليست أسعارًا دنيا مستقلة مضمونة لكل موقع تركيب.

تبلغ الميزانية التوضيحية للهندسة والتوريد والتنفيذ لنقطة واحدة $299.60: وحدة إنارة متكاملة $70، وعمود ألومنيوم $127.60، ومخصص أساس $50، وهندسة وضبط جودة $12، وتركيب وتشغيل أولي $28، ودعم لمدة 1 سنة بقيمة $12. وتستخدم وحدة الإنارة المرجع الصناعي المقدم لفئة 60 W بديلًا تقديريًا مؤقتًا، بينما يستند سعر العمود إلى $22/m × 5.8 m. وهذا توزيع تقديري للتكلفة، وليس عرض سعر موثقًا من المصنع.

يشمل مخصص وحدة الإنارة المتكاملة اللوح بقدرة 92 Wp، والبطارية بسعة 414 Wh، ومتحكم تتبع نقطة القدرة القصوى، والإضاءة بقدرة 46 W، ولا يجوز احتسابها مرة أخرى كمكونات كاملة منفصلة. ويفترض مخصص الأساس البالغ $50 أعمالًا مدنية بسيطة؛ وقد تزيد التربة غير الملائمة، أو أحمال الرياح الأكبر، أو معدات الوصول، أو التصاريح التكلفة الفعلية للهندسة والتوريد والتنفيذ عن النطاق المعلن.

لتوضيح فترة الاسترداد البسيطة، نفترض أن مصباحًا قائمًا متصلًا بالشبكة بقدرة 100 W يستهلك 438 kWh/year، وأن تكلفة الكهرباء $0.15/kWh، وتكلفة صيانة النظام الشمسي $10/year. تبلغ تكلفة كهرباء الشبكة المتجنبة $65.70/year، ما يحقق صافي وفر تشغيلي قدره $55.70/year قبل استبدال البطارية، والتمويل، والضرائب. وبتطبيق نطاق الهندسة والتوريد والتنفيذ البالغ $183–$306، تكون فترة الاسترداد البسيطة نحو 3.3–5.5 سنوات، بشرط توفير خدمة إضاءة مقبولة.

عند سعر كهرباء $0.10/kWh، تنتج الافتراضات نفسها صافي وفر سنوي قدره $33.80 وفترة استرداد تقارب 5.4–9.1 سنوات. وبالمقارنة مع تركيب جديد متصل بالشبكة بتكلفة مفترضة قدرها $400، يكون تجنب الإنفاق الرأسمالي الأولي بدلًا من ذلك $94–$217 لكل نقطة. وهذه حالات مقارنة بديلة؛ وينبغي للمشترين استخدام عروض أسعار الحفر الفعلية وتكاليف دورة الحياة، بما يتفق مع إرشادات وزارة الطاقة الأمريكية لشراء الإضاءة الخارجية.

خيارات الدفع هي 30% دفعة مقدمة بتحويل مصرفي، ثم 70% مقابل بوليصة الشحن، أو 100% باعتماد مستندي مستحق لدى الاطلاع، وفق العقد. ويمكن النظر في التمويل للمشروعات التي تتجاوز قيمتها $1,000,000، رهناً بموافقة الجهة الممولة. وتشمل فئة الهندسة والتوريد والتنفيذ المذكورة ضمانًا لمدة 1 سنة؛ أما شروط النموذج الخاصة بضمان النظام لمدة 3 سنوات والعمود لمدة 5 سنوات، فتتطلب تمديدًا مكتوبًا صريحًا ولا تُدرج تلقائيًا.

الشراء والتكوين

للطراز بقدرة 46 W، أعد جدول مشتريات يشمل الوجهة، والكمية، وظروف التركيب، وبرنامج الإضاءة العادي، والحد الأدنى للخرج في الطوارئ، والتقارير المطلوبة. استعرض جميع منتجات إنارة الشوارع الشمسية لمقارنة التكوينات المتكاملة والبديلة، أو هيّئ نظامك عبر الإنترنت باستخدام ارتفاع التركيب 5.8 m مدخلًا أوليًا للتصميم.

قبل إصدار طلب لعدد 50 وحدة أو أكثر، اطلب عينة، وملف قياسات ضوئية، ومواصفات البطارية، وقائمة فحص، وطريقة اختبار الاستقلال التشغيلي المقترحة. تعرّف على تحجيم الطاقة لإنارة الشوارع الشمسية للاطلاع على معلومات إضافية، ثم اطلب عرض سعر مخصصًا أو راسل [email protected]. وينبغي أن تؤكد SOLARTODO في العرض الموقع التكوين النهائي 92 Wp/414 Wh، وأساس التسليم، والضمان، ومعايير القبول.