تخيل الطرق الجبلية النائية المضاءة بأضواء الشوارع الشمسية عند حلول الليل. في حين أن هذه الأضواء توفر الإضاءة الأساسية، فإن عملها الموثوق يعتمد على البطاريات التي غالباً ما يتم تجاهلها.بينما الألواح الشمسية تستمر في توليد الكهرباء، قد تدخل البطاريات بالفعل مرحلة التراجع. بحلول عام 2025، كم ستستمر بطاريات مصابيح الشوارع الشمسية؟ وكيف يمكننا تمديد عمرها مع تقليل تكاليف الصيانة؟
وقد اكتسبت مصابيح الشوارع الشمسية اهتمامًا متزايدًا كحل لإضاءة نظيف وصديق للبيئة.عمر المكون الرئيسي للجهاز البطارية يحدد بشكل مباشر تواتر صيانة النظام وتكاليف التشغيل على المدى الطويلتدرس هذه المقالة العوامل التي تؤثر على عمر البطارية، وتقارن بين مختلف مواد البطارية الكيميائية، وتقدم استراتيجيات عملية لتمديد عمر البطارية.
البطاريات: قلب أنظمة أضواء الشوارع الشمسية
تعمل بطاريات مصابيح الشوارع الشمسية مثل قلب الإنسان، وتوفر طاقة مستمرة للنظام بأكمله. في معظم الحالات، تفشل البطاريات قبل الألواح الشمسية،جعل دورات استبدال البطارية هي العامل الرئيسي لتواتر الصيانةوتشمل أنواع البطاريات الشائعة البطاريات الحمضية الرصاصية (3-5 سنوات من العمر) وبطاريات الليثيوم (5 سنوات أو أكثر) ، مع تأثير العمر الفعلي على عمق التفريغ (DoD) ، والدورات الليلية،ودرجة حرارة البيئة.
تعمل الألواح الشمسية بشكل موثوق عادة لمدة 20-30 عامًا مع تدهور تدريجي في طاقة الإخراج (حوالي 0.5% سنويًا). يمكن أن تستمر أعمدة الضوء المعالجة بشكل صحيح لأكثر من 20 عامًا ،في حين أن وحدات LED عالية الجودة مع إدارة حرارية جيدة يمكن أن توفر حوالي 50،000 ساعة (حوالي 10 سنوات) من الإضاءة. عادة ما تستمر أجهزة التحكم 5-10 سنوات. لذلك ، غالباً ما تصبح البطاريات العامل المحدد في عمر النظام الإجمالي.
1. عمر مكونات مصباح الشوارع الشمسية
تعتمد عمر مكونات مصابيح الشوارع الشمسية على الجودة والظروف المناخية والتصميم الحراري وأنماط التشغيل. فيما يلي نطاقات العمر النموذجية للمكونات الرئيسية:
1.1لوحات شمسية
عمر التشغيل: 25-30 سنة مع تدهور السنوي للطاقة حوالي 0.5 ٪، درجات الحرارة العالية تسريع التدهور.التنظيف المنتظم والحفاظ على زاوية الانحناء المناسبة يمكن أن يحسن الكفاءة.
1.2. المراقب
عمر الخدمة: 5-10 سنوات اعتمادا على جودة المكونات وتصنيف حماية الحجرة. درجات الحرارة العالية والرطوبة هي الأسباب الرئيسية للفشل.المقصورات المغلقة و التخفيضات المناسبة يمكن أن تمدد عمر.
1.3بطارية
البطاريات التقليدية الحمضية الرصاصية تستمر حوالي 3 سنوات. مع التفريغات العميقة المتكررة، قد تنخفض السعة إلى أقل من 10٪ من السعة المستخدمة بنهاية الحياة.بطاريات الليثيوم الحديثة (ليثيوم أيون / LiFePO4) عادة ما تستمر أكثر من 5 سنواتالحرارة المرتفعة والفواصل العميقة تقصر طول العمر بشكل كبير.
1.4مصدر الضوء
توفر وحدات LED عالية الجودة مع التصميم الحراري المناسب حوالي 50،000 ساعة (حوالي 10 سنوات في عملية نموذجية من الغسق إلى الفجر).إدارة الحرارة السيئة يمكن أن تقلل من صيانة الضوء وتقلل من العمر الفعلي إلى النصف.
1.5قطب خفيف
الأقطاب المصنعة بالزجاج الحار مع الحماية المناسبة من التآكل تستمر عادةً أكثر من 20 عامًا. تسارع الملوحة الساحلية والتلوث الصناعي التآكل.التفتيش المنتظم للطلاء يقلل من أضرار البنية، بينما الرياح القوية تتطلب أسس قوية
لماذا تتدهور بطاريات مصابيح الشوارع الشمسية أسرع من الألواح الشمسية؟
تتحلل البطاريات بشكل أسرع لأنها تخضع لدورات شحن / تفريغ يومية ولديها قيود أكثر صرامة في درجة الحرارة / الجهد. في ظل ظروف متطابقة ، تستمر البطاريات الحمضية الرصاصية لمدة 3-5 سنوات ،بطاريات الليثيوم 5-10 سنوات، في حين أن الألواح الشمسية تعمل بشكل موثوق لمدة 25-30 عامًا مع تدهور طاقة سنوي بنسبة 0.5٪ فقط. ويرجع هذا الاختلاف إلى ثلاثة عوامل: مجموع الدورات (على سبيل المثال ، 2000-6000) ، متوسط DoD (30-80٪) ،وتعرض الحرارةالتفريغات العميقة ودرجات الحرارة العالية تسريع فقدان القدرة.
تتكون الألواح الشمسية في المقام الأول من مواد خاملة (الألومنيوم والزجاج والإيفا والسيليكون) التي تخضع للتدهور الضوئي البطيء ، مما يؤدي إلى انخفاض تدريجي في الطاقة.البطاريات هي أنظمة الكهروكيميائية حيث كل دورة تسبب انخفاضًا دائمًا في السعة من خلال نمو SEIتتضمن استراتيجيات تمديد العمر تقليل DoD الليلي (على سبيل المثال ، 30-50٪) وتحسين الإدارة الحرارية (التظليل ، التهوية).الحل الأساسي هو الحجم المناسب للقدرة لتجنب الدوران العميق المتكرر.
أي نوع من البطاريات هو الأفضل لمصابيح الشوارع الشمسية؟
يجب أن ينظر اختيار البطارية في درجة الحرارة المحلية، و DoD الليلية، وإمكانية الوصول إلى الصيانة. يوازن الخيار الأمثل عدد الدورة، DoD، والتكلفة لكل كيلوواط ساعة / عام لتقليل تكاليف دورة الحياة.للتطبيقات الدورية، بطاريات الليثيوم عادة ما تفوق الأداء على الحمض الرصاصي، مع LiFePO4 تقدم حياة دورة متفوقة وتحمل درجة الحرارة، مما يجعلها الخيار المفضل لمصابيح الشوارع الشمسية.
1بطاريات النيكل الكادميوم
توفر بطاريات Ni-Cd مقاومة حرارية ممتازة وتحمل الإساءة ، وتقدم حوالي 2500 دورة عند 60٪ DoD.معدل تفريغها الذاتي المتوسط مناسبة للمنشآت النائية مع نوافذ صيانة محدودةومع ذلك، فإن الكادميوم السام يعقد التخلص منه. قد يكون Ni-Cd خيارًا عمليًا متوسط الميزانية للبيئات عالية درجة الحرارة.
2بطاريات الحمض الرصاصي (AGM/Gel)
البطاريات الحمضية الرصاصية لديها تكاليف أولية أقل ولكنها تتدهور بسرعة مع تفريغات أعمق ، وعادة ما تقدم 500 دورة عند 50٪ DoD أو 1200 دورة عند 30٪ DoD.بطاريات AGM / gel تُزيل مشاكل التهوية وتتطلب الحد الأدنى من الصيانةتتوقع 3-7 سنوات من الخدمة في التطبيقات من الغسق إلى الفجر.
3بطاريات الليثيوم أيون (ليثيوم أيون)
يوفر الليثيوم الأيون التقليدي كثافة طاقة عالية في حزم مضغوطة ، حيث يوفر دورات 2000-3000 عند 80٪ DoD بفعالية عالية وتفريغ ذاتي منخفض. يحدث الشحن الأمثل بين 0-45 درجة مئوية ،تتطلب اندماجًا دقيقًا في المناخات القاسيةحجمها الصغير يفيد المنشآت الحساسة الجمالية.
4بطاريات الليثيوم الفوسفات الحديدي (LiFePO4)
أصبح LiFePO4 هو الخيار الرئيسي لمصابيح الشوارع الشمسية بسبب عمر دورة موثوق بها (4,500 دورة عند 80٪ DoD) وتسامح درجة حرارة واسعة.هذه البطاريات عادة ما تستمر 10-15 سنة، مما يوفر أفضل توازن بين التكلفة والمتانة دون متطلبات الصيانة.
5بطاريات التدفق
تخزن أنظمة التدفق الطاقة في الكهربائيات السائلة ، مما يوفر عمرًا يزيد عن 20 عامًا في التطبيقات على نطاق واسع. ومع ذلك ، فإن حجمها وتعقيدها تجعلها غير عملية للضوء المثبت على القطب.قد تستفيد المنشآت الأرضية من قدرة التفريغ العميق وعمر الدورة الطويل، على الرغم من أن المضخات الميكانيكية والخزانات تزيد من تعقيد التكامل.
الاعتبارات الرئيسية لاختيار بطارية ضوء الشارع الشمسي
يجب أن يأخذ الاختيار بعين الاعتبار الحمل (المشع في الساعات إلى كيلوواط الساعة) ، والمناخ (°C/°F) ، والحد المسموح به. السعة والكيمياء المناسبة تبقي البطاريات ضمن نطاقات العمل الآمنة، مما يطيل فترات استبدالها.تحويل طاقة المصابيح وفترة تشغيل ليلية إلى أمبير-ساعات، ثم تعديل للكفاءة ذهابا وإيابا وأيام الاستقلال الذاتي. النظر في حجم الحجرة، وجهد النظام، والسلامة، والتكلفة الإجمالية لكل كيلوواط ساعة / سنة.
1السعة والحجم المادي
المطلوب Ah @ V ≈ (المصابيح W × ساعات الليل × أيام الاستقلال الذاتي) ÷ (V × DoD × كفاءة الجولة ذهابا وإيابا). مثال: ضوء 15W / 1،500 ليمن يعمل 12 ساعة مع الاستقلال الذاتي لمدة 2 أيام عند 12V ، 50٪ DoD ، و 0.80 كفاءة تتطلب ~ 75Ah• زيادة كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم تقلل من حجم الحجرة ووزن القطب، وهو أمر حاسم بالنسبة للمنشآت ذات المساحة المحدودة.
2تقييم الطاقة وجهد النظام
يجب أن يتطابق الجهد مع السائقين (عادة 12/24/48 فولت على القطب). تأكد من أن الطاقة المستمرة تتجاوز استهلاك المصابيح بما في ذلك التيارات الزائدة ، مع هامش السلامة. تتدهور البطاريات ذات الحجم المنخفض قبل الأوان.وحدات كبيرة الحجم تقلل من وزارة الدفاع الليلية، تمديد عمر الدورة. الحفاظ على الأسلاك قصيرة ومراقبة حدود انخفاض الجهد.
3عمق التفريغ (DoD) الأهداف
تؤثر DoD بشكل حاسم على العمر. تستهدف بطاريات الحمض الرصاصي 20-40٪ DoD لخدمة طويلة ، في حين تتسامح الليثيوم مع ≤75-80% DoD. تظهر البيانات أن حمض الرصاص يوفر ~ 500 دورة عند 50% DoD أو ~ 1,200 عند 30%;يوفر الليثيوم أيون ~ 2000-3000 دورة عند 80٪ DoD ، LiFePO4 ~ 4500 دورة. التفريغات الليلية الأصغر تطيل الخدمة التدريبات الدورية الضئيلة تدفع أرباحًا.
4كفاءة الرحلة ذهابا وإيابا
تؤثر الكفاءة على حسابات السعة وتحديد حجم اللوحة. العديد من أنظمة النموذج ~ 0.80 كفاءة ذهاب وعودة ؛ يحقق LiFePO4 ~ 0.95 في درجة حرارة الغرفة. تحسين من 0.80 إلى 0.90 يقلل من Ah المطلوبة بنسبة ~ 11٪التحقق من درجات الحرارة الفعلية في الحجرة والتحقق من صحة إعدادات الشاحن.
5الحياة التقويمية مقابل الحياة الدورية
تحويل الدورات إلى سنوات في دورة ليلية واحدة. عادة ما يستمر حمض الرصاص لمدة 3-7 سنوات في الاستخدام الدوري؛ يتراوح ليتيم 5-10 سنوات اعتمادا على وزارة الدفاع، ودرجة الحرارة، والإدارة. نطاقات المثال: ليثيوم أيون ~ 2،000-3،000 دورة عند ~ 80% DoD ؛ LiFePO4 ~ 4,500 دورة عند ~ 80% DoD. درجات الحرارة العالية والدورات العميقة تسريع الشيخوخة القدرة على الاختيار للمناخ المحلي.
6السلامة والتأثير البيئي
تصميم الاستقرار الحراري، وتصنيف IP للمحفظة، والتخلص المسؤول. تنفيذ حماية BMS، وقطع الحرارة، ونوافذ الشحن المناسبة للكيمياء.يتطلب Ni-Cd معالجة النفايات الخطرة؛ AGM / gel المغلقة تقلل من مخاوف التهوية ؛ يعتبر LiFePO4 مستقرا على نطاق واسع للتركيب على القطب. تأكيد جميع العلامات المطلوبة والموافقات الشحن.
7التسعير وتكلفة الملكية الإجمالية
مقارنة السعر لكل ساعة مع سنوات الخدمة المتوقعة للتكلفة السنوية. البيانات التوجيهية: AGM≈ $ 0.80 / ساعة ، جيل≈ $ 1.00 / ساعة ، LiFePO4≈ $ 1.20 / ساعة ، ليثيوم أيون≈ $ 1.58 / ساعة. تكلفة حزمة 75Ah LiFePO4 ~ $ 90 ؛600Ah إجمالي ~ $ 720 (البطارية فقط)بما في ذلك تكاليف النقل وإيجار المصاعد، فإن عمر دورة أطول قد يعوض ارتفاع تكاليف الساعه الواحدة، ويحسب تكاليف الاستبدال ووقت التوقف.
متى ينبغي استبدال بطاريات مصابيح الشوارع الشمسية؟
يظهر الفشل أولاً في وقت التشغيل ، ثم سلوك الشحن. استبدال عندما ينخفض الحكم الذاتي الليلي ≥ 20-30٪ من القياس الأساسي ، قراءة اختبارات القدرة ≤70-80٪ من الاسمية ،أو البطاريات تؤدي بشكل متكرر إلى قطع الجهد المنخفض (LVC) أثناء الأحمال العادية بعد أيام مشمسة- مراقبة الانجراف القابل للقياس (مدة شحن أطول (دقائق/كيلوواط في الساعة) ، وتفريغ الذاتي الأسرع (فولت/يوم) ، وارتفاع درجة الحرارة (درجة مئوية) ، أو التشوه الفيزيائي.
وضع معايير خلال التشغيل: سجل متوسط وقت الشحن، و kWh المدخل / الخروج، والساعات الليلية تحت ملف تعديل الضوء القياسي، ودرجة حرارة الغرفة. الانحراف الطفيف هو أمر طبيعي.الانحرافات الكبيرة تشير إلى مشاكل.
كيفية زيادة عمر بطارية مصباح الشوارع
إن تمديد العمر يتطلب الانضباط: الحفاظ على 30-60٪ من DoD ، والحد من دورة واحدة ليلاً ، والحفاظ على الحجرات عند 15-30 درجة مئوية (59-86 درجة فهرنهايت) ، يمكن لهذه الرافعات الثلاثة إضافة سنوات من الخدمة.محطات نظيفة، والتحقيقات الدورية تحمي كمية الكيلوواط في الساعة، في حين أن الحجم الصحيح لللوحة / البطارية يمنع الدورة العميقة المزمنة.
1صيانة البطارية ومراقبتها
تنفيذ عمليات فحص أسبوعية لتسجيل مدخلات وخرجات كيلوواط، وتيار الشحن الذروة، وتوتر الغسق والفجر، ودرجة حرارة الحجرة. وضع تنبيهات لرحلات LVC، وارتفاع درجة الحرارة، وعدم توازن الخلية.التنظيف الفصلي للمحطة والتحقق من عزم الدوران يمنع إهدار واطات وتراكم الحرارةتجارب التفريغ السنوية المسيطرة توفر مقاييس قدرة قابلة للمقارنة.
2أنماط ركوب الدراجات الصحية
دورة ليلية كاملة واحدة هي النموذجية ؛ قد تكون دورتان مقبولتين مع تبرير التعريفات ، ولكن أكثر من ذلك يسرع الارتداء. يتجنب التخفيف التكيفي التفريغات العميقة غير الضرورية خلال الليالي منخفضة حركة المرور.الحكم الذاتي المتوسط (يومين إلى يومين) يقلل من الدورات العميقة القسرية بعد فترات غائمة.
3الحفاظ على توصية وزارة الدفاع
وزارة الدفاع هي الرافعة الأكثر تأثيراً. يستهدف حمض الرصاص 20-40٪ من وزارة الدفاع لخدمة متعددة السنوات. يتحمل الليثيوم ≤75-80٪ من وزارة الدفاع مع أعداد دورات أعلى.خفض DoD من 80%→50% قد يزيد من عمر دورة الليثيوم بنسبة 30-60%التخفيف بعد منتصف الليل يقلل من استهلاك السعرات السريعة مع الحفاظ على درجة ضغط ضئيلة.
4ظروف تخزين وتشغيل مناسبة
الحرارة هي أسرع قاتل للبطارية. بطاريات الدرع من تجاويف القطب التي يتم تسخينها بالشمس إضافة تهوية أو درع عاكس إذا تجاوزت درجات حرارة الغرفة 35 درجة مئوية. البرد يزيد من المقاومة الداخلية.التحقق من عتبات التكلفة للمواقع تحت الصفر وتنفيذ التسخين المسبق إذا لزم الأمرالحجرات الجافة ذات التصنيف IP تحد من التآكل والتسرب المرتبط بالرطوبة.
الأسئلة الشائعة
ما هو العمر المعتاد لبطاريات مصابيح الشوارع الشمسية؟
معظم أنظمة AGM / gel-lead-acid تستمر لمدة 3-5 سنوات ؛ ليثيوم أيون 5-10 سنوات ؛ LiFePO4 8-15 سنة على افتراض دورة واحدة ليلية و DoD صحية. الدورة الدورية اليومية تعني مدة حياة مسارات تقييم دورة:حمض الرصاص يحقق عادة 1، 000-1600 دورة عند DoD ضحلة ؛ ليثيوم أيون ~ 2,000-3,000 دورة عند ~ 80% DoD ؛ LiFePO4 ≥ 4,500 دورة عند ~ 80% DoD. الحجرات الساخنة والفواصل الليلية العميقة تقصير العمر أسرع.
كيف أعرف متى تحتاج بطارية مصباح الشارع الشمسي إلى استبدال؟
خطة استبدال عندما تنخفض السعة إلى ~ 70-80٪ من الأساسية أو لا تلبي الأضواء ساعات الليل العادية بعد أيام مشمسة. تشمل علامات التحذير إطلاق LVC المتكرر، الشحن لفترة طويلة،أو تفريغ ذاتي ملحوظ عند الراحة، مما يشير إلى ارتفاع المقاومة الداخلية وفقدان كيلوواط في الساعة.يتطلب الضرر الجسدي استبدالًا فوريًا. يعطي العمر إرشادًا: حمض الرصاص في 3-5 سنوات والليثيوم في 5-10 سنوات في الدراجات اليومية هي نوافذ استبدال شائعة.
