أعمدة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية: نظام صغير لتوليد الطاقة الكهروضوئية

في عالم اليوم الذي يعاني من نقص الطاقة وتفاقم التلوث البيئي، يُعدّ التطوير الكامل للطاقة الشمسية واستخدامها الأمثل استراتيجية الطاقة التي تتبناها الحكومات حول العالم لتحقيق التنمية المستدامة. وتزداد شعبية مصابيح الشوارع الشمسية يومًا بعد يوم لما تتميز به من مزايا عديدة، فهي لا تتطلب فنيين متخصصين لإدارتها والتحكم بها، كما أنها استثمار لمرة واحدة لا يُرتب أي تكاليف كهرباء مستقبلية، ولا تحتاج إلى مدّ خطوط نقل أو حفر خنادق لتمديد الكابلات، ويمكن تركيبها بسهولة في الساحات والحرم الجامعية والحدائق والشوارع. ويتكون نظام إضاءة الشوارع الشمسية عادةً من عدة أجزاء، مثل مكونات الخلايا الشمسية والبطاريات ومصادر الإضاءة ووحدات التحكم (كما تحتاج مصادر الإضاءة التي تعمل بالتيار المتردد إلى محولات). وعلى عكس مصابيح الشوارع التقليدية، تعتمد مصابيح الشوارع الشمسية على الخلايا الشمسية كمصدر وحيد للطاقة. ونظرًا لارتفاع تكلفة مكونات الخلايا الشمسية نسبيًا، فإنه من الضروري استخدام مصادر إضاءة عالية الكفاءة لخفض تكاليف النظام. وتُعدّ مصابيح LED أجهزة شبه موصلة باعثة للضوء، قادرة على تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء مرئي. وقد شهدت تقنية LED في السنوات الأخيرة تطورات كبيرة، كما تحسّن أداؤها من حيث التكلفة بشكل ملحوظ. بالمقارنة مع مصادر إنارة الشوارع التقليدية، تتميز مصابيح LED بكفاءة إضاءة عالية، إذ يبلغ عمرها الافتراضي ضعف عمر المصابيح المتوهجة تقريبًا، مع عمر أطول يتجاوز 105 ساعات. تستهلك مصادر الإضاءة التقليدية كمية كبيرة من الطاقة، ويعمل معظمها تحت ضغط عالٍ. يقلل استخدام وصلات العاكس المعزز من استهلاك الطاقة، بينما تستخدم مصابيح LED مصدر طاقة تيار مستمر منخفض الجهد. يتيح التحكم الآمن والمنخفض التكلفة في مصدر الإضاءة إمكانية ضبط شدة الإضاءة والظلال والتبديل بينها بشكل متكرر. تُعد أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية عمومًا أنظمة كهروضوئية صغيرة. ينص معيار البنك الدولي على أن يكون تيار الاستهلاك الذاتي لوحدة التحكم في النظام الكهروضوئي الصغير أقل من 1% من تيار التشغيل المقنن. لذلك، يُعد تصميم دائرة التحكم واختيار الأجهزة منخفضة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية. تستخدم مصابيح إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية دائرة تحكم تتكون من مقارن جهد مُدمج مع مُضخم عمليات. هذه الدائرة عبارة عن نظام تحكم مُكوّن بالكامل من مكونات مادية، مما يجعلها بسيطة وموثوقة وسهلة الصيانة ومنخفضة التكلفة، كما أنها تستهلك طاقة منخفضة للغاية. يكمن جوهر هذا النوع من الدوائر في تصميم تجانس أفضل للجهد الكهربائي بما يتناسب مع خصائص شحن وتفريغ البطارية، مع ضرورة اختيار جهاز موثوق. وبالاقتران مع دائرة مؤشر حالة الشحن والتفريغ المكونة من ثنائيات باعثة للضوء، يصبح النظام وحدة تحكم ذات وظائف عملية. تتمثل وظيفته في منع الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطارية. يعتمد النظام على دائرة تحكم مباشرة في الشحن والتفريغ، حيث يُمكنه تحقيق التكيف الذاتي للطاقة بناءً على خصائص التوافق بين الثنائيات الباعثة للضوء والبطارية. في الأشهر القليلة التي يكون فيها الإشعاع الشمسي غير كافٍ، يكون مستوى شحن البطارية منخفضًا، مما يؤدي إلى تفريغها. كما يكون جهدها الطرفي منخفضًا أيضًا، وبالتالي يكون تيار التشغيل للحمل أقل، والطاقة المطلوبة أقل، مما يسمح للنظام بالعمل لفترة أطول. وعلى العكس، عندما يكون الإشعاع الشمسي كافيًا، يكون تيار التشغيل للحمل أكبر، والطاقة المطلوبة أعلى، والإضاءة أقوى.