لماذا تفشل بعض طرازات مصابيح الأعمدة الشمسية بعد موسم شتوي واحد؟

كيف تقلل درجات الحرارة المنخفضة سعة البطارية بنسبة تصل إلى 50٪

عندما تنخفض درجات الحرارة بالخارج بشكل كبير، فإن المصابيح الشمسية لا تعمل بكفاءة كما ينبغي لأن التفاعلات الكيميائية داخل البطاريات تتباطأ كثيرًا. تعاني بطاريات الليثيوم أيون بشكل خاص عندما تنخفض درجات الحرارة تحت الصفر المئوي. وعند حوالي ناقص 20 درجة مئوية، قد تفقد هذه البطاريات ما بين 40 و50 بالمئة من سعتها الطبيعية. والسبب هو أن الإلكتروليت الموجود داخليًا يصبح أكثر كثافة، مما يجعل من الصعب على الأيونات الانتقال ذهابًا وإيابًا بين الأقطاب. ونتيجة لذلك، يجب على البطارية أن تعمل بجهد أكبر بكثير من المعتاد، ما يؤدي إلى استهلاكها بشكل أسرع وتقليل عمرها الافتراضي. خذ على سبيل المثال مصباحًا شمسيًا نموذجيًا مصممًا لتوفير 12 ساعة من الإضاءة في درجة حرارة الغرفة. إلا أنه في تلك الظروف المتجمدة، يجد معظم الناس أن مصابيحهم لا تستمر سوى حوالي 6 أو 7 ساعات قبل الحاجة إلى شحن جديد.

بطاريات الليثيوم أيون مقابل بطاريات LiFePO4 في المناخات دون الصفر: مقارنة في الأداء

بينما تشهد كلا نوعي البطاريات انخفاضًا في الكفاءة في المناخات الباردة، فإن بطاريات LiFePO4 (فوسفات الليثيوم الحديدي) تتفوق على الموديلات القياسية من بطاريات الليثيوم أيون:

كما أن بطاريات LiFePO4 تتحمل التفريغ العميق بشكل أفضل وتمتاز بمقاومة أعلى للتآكل، ما يجعلها أقل عرضة للفشل بنسبة 72٪ بعد التقلبات الموسمية في درجات الحرارة مقارنةً بالبدائل من بطاريات الليثيوم أيون.

البطاريات الميتة أو المتآكلة كأحد الأسباب الرئيسية لفشل النظام

حوالي ثلثي مشكلات البطاريات في فصل الشتاء الخاصة بالمصابيح الشمسية تحدث بسبب دخول الرطوبة والدورات المتكررة للتجمد والذوبان التي لا يحبها أحد. فما الذي يحدث بالفعل؟ حسنًا، يميل بخار الماء إلى تآكل الأطراف الكهربائية مع مرور الوقت. وفي بعض الأحيان، تنتفخ البطاريات عندما يتكون الجليد داخل أغلفة تالفة. كما توجد ظاهرة أخرى تتمثل في فقدان البطاريات لقدرتها على الاحتفاظ بالشحنة إذا تم شحنها بشكل غير كافٍ بشكل متكرر خلال الفترات الباردة. الخبر الجيد هو أن وضع هذه البطاريات في أغلفة مغلقة بشكل أفضل وتطبيق طبقة واقية من الصدأ يمكن أن يطيل بالفعل من عمرها الافتراضي. وتُظهر الاختبارات الميدانية أن البطاريات المعالجة بهذه الطريقة تظل وظيفية لفترة أطول بسنة ونصف إلى سنتين إضافيتين في ظروف الشتاء القاسية.

انخفاض التعرض لأشعة الشمس وكفاءة الألواح الشمسية في الشتاء

قصر ساعات النهار وضعف التعرض لأشعة الشمس مما يحد من دورات الشحن

عندما يأتي فصل الشتاء، نحن جميعًا نعرف ما يحدث لأيامنا التي تصبح أقصر فـ أقصر. فكمية أشعة الشمس تنخفض بشكل كبير، ربما ما بين ثلث ونصف الكمية التي نحصل عليها خلال أشهر الصيف. بالنسبة لإنارات الشوارع العاملة بالطاقة الشمسية الواقعة في المناطق الأكثر شمالاً، فقد تتلقى أربع أو خمس ساعات جيدة من أشعة الشمس يوميًا على الأكثر. وهذا يعني أن البطاريات الموجودة داخل هذه الإنارات تفرغ طاقتها أسرع مما ينبغي وفقًا للمواصفات التصميمية. وعلى المدى الطويل، يؤدي ذلك إلى مشكلات في الشحن السليم، ما يُسهم في تآكل البطاريات بشكل أسرع من المتوقع. وبسرعة نسبيًا، يبدأ الناس في ملاحظة تعطل إناراتهم رغم أنها لم تصل بعد إلى عمرها الافتراضي.

تراكم الثلج والأتربة وانخفاض كفاءة الألواح الشمسية

عندما تتراكم الثلوج على الألواح الشمسية، يمكن أن تقل كفاءتها بنسبة تتراوح بين النصف إلى توقفها التام حتى يقوم شخص ما بإزالتها. كما أن العواصف الشتوية تترك وراءها الأوساخ والرواسب الجليدية التي تحجب حوالي خمس إلى ربع أشعة الشمس التي تصل إلى الألواح. تلتصق المواد المتجمدة بالألواح بشكل أسوأ بكثير من الغبار العادي، وبالتالي يتطلب تنظيفها معدات خاصة لتجنب حدوث شقوق صغيرة في هذه الخلايا الشمسية المكلفة. عادةً ما تتخلص الأنظمة الشمسية المثبتة بزاوية تتراوح بين 45 و60 درجة من الثلج بشكل أفضل مقارنة بالألواح المثبتة بشكل مسطح على الأسطح، خاصة عندما لا تكون محاطة بإطارات داعمة معدنية. هذه الزاوية تُحدث فرقًا كبيرًا في الحفاظ على إنتاج الطاقة خلال الأشهر الباردة.

ت.orientation غير السليمة للوحة (غير المواجهة للجنوب) ومشاكل الظل الموسمية

الألواح الشمسية المثبتة على الجدران الشرقية أو الغربية تميل إلى إنتاج طاقة أقل بنسبة تتراوح بين 18 إلى 27 بالمئة تقريبًا خلال أشهر الشتاء مقارنة بتلك المواجهة للجنوب، والتي تستفيد بشكل أفضل من أشعة الشمس المنخفضة الزاوية في الشتاء. ويزداد هذا المشكل سوءًا مع التغيرات الموسمية أيضًا. فتلك الأشجار دائمة الخضرة التي تبدو جميلة جدًا في فنائنا المنزلية تلقي ظلالاً أطول بكثير في الشتاء بسبب موقع الشمس الذي يكون منخفضًا بحوالي 40 درجة مقارنة بأوقات الصيف. ويُعد هذا عاملًا مهمًا جدًا. ووفقًا لبعض الدراسات التي أجريت العام الماضي، فإن نحو ثلثي أنظمة الطاقة الشمسية التي لم تعمل بشكل صحيح خلال الشتاء كانت ألواحها مسدودة بشيء ما لمدة ثلاث ساعات كاملة على الأقل كل يوم. وهذا النوع من العوائق يقلل فعليًا بشكل كبير مما يمكن أن يتوقعه أصحاب المنازل من استثمارهم.

تسرب المياه، وفشل في الإغلاق، ونقص في مقاومة الظروف الجوية

دخول الرطوبة بسبب تصنيفات حماية غير كافية (IP) وعيوب في الإغلاق

تتطلب مصابيح الشوارع الشمسية إحكام طبقة الختم جيدًا للقدرة على تحمل التغيرات الموسمية التي نشهدها على مدار العام. أي منتج تقييمه أقل من IP65 لا يُعد مناسبًا حقًا للاستخدام في الهواء الطلق، لأنه ببساطة يعرّض الجهاز للخطر مع دخول الرطوبة عبر الفجوات، أو الكابلات الداخلة والخارجة، أو ختم قديم وبالي. وفقًا لتقرير صناعي العام الماضي، كان نحو ستة من كل عشرة مصابيح شمسية معطلة تعاني من مشكلات تآكل الصدأ عند نقاط الاتصال أو تمدد البطاريات بسبب الرطوبة الداخلية. أحيانًا لا تكون اختلافات درجات الحرارة كبيرة جدًا - ففقط تغير بحدود 15 درجة بين النهار والليل يمكن أن يُنتج ما يكفي من التكاثف عبر تسريبات صغيرة ليُسرّع من تلف المعادن. وماذا يحدث بعد ذلك؟ تبدأ المصابيح بالعمل بشكل غير منتظم أو تتوقف تمامًا عن العمل بعد حوالي 8 إلى 12 شهرًا بمجرد تعرضها لظروف الشتاء.

الأضرار المادية الناتجة عن حمولة الثلج، وتوسع الجليد، والظروف الجوية القاسية

تُعد العواصف الشتوية حقيقة تضع ضغطًا إضافيًا على هياكل مصابيح الطاقة الشمسية. عندما يتراكم الثلج بما يزيد عن 30 رطلاً لكل بوصة مربعة، فإنه يبدأ في ثني دعامات التثبيت المصنوعة من الألومنيوم. ودون الحديث عن تمدد الجليد داخل شقوق الغلاف – حيث يولد ضغطًا يبلغ نحو 2,000 رطل لكل بوصة مربعة، ما قد يؤدي فعليًا إلى تشقق العدسات البلاستيكية الشفافة. كما أن دورة التجمد والذوبان المستمرة تتسبب في تآكل الختم السيليكوني أيضًا، مما يسمح لملح الطرق والمياه المنصهرة بالتسرب إلى أماكن لا ينبغي أن تكون فيها. عادةً ما تتعرض المصابيح الشمسية التي لا تحتوي على حماية كافية من الجليد أو دعائم قوية ضد الرياح للكسر بمعدل ثلاث مرات أسرع في المناطق التي تظل درجات الحرارة فيها دون الصفر لأسابيع متواصلة. وبالإضافة إلى ذلك، عند حدوث انخفاض مفاجئ في درجة الحرارة، فإن الأجزاء المعدنية تن coنtracts بشكل كبير لدرجة أن وصلات اللحام على لوحات الدوائر تنفصل تمامًا. لا يلاحظ معظم الناس هذه المشكلة حتى يقوموا بفحصهم الدوري في الربيع، حينها تبدو كل الأجهزة وكأنها توقفت عن العمل.

جودة المكونات، وتحديد حجم النظام، والأخطاء التصميمية

استخدام مكونات منخفضة الجودة تفشل تحت ضغط الشتاء

ينتج الكثير من مشاكل المصابيح الشمسية في الواقع عن قيام الشركات المصنعة بالتقاطع على المواد لتوفير المال. فغالبًا ما تنكسر الأغلفة البلاستيكية عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة التجمد، أي حوالي 14 درجة فهرنهايت. كما أن تلك الختم الرخيصة لا تصمد جيدًا أيضًا، مما يسمح بتسرب المياه إلى الداخل حيث يمكن أن تتلف الإلكترونيات. ووجد تقرير حديث صدر عام 2022 حول معدات الطاقة المتجددة أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. فقد أظهر أن المصابيح الشمسية التي تستخدم بطاريات ليثيوم تقليدية جاهزة الاستخدام كانت تعاني من أعطال تزيد بنحو ثلاث مرات خلال أشهر الشتاء مقارنةً بالطرازات التي تستخدم مكونات خاصة مصممة للعمل في درجات الحرارة القصوى. وهذا منطقي تمامًا، إذ لا أحد يريد أن تتعطل إضاءة حديقته بالضبط في الوقت الذي يحتاجها فيه أكثر بعد يوم طويل خارج المنزل.

ألواح شمسية صغيرة الحجم وتكوينات النظام غير المتناسقة

تتطلب الشهور الباردة طاقة إضافية تبلغ حوالي 30 إلى 50 في المئة يوميًا فقط لتعويض ساعات النهار القصيرة، ولأن البطاريات لا تحتفظ بشحنها بشكل جيد عندما يكون الجو باردًا جدًا في الخارج. في كثير من الأحيان، لا تؤدي مصابيح الطاقة الشمسية أداءً جيدًا في الشتاء لأن الألواح المزودة بها تكون صغيرة جدًا مقارنة بما تحتاجه. انظر إلى معظم الموديلات الموجودة في السوق اليوم — أي جهاز يحتوي على لوحة طاقة أقل من 15 واط ويعمل على تشغيل لمبة إضاءة LED بقدرة 12 واط؟ نادرًا ما تنجح هذه التركيبة في أداء المهمة بشكل صحيح بحلول ديسمبر أو يناير. ودعونا لا ننسى وحدات التحكم في الشحن أيضًا. عندما لا تستطيع هذه الأجهزة تعديل إخراج الجهد الخاص بها بشكل مناسب في درجات الحرارة تحت الصفر، فإن ذلك يزيد الأمور سوءًا مع مرور الوقت بالنسبة لعمر البطارية.

عيوب تصميمية حرجة: حجم البطارية واللوحة لتشغيل الأجهزة في الطقس البارد

يتطلب التحضير الفعال لفصل الشتاء:

• حجم البطارية : لا يقل عن 120٪ من السعة الصيفية لتعويض انخفاض سعة بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 20–35٪ عند درجة حرارة -20°م
• توجيه اللوحة : ميل جنوبي حقيقي بزاوية 45–60 درجة لتعظيم التقاط ضوء الشمس المنخفض في الشتاء
• الاستبدال الاحتياطي : وحدات شحن ثانوية لمنع فشل الدوائر الكهربائية الناتج عن تراكم الجليد

الأنظمة التي تتجاهل هذه المبادئ التصميمية غالبًا ما تتعرض للتوقف التام بعد 80–100 دورة شتوية بسبب العجز الطاقي غير القابل للإصلاح والتدهور الكيميائي.

ممارسات الصيانة لزيادة عمر عمود المصباح الشمسي

أهمية التنظيف المنتظم والتفتيش والصيانة الاستباقية

يساعد الصيانة الدورية حقًا في مكافحة الانخفاضات الأداء التي تحدث عندما يأتي فصل الشتاء. يمكن تنظيف ألواح الطاقة الشمسية مرة واحدة كل شهر باستخدام قماش ميكروفايبر عالي الجودة من إيقاف ما يقارب الربع إلى ربما الثلث من كفاءتها من الضياع بسبب تراكم الأوساخ. إن ضبط الألواح بشكل موسمي يُحدث فرقًا كبيرًا عندما تقل ساعات النهار بشكل كبير. بالنسبة للبطاريات، فإن فحصها كل ثلاثة أشهر أمر مهم جدًا، ويجب الانتباه إلى علامات التآكل أو الرطوبة داخل تلك الحجيرات. يجب تنظيف المواسير بشكل كامل مرتين في السنة للحفاظ على توصيل الكهرباء بشكل سليم. ولا تتردد إذا بدأت أي أغطية عدسات بالتشقق لأنها يجب استبدالها على الفور. ولا ننسَ تحديث البرمجيات لأنظمة الشحن الذكية قبل حلول الطقس البارد.

كيف يؤدي الإهمال إلى تسريع تدهور البطارية وفشل النظام

عند تجاهل الصيانة الدورية، تبدأ أجزاء مصباح الطاقة الشمسية في العمل بجهد أكبر بكثير مما ينبغي. تقلل الألواح المتسخة من كمية الشحن التي يمكنها الحصول عليها، مما يؤدي إلى عمليات التفريغ العميقة التي تستهلك بطاريات الليثيوم أيون بسرعة تصل إلى ضعف أو أكثر. تصبح الوصلات التي بدأت في التآكل نقاط مشكلة صغيرة يصعب فيها مرور الكهرباء، مما يقلل من وقت التشغيل الفعلي بنسبة تتراوح بين 40% ونصف تقريبًا. تسمح الشقوق الصغيرة غير المرئية في الختم بدخول الماء إلى الداخل، وهي ما يؤدي غالبًا إلى تعطل لوحات التحكم عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة التجمد. تتراكم كل هذه المشكلات مع مرور الوقت، وقبل أن يدرك الناس ذلك، ينهار النظام بأكمله تمامًا مع عودة فصل الشتاء.

قسم الأسئلة الشائعة

لماذا تؤدي المصابيح الشمسية أداءً ضعيفًا في الطقس البارد؟

في الطقس البارد، تتباطأ التفاعلات الكيميائية داخل البطاريات، وتفقد بطاريات الليثيوم أيون سعتها بشكل كبير بسبب تكاثف الإلكتروليت، مما يقلل من الكفاءة ويطيل العمر الافتراضي.

كيف تقارن بطاريات LiFePO4 مع بطاريات الليثيوم أيون في المناخات الباردة؟

تحتفظ بطاريات LiFePO4 بسعة أكبر، وتتحمل التفريغ العميق، وتقاوم التآكل، وتُظهر استقرارًا حراريًا أعلى مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون القياسية في المناخات الباردة.

ما الأسباب التي تؤدي إلى فشل النظام في مصابيح الطاقة الشمسية خلال فصل الشتاء؟

غالبًا ما يؤدي دخول الرطوبة ودورات التجمد والذوبان والتآكل، إلى جانب الختم غير السليم والتصنيفات IP غير الكافية، إلى فشل النظام.

كيف يؤثر ضوء الشمس المحدود على كفاءة الألواح الشمسية في الشتاء؟

تؤدي ساعات النهار القصيرة والتعرض الضعيف لأشعة الشمس إلى تقليل دورات الشحن، وقد تفقد الألواح كفاءتها أحيانًا بسبب تراكم الثلج والأوساخ.

ما الممارسات الصيانية التي يمكن أن تطيل عمر مصابيح الطاقة الشمسية؟

التنظيف المنتظم، والفحص، والمحاذاة، والصيانة الاستباقية، إلى جانب تحديث البرامج قبل بدء الطقس البارد، هي عوامل أساسية لتمديد عمر مصابيح الطاقة الشمسية.