أعمدة الإنارة الشمسية

شكل استهلاك قطاع الإنارة حوالي 15% من الاستهلاك العالمي للطاقة و يساهم بـ5% من الانبعاث الكربوني لذلك تم توجه نحو الخلايا الشمسية لتغطية هذه النسبة من الطاقة كخطوة جيدة لتطبيق الترشيد في استهلاك الطاقة و المساهمة في الحفاظ على البيئة .
و شهد قطاع أعمدة الإنارة الشمسية نموا ملحوظا بسبب الحاجة إلى خفض نسبة الطاقة المستهلكة في الإنارة حيث تعتمد على استخدام المصابيح الليد LED

المكونات

1. مشعات الليد

   أعمدة الأنارة الشمسية متوفرة بأنواع وأحجام مختلفة من 4 وات إلى 100 وات لتلبية المتطلبات المختلفة.
   تبدأ بكفائة اضاءة 80 لومن فى الوات وتنتهىى باعلى نوعية وهى 140 لومن للوات
   متوسط الكفائة السائد حاليا في الأسواق يعطي 100 لومن اضاءة لكل وات.
   بالمقارنة كفاءة لمبات الهالوجين التقليدية كفائتها لآ تزيد عن 16 لومن فى الوات, اي ان الوات من المشعات الليد يعطي اضاءة 7 اضعات الوات من المبات التقليدية
   تتميز بعمر اكثر من 50000 ساعة عمل
   مشعات الليد متوفرة بألوان إضاءة متعددة علي حسب تصميمات تنسيق الموقع المطلوبة.
   

2. اللوح الشمسي

   من خلال هذا النظام يتم تتركيب الألواح الضوئية اعلي هيكل العامود
   هناك نوعيين من الألواح: أحادية البلورية Mono Crystalline و متعددة البلورية Poly Crystalline.
   الحقيقة انه لأ يوجد اي فرق ملموس بين استخدام الواح Mono أو Poly من حيث التوفير في المساحة او انتاجية الألواح
   .

3. وحدة التحكم Controller

   تقوم وحدة التحكم Controller بشحن البطاريات.
   لابد ان تكون وحدة التحكم Controller بسعة مناسبة للتحكم بالغلق و الفتح ضوئيا عند الشروق والغروب او حسب برمجة المستخدم بالوقت
   وكذلك التحكم فى شدة الاضاءة لعدة مراحل بعد الغلق ضوئيا
   سهولة البرمجة و كذلك الكفاءة العالية للشحن والتفريغ.

4. البطاريات

   هى اغلى عنصر من مكونات أعمدة الإنارة
   قي النظم التقليدية يتم استخدام بطاريات طاقة شمسية ديب سيكل Deep Cycle Battery
   اما النظم الحديثة فتعتمد علي بطاريات ليثيوم Lithium يتم تركيبها داخل وحدة الأضاية نفسها
   يتم تصميم حجم البطارية علي اساس سعة تخزينية للطاقة الكهربائية تكفي 10 ساعات علي الأقل

الوحدات المدمجة – Integrated Solar Street Light

• أعمدة الإنارة الشمسية المدمجة هي اخر صيحة في الأسواق العالمية , و تستخدم للواحدات الصغيرة فقط
  التصميم هنا متكامل بدون اي كابلات.
• يتم دمج جميع العناصر السابق شرحها في وحدة واحدة تأتي جاهزة من المصنع.
• تضم الوحدة بطارية ليثيوم يصل عمرها الأفتراضي الي 5 سنوات, بدلأ من سنتين فقط عمر افتراضي للبطارية التقليدية.
• سهولة التركيب خلال دقائق دون الحاجة الي اي عمالة مدربة او عمل تصميمات للنظام و تجميع المكونات من مصادر متنوعة.
• يكمن تركيب الوحدة علي اي عامود او قطب مثل الحديد والخشب و الخيزران و البلاستيك.
• كما ان اسعار هذا النظام اقل تكلفة و اكثر كفائة نتيجة تقليل فاقد الأسلاك و التوصيلات.
• تغيير البطاريات سهل خلال دقائق.
• البطارات لا تحتاج صيانة, علي عكس البطارية التقليدية التي تحتاج الي صيانة دورية للتوصيلات من الصداء و الأملاح.
• نظام وحدات الأنارة المدمجة عملي بالنسبة الي التطبيقات الصغيرة فقط
  اما النطبيقات الكبيرة فتحتاح اليبطاريات تخزين اكبر من السعات العملية المتوفرة في البطاريات الليثوم.
• متوفرة بمقاسات أبتداء من 4 وات لأضاءة الحدائق الصغيرة و حتي 30 وات لأضاءة ممرارت متوسطة الحجم.

 المميزات 

1. تكلفة أعمدة الإنارة الشمسية مساويا لتكلفة العامود العادي.
2. هذا النظام يعمل بإستقلالية تامة عن شبكة الكهرباء و بالتالي مثالي للتطبيق علي الطرق في المناطق البعيدة عن العمران
3. لا يؤثر انقطاع التيار الكهربائي على إضاءة الشوارع.
4. التوفير في التكلفة البنية التحتية للأعمدة من كابلات وحفر وردم.
5. عمر مشعات الليـــد المستخدمة أضعاف عمر وحدات الأضاءة العادية .
6. صديقة للبيئة وسهلة التركيب.
7. لا تحتاج الي الي الحفر و تكسير الأسفلت لتوصيل الكابلات الكهربائية في حالة استخدامها لأضاءة طرق قائمة
8. المشعات الليد LED لا تنتج الأشعة تحت الحمراء وبالتالي لأ تجذب الحشرات, و ذلك علي عكس اللمبات التقليدية حيث نحد الحشرات تحتشد حول الضوء

 عيوب أعمدة الإنارة الشمسية

1. تعدد عمليات سرقة البطاريات نتيجة ارتفاع ثمنها و سهولة نقلها و فكها
2. للحفاظ علي الكفاءة التشغيلية يجب غسيل الخلايا اسبوعيا للأزالة الأتربة
   صعوبة غسيل الخلايا في الأعمدة ذات الأرتفاع العالي باستخدام الأوناش المتحركة.
   و سيارة ونش مجهزة بها عامل وسائق يمكنها تنظيف حوالي 40 عمود في اليوم الواحد.
   و ذلك بمعدل 10 دقائق لكل عمود تستغرقها السيارة في رفع الونش وخفضه والتنظيف نفسه ثم الإنتقال للعمود التالي.
3. تحتاج الى دراسة الظلال للتأكد من كفاية اشعة الشمس كافبة لكل عامود و بالتالي قد لا يكون مناسب تركيبها بين ابنية مرتفعة في شوارع المدن.
4. العمر الأفتراضي للبطاريات قليل بالنسبة الي سعرها المرتقع, مما يزيد من مصاريف الصيانة علي المدي الطويل

ارشادات و خطوات تصميم أعمدة الإنارة للشوارع

هناك برامج هندسية متطورة للقيام بعملية تصميم انارة الشوارع
يعتمد التصميم علي نوع الطريق, سرعة السيارات و شدة الأضاءة المطلوبة.
و لكن للأهداف المبسطة يمكن اتباع الخطوات البسيطة التالية عند تصميم اَنارة الشوارع

1. ارتفاع و توزيع اعمدة الأنارة الشمسية

   لو كان عندنا طريق بعرض 100 متر مثلأ, فليس من المنطقي او العملي اضاءته من ناحية واحدة فقط , لأننا سوف نجد انفسنا في حاجة الي استخدام كشافات عملآقة و علي ارتفاع مهول لأضاءة الطريق بكامل عرضه
   فيتم استخدام الجدول ألأتي:

   ارتفاع و توزيع الأنارة

   نوع الشارع	عرض الشارع بالمتر	ارتفاع العامود بالمتر	توزيع الأنارة
   ممرات مشاه	اقل من 6 متر	3	علي جانب واحد فقط
   شوارع ضيقة و حواري	6 – 12	6.5	علي جانب واحد فقط
   شوارع محلية صغيرة	12 – 24	9	علي جانبي الطريق
   شوارع متوسطة	24 – 48	10.5	علي جانبي الطريق
   شوارع كبيرة هامة	48- 80	12	أضاءة علي جانبي الطريق و في جزيرة وسطي
   شرايين كبري و محاور مركزية	اكبر من 80	15	أضاءة علي جانبي الطريق و في جزيرة وسطي

2. تحديد اقصي قدرة للكشافات الليد

   قدرات كشافات الليد المتاحة في الأسواق تصل الي 120 وات
   و لكن في الأماكن البعيدة عن خط الأستواء حيث السطوع الشمسي ضعيف ليس من المنطقي او العملي استخدام هذه الكشافات الكبيرة.
   فمثلأ لو تم استخدام كشاف بقدرة 120 وات في مدينة لندن سوف نجد ان قدرة الخلايا المطلوبة لكل عامود قد تصل الي 1000 وات و هو امر غير منطقي و غير عملي.
   لذلك كلما ابتعدنا عن خط الأستواء يتم استخدام وحدات اضاءة اقل حجما مع وضعها علي مسافات متقاربة لتحقيق شدة الأنارة المطلوبة في الطريق.
   و يتم ذلك طبقا للمعادلة الأتية:

   • بالنسبة للمناطق الواقعة بين خط الأستواء و خط عرض 25 اقصي قدرة للكشافات = 100 وات
   • المناطق الواقعة بين خط عرض 25 و 50
     اقصي قدرة للكشاف = 175- (خط العرض*3)
     مثال مدينة الأسكندرية تقع علي خط عرض 31
     اقصي قدرة للكشاف = 175 – (31*3) = 82 وات
     يمكن تقريب القيم لأقرب رقم صحيح مضروب*10 و استخدام كشافات 80 وات في الأسكندرية
   • اما بالنسبة للمناطق الواقعة فوق خط عرض 50
     اقصي قدرة للكشاف= 35- (خط العرض*0.2)
     مثال مدينة برلين تقع علي خط عرض 52.5
     اقصي قدرة للكشاف = 35- (52.5*0.2)= 24.5 وات
3. عرض الطريق الذي يقع تحت مجال اضاءة الكشاف

   لحساب قدرة الكشافات المطلوبة يجب عرض الطريق الذي سوف يقع في دائرة الأضاءة الخاصة بالكشاف
   فمثلأ لو عرض الطريق 40 متر و يوجد به اعمدة في جانبي الطريق, يكون هنا عرض الطريق الذي يقع تحت مجال اضاءة الكشاف 20 متر فقط, و ليس 40
   و هذه القيمة “W” سوف يتم استخدامها لحساب قدرة الكشاف كما سيتضح لأحقا.

4. تحديد شدة الأضاءة المطلوبة LUX

   يتم حساب ادني اضاءة مسموح بها طبقا لنوع الطريق و تسمي هده القيمة LUX.
   الطرق الشريانية التي قد تصل فيها سرعات السيارات الي اكثر من 50 كم/ساعة.
   LUX =10
   الطرق الجامعة التي لا تزيد فيها سرعة السيارات عن 50 كم/ساعة.
   LUX =6
   الطرق المحلية و ممرات المشاء التي لا تزيد فيها سرعة السيارات عن 30 كم/ساعة.
   LUX =4

5. قدرة وحدة الأضاءة باللومينكس Lumens

   يتم حساب قدرة وحدة الأضاءة المطلوبة لومنيكس Lumens طبقا للمعادلة الأتية:
   Lumens= W * L * D/ 0.84*0.9
   Coefficient of Utilization Factor (Cu)= 0.9 – قيمة ثابتة
   Maintenance Factor (mf) = 0.84 – قيمة ثابتة
   W هو عرض الطريق الذي يقع تحت مجال اضاءة الكشاف
   D هي المسافة بين الأعمدة
   L هي قيمة LUX للمتر المربع.
   فمثلآ لو كان عرض نصف الطريق 24 متر
   ارتفاع العامود= 10.5 متر و اقصي مسافة بين الأعمدة =21 متر
   LUX يساوي 10.0
   تكون شدة الأضاءة المطلوبة لكل وحدة =(0.84×0.9) / 21 * 24 * 10.0 = 6666 لومنيكس.

6. قدرة المشعات الليد بالوات Wattage

   اخيرا يتم حساب قدرة اللمبات الليد بالوات و كما سبق شرحة فان لمبات الليد المنتشرة في الأسواق تعطي شدة اضاءة 100 لومينكس لكل وات
   و في المثال السابق تكون قدرة الكشافات المطلوبة = 6666/100 =67 وات
   فيتم هنا استخدام وحدة ليد قدرتها 67 وات ان كان موقع المشروع اسفل خط عرض 25 كما سبق شرحه

   و لكن ان كانت هذه الأعمدة تقع في موقع شمالي علي خط عرض 51 في مدينة لندن في انجلترا مثلأ.
   سوف نجد كما سبق شرحة ان اقصي قدرة مسموح بها للكشاف = 175 – (49*3) = 28 وات
   هنا سوف نضطر الي استخدام مسافة اقل من 21 متر بين الأعمدة لتحقيق نفس شدة الأضاءة المطلوبة طبقا للمعادلة الأتية:
   المسافة بين الأعمدة = اقصي مسافة مسموح بها * اقصي قدرة مسموح بها للكشاف/ قدرة الكشاف المطلوب
   = 21 * 28/ 67 = 9 متر
   اي في مدينة لندن سوف نضع الأعمدة علي مسافات كل 9 متر بدل 21 و بقدرة 28 وات بدل 67
   و لأغراض مطابقة الحسابات من الأحجام المتوفرة في الأسواق يتم استخدام كشافات 30 وات.
   
   و كمثال عملي لهذا الكلام نري في الصورة السابقة استخدام الطاقة الشمسية لأنارة طريق صغير في المانيا, لأحظ العدد الكبير من الأعمدة علي مسافات متقاربة و حجم الألواح الكبير و زاوبة ميل الألواح , و هذا المشهد مختلف تماما عن المشهد المعتاد في دولنا العربية كما في الصورة التالية:
   
   الصورة السابقة توضح انارة طريق بالطاقة الشمسية في مصر, و لاحظ هنا الفرق:
   حجم اللوح الشمسي الصغير رغم ان الكشاف الليد كبير.
   زاوية الميل الألواح اقل بكثير.
   التباعد الكبير بين اعمدة الأنارة, رغم كون الطريق اكبر بكثير من الطريق في المثال الألماني
   هذأ الفرق في النهاية يجعل اقتصاديات تنفيذ الأنارة الشمسية في الدول القريبة من خط الأستواء اكبر بكثير,

7. الأدراك البصري للأضاءة و تأثير ذلك علي التصميم

   
   الرسمة السابقة توضح حقيقة علمية في ادراك العين البشرية لشدة ألأضاءة:
   العلأقة بين شدة الأضاءة و ادارك العين ليست علأقة خطية.
   فمثلأ نتصور غرفة مظلمة تماما , ثم يتم اضاءة لمبة بقدرة 50 وات بالغرفة. هذه ال50 وات الأولية تجعل الغرفة مضيئة بنسبة 80% مثلأ.
   اما لو نفس الغرفة بها اضاءة قدرتها 200 وات ثم يتم اضافة لمبة اخري بقدرة 50 وات مثلأ, فان ادراك العين لهذه ال50 وات الأضافية ادراك بسيط قد يكون معدوم!
   و لذلك في أعمدة الإنارة الشمسية عند حساب قدرة الكشافات المطلوبة طبقأ لما سبق شرحه, لأ مانع من تقريب الأرقام التي نحصل عليها لأسفل بنسبة قد تصل الي 20% دون ان يؤدي ذلك الي فقدان محسوس في الأضاءة النهائية.
   فمثلأ لو الحسابات انتجت قدرة كشاف 57 وات , و المتوفر في الأسواق كشافات 50 وات او 80 , في هذه الحالة يتم استخدام الكشافات ال50 وات دون اي مشاكل محسوسة في الأضاءة المطلوبة.
   و لأ معني اطلأقا في استخدام الكشاف الأكبر ذو قدرة 80 وات الذي سوف تتسبب في زيادة كبيرة في التكلفة النهائية, بدون اي أضافة ملموسة في شدة الأضاءة التي سوف تدركها العين البشرية.
   و هذا المنطق مختلف تماما عن مبداء التصميم المتبع في اي تطبيقات هندسية اخري, حيث يقوم دائما المهندس بحساب قدرة او حجم شيء , ثم يضيف عامل امان في النتيجة النهائية للتصميم و اي تقريب يكون دائما لأعلي.

8. حساب قدرة اللوح الشمسي
   1. في انظمة اضاءة الشوارع تكون زاويا ميل الألواح تحقق افضل انتاجية في الشتاء
   2. يتم حساب عدد ساعات التشغيل في الشتاء.
      للتبسيط في الدول العربية يمكن اعتبار عدد ساعات التشغيل 12 ساعة في اليوم.
      كلما ابتعدنا عن خط الأستواء تكون ساعات الليل اطول في الشتاء و بالتالي يجب زيادة هذا الرقم و يصل مثلأ في الدول الاسكندفانية الي 20 ساعة.
   3. اجمالي القدرة الكهربائية المطلوبة في اليوم بالوات = عدد ساعات التشغيل * قدرة وحدة الأضائة
      في المثال السابق القدرة اليومية = 12 * 50 = 600 وات
   4. فاقد الطاقة في أعمدة الإنارة الشمسية لأ تقل عن 25%
      و هذه النسبة مرتفعة نتيجة زيادة فاقد الأتربة لصعوبة نظافة أعمدة الإنارة بصورة منتظمة علي فترات زمنية قصيرة.
      فألأضافة الي فاقد الأسلاك و منظم الشحن و البطاريات
      اي ان كفائة النظام الشمسي = 0.75 فقط
   5. الكنترولر الخاص باعمدة الطاقة الشمسية يمكن برمجته لتخفيض شدة الأضاءه اثناء الفترة بين منتصف الليل و الشروق Dimmer function , و عادة هذه الفترة لأ يوجد فيها حركة كبيرة في الشارع و لأ نحتاج الي شدة اضاءة قوية.
      النتيجة النهائية هي امكانية توفير حوالي 25% من الطاقة, و هي نفس نسبة فاقد النظام الشمسي السابق شرحها.
   6. قدرة اللوح الشمسي المطلوب = اجمالي القدرة الكهربائية / عدد ساعات السطوع الشمسي SI
      للتبسيط في الدول العربية عدد ساعات الذروة للشمس في يوم الشتاء = 4 ساعات
      في المثال السابق قدرة اللوح الشمسي = 600 /4 = 150 وات
   7. يمكن في منطقنا العربية اعتبار ان قدرة اللوح المطلوب يجب ان لأ تقل عن ثلأث اضعاف قدرة وحدة الأضاءة و تزيد هذه النسبة بشدة كلما ابتعدنا عن خط الأستواء, فنجد في مدينة لندن مثلأ مطلوب اللواح شمسية بقدرة 500 وات لأضاءة كشاف بقدرة 25 وات في الشتاء الغائم!
      

      

اخطاء شائعة في تنفيذ أعمدة الإنارة الشمسية

1. عدم وجود اي خطة لنظافة و غسيل الألواح و صيانتها قبل الشروع في تنفيذ المشروع
2. وجود عوائق و اشجار حول الأعمدة تسبب ظلأل
   

   

3. عدم الألتزام بالتوجية الجنوبي و استخدام توجيه خطاء للألواح لأسباب ديكورية.
   

   

4. استخدام ألواح شمسية صغيرة لأ تتناسب من قدرة وحدات ألأضاءة و عمل الحسابات علي اساس سطوع الشمس في الصيف و ليس الشتاء هذا الخطاء المنتشر بين المهندسين يتسبب في اخفاق الكثير من مشاريع ألأنارة الشمسية اثناء الشتاء.