المصباح الشمسي هو نظام إضاءة يتألف من مصباح LED ، وألواح شمسية ، وبطارية ، وجهاز تحكم في الشحن ، وقد يكون هناك أيضًا عاكس. يعمل المصباح على الكهرباء من البطاريات ، ويتم شحنه من خلال استخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية.

يمكن للإضاءة المنزلية التي تعمل بالطاقة الشمسية أن تحل محل مصادر الضوء الأخرى مثل الشموع أو مصابيح الكيروسين. إن للمصابيح الشمسية تكلفة تشغيل أقل من مصابيح الكيروسين لأن الطاقة المتجددة من الشمس مجانية ، على عكس الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، لا تنتج المصابيح الشمسية أي تلوث للهواء في الأماكن المغلقة على عكس مصابيح الكيروسين. ومع ذلك ، تكون للمصابيح الشمسية عمومًا تكلفة أولية أعلى ، وهي تعتمد على الطقس.

غالباً ما تكون للمصابيح الشمسية للاستخدام في الحالات الريفية القدرة على توفير إمدادات الكهرباء للأجهزة الأخرى ، مثل شحن الهواتف المحمولة. لقد عمل المستثمرون الأمريكيون على تطوير فانوس شمسي بقيمة 10 دولار / وحدة لاستبدال مصابيح الكيروسين.

التاريخ
وتستخدم بعض الخلايا الشمسية الكهروضوئية ألواح سيليكون أحادية البلورية أو ألواح السيليكون متعددة البلورات ، بينما تستخدم التقنيات الحديثة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. منذ أن تم إدخال الخلايا الشمسية الحديثة في عام 1954 في مختبرات Bell ، أدى التقدم في كفاءة الخلايا الشمسية في تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية وتقنيات التصنيع الحديثة جنبًا إلى جنب مع كفاءات الحجم إلى نمو عالمي للخلايا الكهروضوئية.

اعتبارا من عام 2016 ، تستخدم مصابيح LED فقط حوالي 10 ٪ من الطاقة التي يتطلبها مصباح وهاج. أدت الكفاءة في إنتاج مصابيح LED إلى زيادة التبني كبديل للإضاءة الكهربائية الأخرى.

المبادئ التقنية
يتم تشغيل تشغيل وإطفاء الإضاءة الكهربائية بواسطة وحدة تحكم: عند حلول الظلام ، يتم تشغيل الضوء تلقائيًا ويتم إيقافه عند شروق الشمس. تم تجهيز بعض الموديلات بكاشفات التواجد لحفظ البطارية والضوء فقط إذا لزم الأمر.
المكونات

الألواح الشمسية
تصنع الألواح الشمسية من بلورات مصنوعة من روابط تساهمية بين الإلكترونات على الغلاف الخارجي لذرات السليكون. والسيليكون هو من أشباه الموصلات ، وهو ليس معادن تعمل بالكهرباء أو عوازل لا تعمل بالكهرباء. لا تقوم أشباه الموصلات عادةً بتوصيل الكهرباء ولكن في ظل ظروف معينة فإنها تفعل ذلك في هذا المثال مع عرض الضوء.

تحتوي الخلية الشمسية على طبقتين مختلفتين من السيليكون. الطبقة السفلى لديها إلكترونات أقل وبالتالي لديها شحنة موجبة طفيفة بسبب طبيعة الشحنة السالبة للإلكترونات. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الطبقة العليا على المزيد من الإلكترونات ولها شحنة سالبة قليلاً.

يتم إنشاء حاجز بين هاتين الطبقتين ، ولكن عندما يدخل تيار جسيمات الضوء يسمى الفوتونات ، فإنها تتخلى عن طاقتها للذرات الموجودة في السيليكون. إنه يشجع إلكترونًا واحدًا من رابطة تساهمية إلى مستوى طاقة تالي من الطبقة العليا إلى الطبقة السفلى. هذا الترويج للإلكترون يسمح بحرية الحركة داخل البلورة التي تنتج تيارًا. مزيد من الضوء يضيء من خلال المزيد من الإلكترونات تتحرك حول التدفقات الحالية أكثر من ذلك. هذه العملية تسمى التأثير الكهروضوئي والكهروضوئي. النظم الضوئية تعني حرفيا مزيج من الضوء والجهد الكهربي وتستخدم الخلايا الضوئية لتحويل أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء.

تصنع الألواح الشمسية من طبقات من مواد مختلفة ، كما ترون في الشكل 2 ، حسب ترتيب الزجاج ، التغليف ، الخلايا البلّورية ، التغليف ، الورقة الخلفية ، صندوق الوصل والإطار الأخير. يحفظ التغليف الرطوبة والملوثات التي يمكن أن تسبب مشاكل.

البطارية
عادة ما تكون البطارية موضوعة داخل علبة معدنية أو بلاستيكية. داخل هذه الحالة توجد أقطاب تشمل كاثودات وأنودات تحدث فيها تفاعلات كيميائية. يوجد أيضًا فاصل بين الكاثود والأنود الذي يمنع الأقطاب من التفاعل معًا في نفس الوقت مع السماح للشحنة الكهربائية بالتدفق بحرية بين الاثنين. وأخيرًا ، يقوم الجامع بتوجيه شحن من البطارية إلى الخارج.

تستخدم البطاريات الموجودة داخل المصابيح الشمسية عادةً تكنولوجيا الهلام بالكهرباء ذات الأداء العالي في التفريغ العميق ، من أجل تمكين الاستخدام في درجات الحرارة القصوى. وقد يستخدم أيضًا حمض الهيدريد المعدني أو النيكل أو الكادميوم أو الليثيوم.

هذا الجزء من المصباح يوفر الطاقة من الألواح الشمسية ويوفر الطاقة عند الحاجة في الليل عندما لا تكون هناك طاقة ضوء متاحة.

بشكل عام ، كفاءة تحويل الطاقة الضوئية محدودة للأسباب المادية. لا يتم امتصاص حوالي 24٪ من الإشعاع الشمسي ذي الطول الموجي الطويل. 33 ٪ هي الحرارة المفقودة في المناطق المحيطة بها ، وخسائر أخرى ما يقرب من 15-20 ٪. يمتص 23٪ فقط مما يعني أن البطارية جزء هام من مصباح الطاقة الشمسية.

متحكم الشحن
يتحكم هذا القسم في أنظمة العمل بالكامل لحماية شحن البطارية. يضمن ذلك ، تحت أي ظرف من الظروف الظروف الجوية القاسية مع اختلاف كبير في درجة الحرارة ، أن البطارية لا تزيد عن الشحن أو تزيد عن التفريغ وتؤدي إلى تلف البطارية بشكل أكبر.

يحتوي هذا القسم أيضًا على أجزاء إضافية مثل جهاز التحكم في الإضاءة ووحدة التحكم في الوقت والصوت وتعويض درجة الحرارة وحماية الإضاءة وحماية عكس القطبية ومفاتيح تحويل AC التي تضمن عمل الأحمال الاحتياطية الحساسة بشكل طبيعي عند حدوث انقطاع.

مبادئ العمل
تستخدم مصابيح LED بسبب كفاءتها العالية في الإضاءة والحياة الطويلة. تحت التحكم في وحدة التحكم في الشحن DC ، يقوم التحكم في عدم الاتصال تلقائيًا بتشغيل الضوء عند حلول الظلام ويتم إيقاف تشغيله في النهار. كما أنه يتحد أحيانًا مع وحدات التحكم في الوقت لتحديد وقت الستارة ليقوم بتشغيل وإطفاء الضوء تلقائيًا.

كما هو مبين في الشكل 3 ، فإن الشريحة تشمل الرقائق الدقيقة (R) ، B- ، B + ، S- و S +. ترتبط كل من S + و S- بالألواح الشمسية بالأسلاك ، التي تحتوي إحداها على شحن زائد وشحنة ناقص أخرى. يتم إرفاق B و B + ببطاريتين في هذه الحالة. سيتم عرض الضوء من خلال ضوء LED عند توصيل كل هذه.

فوائد
يمكن أن تكون مصابيح الطاقة الشمسية أسهل بالنسبة للعملاء لتثبيت وصيانة لأنها لا تتطلب كابل كهربائي. يمكن للمصابيح الشمسية أن تعود بالفائدة على المالكين مع خفض تكاليف الصيانة وتكاليف فواتير الكهرباء. كما يمكن استخدام المصابيح الشمسية في المناطق التي لا توجد فيها شبكة كهربائية أو مناطق نائية تفتقر إلى إمدادات الكهرباء الموثوقة. هناك العديد من القصص لأشخاص يعانون من أمراض الرئة ، وتدهور العين ، والحروق ، وفي بعض الأحيان حتى الموت ببساطة لأنهم ليس لديهم بديل صحي للضوء في الليل. شعرت النساء بالمشي غير الآمن إلى المرحاض في الخارج بعد حلول الظلام. تقوم القابلات بتسليم الأطفال باستخدام الشموع فقط ، ولا يستطيع الطلاب الدراسة عندما تنخفض الشمس بسبب نقص الضوء مما يؤدي إلى زيادة الأمية والفقر الدائم. هذه هي الحقائق لأكثر من مليار شخص حول العالم. نقص الإضاءة يعادل استمرار الفقر الذي يشعر به العالم.

إن إنتاج الطاقة الشمسية محدود بسبب الطقس ويمكن أن يكون أقل فعالية إذا كان غائما أو رطبا أو شتاءا.

كما أن الأسر التي تتحول إلى المصابيح الشمسية من مصابيح الكيروسين تكتسب أيضا من المخاطر الصحية المرتبطة بانبعاثات الكيروسين. غالباً ما يكون للكيروسين تأثيرات سلبية على رئات الإنسان.

إن استخدام الطاقة الشمسية يقلل من تلوث البيئة داخل المنازل ، حيث يرتبط الكيروسين بحالات المشاكل الصحية. ومع ذلك ، فإن الألواح الكهروضوئية مصنوعة من السيليكون وغيرها من المعادن السامة بما في ذلك الرصاص الذي قد يكون من الصعب التخلص منه.

يحسن استخدام الأضواء الشمسية تعليم الطلاب الذين يعيشون في أسر بدون كهرباء. عندما تبرعت منظمة Unite-To-Light غير الربحية بمصابيح شمسية للمدارس في منطقة نائية من كوا زولو ناتال في جنوب أفريقيا ، تم تحسين نتائج الاختبارات ومعدلات النجاح بأكثر من 30٪. يعطي الضوء الطلاب مزيدًا من الوقت للدراسة بعد حلول الظلام.

وجدت دراسة تجريبية أجريت عام 2017 في المناطق غير المنتظمة في شمال بنغلاديش أن استخدام الفوانيس الشمسية أدى إلى انخفاض إجمالي نفقات الأسرة وزيادة ساعات الدراسة المنزلية للأطفال وزيادة الحضور في المدارس. ومع ذلك ، لم يحسن الإنجاز التعليمي للأطفال إلى حد كبير.

استعمال

ضوء الشارع الشمسي
هذه الأضواء توفر وسيلة مريحة وفعالة من حيث التكلفة لشوارع مضيئة في الليل دون الحاجة إلى شبكات كهربائية AC للمشاة والسائقين. قد يكون لديهم لوحات فردية لكل مصباح في النظام ، أو قد يكون لديهم لوحة شمسية مركزية كبيرة وبنك بطارية لتشغيل مصابيح متعددة.

ريفي
في المناطق الريفية في الهند ، يتم استخدام المصابيح الشمسية ، والمعروفة باسم المصابيح الشمسية ، باستخدام إما المصابيح أو المصابيح الفلورية المتضامة ، لتحل محل مصابيح الكيروسين. ولا سيما في المناطق التي يصعب الوصول إليها بالكهرباء ، تعد المصابيح الشمسية مفيدة للغاية ، كما أنها ستحسن الحياة في المناطق الريفية.

التطورات
هذا النوع من الإضاءة في تطور كامل. يوصى باستخدام الشموع الشمسية بشكل خاص في طرق الإضاءة أو الأحياء في البلدان الاستوائية ، حيث يكون المورد الشمسي مهمًا ومنتظمًا طوال العام. كما أنها مناسبة جدا لإضاءة المواقع المعزولة في المناطق الأخرى ، وذلك بسبب غياب الأسلاك الكهربائية والخنادق.

في عام 2013 ، تم إنتاج نموذج مصباح مزدوج مع وحدات فلطائية ضوئية مدمجة على الصاري في هولندا.

مسائل
فهي تتعلق بالسلامة وأقل الإزعاج والتلوث الخفيف للبيئة الليلية والمناخ وتوفير الطاقة.
من خلال استخدام مصابيح LED ، يصبح من السهل إلقاء الضوء “فقط” ؛ يمكن تعديل القدرة المضيئة بسهولة أكبر أثناء الليل وفقًا لجدول زمني أو عن طريق servocontrol لكاشف المرور. وبالتالي ، يتم تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير ويتم دائمًا الوفاء بوظائف وضع العلامات والإضاءة.

التحدي المتمثل في توفير الطاقة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري أمر مهم. ووفقًا لوكالة Ecofin ، “تذكّرنا الأمم المتحدة بأن الإضاءة العامة تمثل 5٪ من استهلاك الكهرباء في جميع أنحاء العالم وأن هناك تقنيات فعالة من حيث التكلفة لتوفير هذه الطاقة الهائلة المفاجئة ، والتي تقابل استهلاك الكهرباء في مدينة كبيرة تقريبًا. دول مثل الهند “.

مزايا: مصابيح LED لديها العديد من المزايا

أداء قوي ،
أقل التلوث الضوئي إذا تم التحكم بها عن طريق وجود وكاشفات الضوء المحيط
إضاءة متجانسة للغاية ،
حياة طويلة جدا.
يمكن أيضًا تشغيل وحدة الإنارة عن طريق الألواح الشمسية المدمجة في وحدة الإنارة أو بالقرب منها (على الجدران أو أسطح منطقة النشاط على سبيل المثال) كما هو الحال في المتنزه الصناعي الصناعي في سوتشو (الصين) ، ولكن يلزم وجود شبكة كهربائية صغيرة.
يتم تلخيص الصيانة لتغير البطاريات ، كل 2 إلى 10 سنوات ، وفقا لنوعها واستخدامها.
يمكن دمج جميع المكونات في دفق إعادة التدوير أو حتى استخدامها مرة أخرى.
الاهتمام بجميع احتياجات الإضاءة خارج الشبكة

ويبدو أن هذه المنتجات موجهة إلى النجاح الذي يُعطى إلى الارتفاع في أسعار الطاقة وتكلفة إنشاء شبكة كهرباء في بلد نام (مناطق معزولة من غرب أفريقيا ، على سبيل المثال) أو في مواقع معزولة. يمكن نقل السارية (أثناء مواقع البناء أو الاحتفالات ، على سبيل المثال) حسب الحاجة وبدون الحاجة إلى شبكات كهرباء مدفونة أو فوقية. إنه حل تم اختباره أيضًا بواسطة كهربائيين بلا حدود لمساعدة الدول النامية أو هايتي بعد الزلزال ، بالإضافة إلى توزيع “المصابيح الشمسية الفردية” ، أو التي يمكن استخدامها بعد وقوع زلزال أو حادث خطير يحرم موقعًا أو مدينة كهرباء . على سبيل المثال ، في عام 2010 ، اقترح “مشروع ، بدعم أساسي من مؤسسة Fondation de France ، و Ademe ، والمجلس الإقليمي لمارتينيك ، ومدينة باريس” تركيب “ما يقرب من 350 مصباح للشوارع بالطاقة الشمسية في 40 مخيماً سكنًا في الكوميونات من بورت أو برنس ، ليوغان وكارفور ، مع أكثر من 80،000 لاجئ “. تم تجهيز مخيم صغير للسياحة البيئية المحلية في آخر قرية يمكن الوصول إليها من لاداخ (2010) مع مصباح للطاقة الشمسية ، قرية مصدر ضوء واحدة ثابتة. تعتقد الأمم المتحدة أن الإضاءة الشمسية “خارج الشبكة” مع المصابيح الشمسية يمكن أن تجلب فوائد كبيرة للناس ؛ وخلصت دراسة أجراها برنامج الأمم المتحدة للبيئة في 80 بلداً إلى أن تكلفة الاستثمار في استبدال الإضاءة القائمة على الوقود مع أنظمة LED ستطفأ في أقل من عام ، وذلك بفضل توفير الوقود ؛ ويعيش أكثر من 1.3 مليار شخص اليوم في العالم دون إمكانية الوصول إلى ويتم استخدام الإضاءة الكهربائية وما يقرب من 25 مليار لتر من الكيروسين كل عام لتشغيل مصابيح الزيت ، والتي تمثل تكلفة تصل إلى حوالي 23 مليار دولار سنويًا للمستخدمين “. في نيجيريا وحدها ، سيتم توفير 1.4 مليار دولار سنوياً.

هذه هي الحلول التي هي جزء من البحث والتطوير للشركات في قطاع الإضاءة

محتمل
مع تقدم الوحدات الكهروضوئية ، يمكن لبعض وحدات الإنارة أن تصبح “إيجابية في الطاقة” وتطغى على أشياء أخرى أو عناصر أخرى ، في شبكة ذكية كما اقترحها جيريمي ريفكين في مفهومه عن الثورة الصناعية الثالثة. تطور المصابيح هو ضروري لتطور الشموع الشمسية. عمر البطارية ضروري أيضا. يرتبط هذا العمر بشدة بدرجة الحرارة المحيطة ، والمكان المثالي هو مكان التخزين عند 20 درجة مئوية أو لدفن البطاريات بغض النظر عن نوع بطارية الرصاص والليثيوم ونيمه.

تم تنفيذ تخزين الهيدروجين لمشروع Myrte في جامعة Ajaccio بواسطة CEA و CNRS و LUMI’IN France.