جاء عصر إضاءة LED بمجموعة كبيرة من المزايا مقارنةً بمصادر الإضاءة التقليدية، فخفّض استهلاك الطاقة وتكاليف الصيانة في قطاعات وتطبيقات عديدة.
يسهل رصد توفير الطاقة عمليًا، ويمكن المقارنة بين حلول الإضاءة المختلفة بمجرد مقارنة القدرة بالواط.
أما توفير الصيانة فكثيرًا ما يُعد أمرًا مسلّمًا به. فنحن نعلم بالطبع أن مصابيح LED قد تدوم مدى الحياة، فما الذي يمكن معرفته أكثر من ذلك؟ هل توجد فروق بين المنتجات المعروضة في السوق؟ وإن وُجدت، فما أفضل طريقة للمقارنة بين الحلول لتقليل التكاليف على مدى العمر؟
تزداد أهمية هذه الأسئلة حين تكون تكاليف الصيانة كبيرة، كما في شبكة London Underground، حيث أفادت التقارير بأن تغيير مصباح واحد فوق سلم متحرك قد يكلف أكثر من £1,000[1]. ومن الواضح أنه في مثل هذه الحالات يستحق الأمر بذل جهد كبير لتجنب الأعطال. وتُعد إنارة الشوارع والطرق السريعة، بل ومواقف السيارات أيضًا، أمثلة أخرى يُرجَّح أن تحظى فيها مزايا الصيانة لمصابيح LED باهتمام أكبر من توفير الطاقة الذي اشتهرت به.
وللإجابة عن هذه النقاط، علينا أولًا أن ننظر في الفئات العامة للأعطال، التي يلخصها منحنى حوض الاستحمام.
منحنى حوض الاستحمام
منحنى حوض الاستحمام تمثيل بياني لمعدل أعطال نظام ما على مدى عمره. ويُظهر ثلاث مراحل مميزة من الأعطال، يمكن في الغالب تفسيرها بظواهر فيزيائية مرتبطة بذلك النظام. ومن الناحية الإحصائية، يمثل المنحنى مجموع عدة توزيعات Weibull، ويلخص شكله العام معدل أعطال أشياء كثيرة بمرور الوقت، من الدوائر الكهربائية والأنظمة الميكانيكية (كالسيارات) إلى الأنظمة البيولوجية بل والبشر أنفسهم. ويشبه شكل المنحنى مقطع حوض الاستحمام، إذ يُظهر أن احتمال تعطل النظام مرتفع نسبيًا في البداية، ثم ينخفض إلى مستوى ثابت، ثم يعود إلى الارتفاع قرب نهاية العمر.
أعطال المرحلة المبكرة
تشهد المرحلة الأولى معدل أعطال مرتفعًا في البداية ثم متناقصًا، وتتعلق بالأعطال المبكرة أو أعطال المرحلة المبكرة. وكثيرًا ما ترتبط هذه الأعطال بعيوب كامنة في النظام تؤدي إلى تعطله في المراحل الأولى من عمره المتوقع. وهناك عوامل عديدة قد تسبب الأعطال المبكرة، من العوامل الوراثية في الأنظمة البيولوجية إلى المكونات المعيبة أو عيوب التصنيع في المنتجات المصنّعة. وبوجه عام، يمكن الوثوق بالنظام بدرجة أكبر بعد تجاوز مرحلة الأعطال المبكرة هذه. وكثيرًا ما تُجرى اختبارات في المصنع فور التصنيع لتحديد أي وحدات تظهر عليها أعطال مبكرة واستبعادها من سلسلة التوريد حتى لا تصل إلى العميل أصلًا.
الأعطال العشوائية
المرحلة الثانية من عمر النظام هي مرحلة التشغيل العادي. يستقر فيها معدل الأعطال عند مستوى ثابت، ويصبح احتمال تعطل الوحدة مستقلًا عن الزمن. وهذه أكثر مراحل عمر النظام استقرارًا، ويحدد معدل الأعطال فيها «موثوقية» المنتج. والموثوقية مصطلح إحصائي يتعلق باحتمال وقوع عطل عشوائي (أي عطل مستقل عن جميع العوامل الأخرى، مثل العمر). وهي مقياس لا يرتبط بالعمر، ولذلك ينبغي النظر فيها بشكل منفصل عند تقييم أي منتج. وما تخبرنا به الموثوقية هو وتيرة الاستبدال المتوقعة خلال مرحلة التشغيل العادي. وهذه الأنواع من الأعطال لا يمكن تجنبها، ويجب أخذها في الحسبان في أي نموذج لتكاليف دورة العمر. ومع ذلك كثيرًا ما تُغفل، فتأتي الأعطال حين تقع مفاجأة. وتُقاس الموثوقية بمعدل الأعطال، الذي يبيّن عدد الأعطال العشوائية المتوقعة لكل مليون ساعة من تشغيل الجهاز. ولأن الموثوقية تتعلق بالأعطال العشوائية، فما دام النظام ضمن مرحلة التشغيل العادي، يظل معدل الأعطال صالحًا سواء أردنا معرفة العدد المحتمل للأعطال في 100 منتج تعمل 10,000 ساعة، أو في 10,000 منتج تعمل 100 ساعة. وهندسة الموثوقية تخصص قائم بذاته، يشمل مجموعة معقدة من الحسابات والنماذج لتحديد موثوقية النظام، استنادًا إلى أنظمة راسخة مثل MIL-HDBK-217F.
أعطال نهاية العمر
المرحلة الأخيرة من عمر النظام هي مرحلة نهاية العمر. وفيها يبدأ معدل الأعطال في الارتفاع بسبب تأثيرات التآكل والاهتراء، وكثيرًا ما يُطلق عليها العمر المتوقع أو العمر المقدّر للمنتج. وكثيرًا ما تنشأ تأثيرات الاهتراء من أجزاء محددة في النظام تكون، بطبيعتها أو موقعها، عرضة للاهتراء؛ غير أن مكونات كثيرة لا تظهر عليها أي تأثيرات اهتراء على الإطلاق. وفي الإلكترونيات، هناك عدة مكونات رئيسية يجب مراعاتها فيما يخص تأثيرات نهاية العمر، ومنها المكثف الإلكتروليتي. فهذه المكونات لها عمر مقدّر، وتهترئ بمرور الوقت. وفي الميكانيكا، من الأمثلة السهلة التصور أسنان الترس التي تتآكل مع استخدام النظام، حتى تصل في النهاية إلى نقطة لا تعود تعمل فيها بشكل صحيح.
وكثيرًا ما يُحسب العمر المتوقع للنظام بالاستناد إلى إرشادات الشركة المصنّعة لأي مكونات قابلة للاهتراء فيه، أو يمكن حسابه عبر اختبارات العمر المعجّلة. وفي هذه الاختبارات يُعرَّض النظام لظروف قاسية، ثم تُستخدم علاقة رياضية لحساب العمر المتوقع في الظروف العادية انطلاقًا من العمر المرصود في الظروف القاسية.
كيف ندمج ذلك في نموذج التكاليف
في الإضاءة، وفي الحالات التي تكون فيها تكاليف الاستبدال متوسطة إلى مرتفعة، يكون من المنطقي عادةً إجراء صيانة تفاعلية (أي استبدال الوحدات التي تتعطل عشوائيًا) خلال مرحلة التشغيل العادي، وتنفيذ ترقيات شاملة قرب «العمر المتوقع» للمنتج، إذ يبدأ عندها الاستبدال المتفرق في الخروج عن السيطرة.
تتكون التكلفة الإجمالية لمنتج أو منشأة على مدى العمر عادةً من العناصر التالية:
- تكلفة الوحدة الأولية
- تكلفة التركيب الأولية
- تكاليف الطاقة السنوية * العمر
- تكاليف CRC السنوية * العمر
- عنصر الصيانة التفاعلية
- تكاليف التنظيف
- تكاليف الاختبار
- تكاليف التخلص
ثم تُقسم هذه التكلفة الإجمالية على عمر الوحدة للحصول على تكلفة سنوية، يمكن استخدامها مقياسًا مكافئًا للمقارنة بين حلول الإضاءة.
الانعكاسات على الإضاءة
يتضح مما سبق أن إطالة عمر المنتج طريقة فعالة لتقليل التكاليف السنوية للمنشأة. فبذلك تتوزع التكاليف الثابتة على عدد أكبر من سنوات التشغيل. وكما أوضحنا سابقًا، يتحدد عمر الوحدة بالمكونات القابلة للاهتراء، وهي في حالة مشغّلات LED التقليدية غالبًا المكثف الإلكتروليتي. ويمكن إطالة عمر النظام كثيرًا بتصاميم تستغني عن هذه المكونات كليًا، وقد أحرزت عدة شركات مصنّعة لوحدات الإنارة تقدمًا في هذا المجال، ومنها تقنية Direct Drive® من INDO.
المنتجات ذات الموثوقية العالية يكون عنصر الصيانة التفاعلية فيها أقل من المنتجات ذات الموثوقية المنخفضة. وتتحدد الموثوقية بمعدل الأعطال، ومن المهم إدراك أن ذلك لا علاقة له بالعمر.
الخلاصة
من الضروري مراعاة العمر والموثوقية معًا لفهم التكاليف الحقيقية لمنشأة إضاءة على مدى عمرها. ولا يمكن المقارنة بين حلين على أساس متكافئ حقًا إلا بعد امتلاك هذه المعلومات، ومن ثم تحديد مدى صحة فلسفة «التركيب ثم النسيان».
[1] «The one factor driving the adoption of LED lighting on the Tube»، http://luxreview.com/article/2015/06/the-one-factor-driving-the-adoption-of-led-lighting-on-the-tube, 26 يونيو 2015
