نظام إضاءة شوارع ذكي يعمل بالطاقة الشمسية بتقنية LED

مع تزايد نقص مصادر الطاقة التقليدية، سيتوسع استخدام الطاقة الشمسية بشكل متزايد، لا سيما وأن مجال توليد الطاقة الشمسية قد تطور ليصبح صناعة واعدة في غضون سنوات قليلة. حاليًا، تستهلك إنارة الطرق ما بين 25% و30% من إجمالي استهلاك الطاقة للإضاءة، مما يجعل ترشيد استهلاك الطاقة في إنارة الطرق مجالًا واعدًا وذا إمكانات كبيرة. تُعد مصابيح النانومتر عالية الجهد حاليًا أكثر أنواع إنارة الطرق استخدامًا، إلا أن هذا المصدر الضوئي يعاني من عيوب مثل ضعف جودة الألوان، وطول وقت التشغيل، وارتفاع استهلاك الطاقة، وتوليد كميات كبيرة من الحرارة. لذا، من الضروري تطوير مصادر إضاءة طرق جديدة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. تُعد مصابيح LED عالية الطاقة والكفاءة مصدرًا ضوئيًا جديدًا شهد تطورًا سريعًا محليًا وعالميًا في السنوات الأخيرة. تتميز هذه المصابيح بكفاءة إضاءة عالية (≥90 لومن/بيكوواط (1 واط LED))، وعمر افتراضي طويل (30000-50000 ساعة)، ومقاومة للاهتزاز، ومتانة عالية، وسرعة التشغيل، وانعدام التلوث، وغيرها. تُعد مصابيح LED البيضاء مصادر إضاءة مثالية للإضاءة العامة وإضاءة الطرق. تتميز مصابيح الشوارع الشمسية بالعديد من المزايا: فهي آمنة وموثوقة وسهلة الصيانة. لا تتطلب هذه المصابيح طاقة تقليدية، ولا تلوث البيئة؛ ويمكن تركيبها في أي مكان حسب الحاجة، دون الحاجة إلى ربطها بشبكة الكهرباء العامة. لذلك، يُعدّ تطوير مصابيح الشوارع بتقنية LED ذا أهمية بالغة في توفير الطاقة. استنادًا إلى نظام إنارة الشوارع الشمسي الأصلي، تقترح هذه الورقة البحثية وتطور نوعًا جديدًا من أنظمة إنارة الشوارع الشمسية الذكية بتقنية LED. 1. مكونات نظام إنارة الشوارع الشمسي: يتكون نظام إنارة الشوارع من الأجزاء التالية: الألواح الشمسية، ووحدات دوائر التعزيز، ووحدات التحكم، ومكونات اتصال Zigbee، وبطاريات، ومصادر إضاءة LED. كما هو موضح في الشكل 1. الشكل 1: رسم تخطيطي لنظام إنارة الشوارع. مبدأ العمل الأساسي للنظام: تحت سيطرة وحدة التحكم الشمسية، تقوم الألواح الشمسية بشحن البطاريات من خلال دائرتي تعزيز (من 12 فولت إلى 42 فولت) خلال النهار، وتُزوّد ​​البطاريات مصابيح LED بالطاقة ليلًا. في وحدة التحكم، يتم التحكم في الوقت الفعلي بدائرة التعزيز، وجهد البطارية، ودرجة الحرارة، ودرجة حرارة مجموعة مصابيح LED، وجهد لوحة البطارية، وتُعاد البيانات التي يجمعها المفتاح التناظري إلى وحدة التحكم الدقيقة (PIC) لتحقيق التحكم الذكي في نظام إنارة الشوارع. توفر وحدة Zigbee ضمانًا تقنيًا موثوقًا لربط نظام إنارة الشوارع بالشبكة. 1.1 الألواح الشمسية: تُعد الألواح الشمسية الجزء الأساسي من مصابيح إنارة الشوارع الشمسية، وهي الجزء الأكثر قيمة فيها. تتمثل وظيفتها في تحويل الطاقة الإشعاعية للشمس إلى طاقة كهربائية، أو إرسالها إلى البطارية لتخزينها. من بين أنواع الخلايا الشمسية العديدة، تُعد خلايا السيليكون أحادية البلورة، وخلايا السيليكون متعددة البلورات، وخلايا السيليكون غير المتبلور، الأكثر شيوعًا وعملية. في المناطق ذات ضوء الشمس الكافي والجيد، يُفضل استخدام خلايا السيليكون متعددة البلورات، لأن عملية إنتاجها أبسط نسبيًا، وسعرها أقل من سعر خلايا السيليكون أحادية البلورة. في المناطق ذات الأيام الغائمة والممطرة وقلة أشعة الشمس، يُفضل استخدام الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون أحادي البلورة، نظرًا لاستقرار خصائص أدائها. أما في حال قلة ضوء الشمس، فتُعدّ الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون غير المتبلور الخيار الأمثل، نظرًا لانخفاض متطلباتها من حيث شدة الإضاءة. إضافةً إلى ذلك، يشهد الجيل الثاني من الخلايا الشمسية تطورًا ملحوظًا، حيث يعتمد بشكل أساسي على طبقة لاصقة، أي مادة رقيقة تُستخدم في صناعة الخلايا الشمسية. 1.2 وحدة دائرة التعزيز وحزمة البطاريات: في هذا النظام، تُشحن البطارية بالطاقة الشمسية المُجمّعة من الألواح الشمسية عبر دائرتي تعزيز DCDC. تعتمد دائرة التعزيز على شريحة LM5022، وتُستخدم خاصية القفل الذاتي للجهد المنخفض في الشريحة للتحكم الذكي في عملية الشحن. بالنظر إلى العلاقة بين جهد خرج الخلية الشمسية والإضاءة، ففي المساء (حوالي الساعة 6 مساءً في الصيف وحوالي الساعة 5 مساءً في الشتاء)، يكون جهد خرج الخلية الشمسية أقل من جهد التشغيل الذاتي للشريحة (حوالي 1.25 فولت). عندها، تقوم وحدة التحكم بإيقاف شحن البطارية وتفعيل الإضاءة.