كيفية تصميم إضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية في المدارس

يقدم هذا الدليل إطارًا تفصيليًا لتصميم أنظمة إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية للجامعات. استنادًا إلى معايير دولية رائدة مثل CIE، EN 13201، وANSI/IESيغطي هذا الكتاب العناصر الأساسية بما في ذلك مستويات الإضاءة، وفعالية المصباح، ودرجة حرارة اللون، وتصميم العمود، وتكوين النظام، وتحليل التكلفة والفائدة، وكلها مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات السلامة والجمال الفريدة لبيئة الحرم الجامعي.

1. معايير أداء الإضاءة والتصميم

1.1 الإضاءة (لوكس) والتجانس

تعتبر مستويات الإضاءة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لسلامة المشاة والمركبات في الحرم الجامعي.

• الطرق الرئيسية: متوسط الإضاءة الأفقية (E_avg) ≥10 ليكس مطلوب، مع توحيد عام (Uo = الحد الأدنى للإضاءة / متوسط الإضاءة) ≥0.4ويضمن ذلك إضاءة متسقة، مما يمنع التعب البصري والبقع الداكنة التي تشكل مخاطر على السلامة.
• الطرق الثانوية ومسارات المشاة: متوسط الإضاءة ≥5 ليكس مع توحيد عام (Uo) لـ ≥0.3 كافية.
• التقاطعات والسلالم: تتطلب هذه المناطق إضاءة رأسية محسنة (يوصى بـ ≥ 10 lx) لتحسين التعرف على الوجه ورؤية العوائق.

1.2 التدفق الضوئي (لومن) والفعالية

• حساب اللومن:
  عدد اللومنات المطلوبة لكل مصباح = [الإضاءة المستهدفة (lx) × المساحة المضاءة (m²)] ÷ [معامل الاستخدام × معامل الصيانة]. تتراوح هذه العوامل عادةً بين 0.6 و0.7.
  مثال: لتحقيق 10 لومن على قسم طريق بمساحة 30م × 5م (150م²)، سيحتاج المصباح إلى ما يقرب من (10 × 150) / 0.6 ≈ 2500 لومن.
• متطلبات الفعالية:
  يجب أن تتمتع مصابيح LED الشمسية بفعالية ≥120 لومن/واط لتعظيم تحويل الطاقة وتقليل حجم النظام.

1.3 اختيار درجة حرارة اللون (CCT)

• النطاق الموصى به: 4000 كلفن – 5000 كلفن (الأبيض المحايد إلى الأبيض البارد).
• الأساس المنطقي: يوفر 4000K توازنًا بين الوضوح البصري والراحة، ومحاكاة ضوء النهار الطبيعي. يوفر 5000K ضوءًا أكثر وضوحًا، ومناسبًا للمناطق التي تتطلب يقظة أعلى، مثل مداخل مواقف السيارات.
• نصيحة مهمة: تجنب استخدام درجة حرارة لونية أعلى من 6000 كلفن. قد يُسبب ارتفاع مستوى الضوء الأزرق وهجًا وإرهاقًا بصريًا.

1.4 مؤشر تجسيد اللون (CRI)

• معيار: الحد الأدنى من را ≥80 هو المتطلب الأساسي.
• توصية: بالنسبة للمناطق القريبة من المختبرات أو المباني الفنية أو نقاط التفتيش الأمنية، فإن مؤشر CRI أعلى من را ≥90 يوصى به لضمان الإدراك الدقيق للألوان للأشياء والعلامات والمخاطر المحتملة.

2. التصميم الهيكلي والمواصفات

2.1 ارتفاع العمود والتباعد

نقاط التصميم الرئيسية:

• يجب أن تكون نسبة الارتفاع إلى التباعد ≤3.5 لضمان تداخل الضوء الكافي وتلبية معايير التوحيد (على سبيل المثال، يجب أن يكون التباعد بين الأعمدة التي يبلغ ارتفاعها 6 أمتار ≤21 مترًا).
• على الطرق المنحنية، قلل المسافة بمقدار ~20% للقضاء على المناطق المظلمة.

2.2 مادة القطب

• الاختيار الأساسي: فولاذ مجلفن بالغمس الساخن (درجة Q235، بسمك جدار ≥3.5 مم). يتميز هذا الفولاذ بمقاومة ممتازة للتآكل، ويتحمل رياحًا بقوة ≥12، وعمرًا افتراضيًا يزيد عن 20 عامًا.
• البدائل: سبائك الألومنيوم (خفيفة الوزن وجميلة ولكنها أكثر تكلفة) أو المركبات الخرسانية (متينة ولكن يصعب نقلها وتثبيتها).

2.3 تكوين الألواح الكهروضوئية والبطاريات (القسم المصحح)

هذا هو الحساب الأكثر أهمية لنظام الإضاءة الشمسية الموثوق.

• صيغة تحديد حجم لوحة الطاقة الشمسية:
  طاقة لوحة الطاقة الكهروضوئية (وات) ≥ (الاستهلاك اليومي للطاقة (واط) × عامل التكرار) ÷ ساعات الذروة المحلية للشمس (ساعة)

  مثال: بالنسبة لمصباح 60 وات ذو ملف تعريف ذكي (على سبيل المثال، 4 ساعات عند 100% و6 ساعات عند 30%)، فإن وقت التشغيل الكامل المكافئ هو 6.8 ساعة.
  • الاستهلاك اليومي = 60 واط × 6.8 ساعة = 408 واط ساعة.
  • توليد الطاقة اليومي المطلوب (مع عامل تكرار 1.5) = 408 واط في الساعة × 1.5 = 612 واط في الساعة.
  • بافتراض أن متوسط ساعات ذروة الشمس هو 4.0: طاقة لوحة الطاقة الكهروضوئية ≥ 612 واط في الساعة / 4 ساعات = 153 واتيوصى باستخدام لوحة 160 واط أو 180 واط.

• حجم سعة البطارية:
  سعة البطارية (واط/ساعة) ≥ الاستهلاك اليومي للطاقة (واط/ساعة) × أيام الاستقلالية

  مثال: للاستهلاك اليومي 408 واط في الساعة و3 أيام من الاستقلالية (في الطقس الممطر/الغائم):
  • سعة البطارية المطلوبة ≥ 408 واط/ساعة × 3 أيام = 1224 واط/ساعة.
  • باستخدام نظام بطارية LiFePO4 بقوة 12.8 فولت: السعة (آه/ساعة) = 1224 واط/ساعة / 12.8 فولت ≈ 96 أمبير/ساعة. 12.8 فولت/100 أمبير/ساعة تعتبر حزمة البطارية خيارًا مناسبًا.

3. تصميم نظام التحكم الذكي

3.1 استراتيجيات الإضاءة الآلية

• التعتيم المستند إلى الوقت: قم ببرمجة وحدة التحكم لضبط السطوع استنادًا إلى نشاط الحرم الجامعي النموذجي.
  • 18:00 – 22:00 (ساعات الذروة): سطوع 100%.
  • 22:00 – 06:00 (خارج أوقات الذروة): قم بتقليل الإضاءة إلى 30%-50% للحفاظ على الطاقة.
• استشعار الحركة: دُمج مستشعر ميكروويف أو مستشعر PIR (بنصف قطر كشف ≥ 10 أمتار). عند اكتشاف مشاة أو مركبة خارج أوقات الذروة، يضيء الضوء فورًا بقوة 80-100%، ثم يعود إلى وضع الخفوت بعد فترة زمنية محددة.

3.2 مراقبة الأعطال عن بعد

استخدم تقنيات إنترنت الأشياء (مثل LoRa/NB-IoT) لربط المصابيح. يتيح هذا لمنصة مركزية مراقبة البيانات لحظيًا، مثل الجهد، وكفاءة الشحن، وحالة المصابيح، مما يتيح الصيانة الاستباقية وتنبيهات الأعطال.

4. تحسين النظام وتحليل التكلفة والفائدة (تقديرات منقحة)

4.1 تفاصيل الاستثمار الأولي (تقدير لـ 100 وحدة)

4.2 توفير التكاليف التشغيلية

• توفير الكهرباء: يحل مصباح الطاقة الشمسية محل مصباح HPS تقليدي بقدرة 100 واط (يستهلك حوالي 120 واط مع الصابورة). يعمل لمدة 10 ساعات يوميًا، ويبلغ التوفير السنوي لكل مصباح حوالي 1.2 كيلوواط/ساعة × 365 يومًا × $0.15/كيلوواط/ساعة = $65.7/سنةتبلغ تكلفة الكهرباء للأضواء الشمسية $0.
• توفير الصيانة: بفضل مصابيح LED طويلة العمر (أكثر من ٥٠,٠٠٠ ساعة)، تقل تكاليف الصيانة بشكل كبير. مقارنةً بالاستبدال المتكرر للمصابيح/الصابورة، قد تكون التكاليف تم تخفيضه بمقدار 50%-70%.

4.3 تقدير العائد على الاستثمار (ROI)

• التوفير السنوي لكل ضوء (تقديري): $65.7 (طاقة) + $35 (توفير الصيانة) ≈ $100.
• الاستثمار لكل ضوء (تقديري): $545.
• العائد على الاستثمار المقدر: ~$100 / $545 ≈ 18.3% سنويًا.
• فترة الاسترداد: تقريبًا من 4 إلى 6 سنوات.

4.4 جدول الصيانة الموصى به

• تنظيف الألواح الكهروضوئية: كل ٣-٦ أشهر في المناطق المتربة للحفاظ على كفاءة الشحن. غالبًا ما يكون هطول الأمطار كافيًا في مناخات أخرى.
• فحص صحة البطارية: راقب عبر النظام عن بُعد. يُنصح بإجراء فحص موضعي كل عامين. عادةً ما يتراوح عمر بطاريات LiFePO4 التصميمي بين 5 و8 سنوات.

5. عملية التصميم وتوصيات التنفيذ

1. إعطاء الأولوية لمحاكاة الإضاءة: استخدم برامج احترافية مثل ديالوكس خلال مرحلة التصميم، يتم إنشاء محاكاة. هذا يُثبت أن التصميم المُقترح يُلبي جميع أهداف الإضاءة والتجانس قبل الشراء.
2. التحقق من صحة المشروع التجريبي: ركّب عددًا صغيرًا من الوحدات على جزء تمثيلي من الطريق. اختبر أداءها الفعلي، وخاصةً قدرتها على العمل لمدة ٧٢ ساعة أو أكثر خلال أيام غائمة متتالية.
3. إعطاء الأولوية للمجالات الرئيسية للترقيات: قم بتنفيذ المشروع من خلال التركيز أولاً على المناطق ذات الحركة المرورية الكثيفة (على سبيل المثال، المسارات بين المساكن والمكتبات وقاعات الطعام) والمخاوف الأمنية المعروفة مثل المنحنيات الحادة أو التقاطعات ذات الإضاءة السيئة.