Хибридна система за мониторинг на водопроводни тръби, питаща се с енергия от вятър и слънце, за реално време

I. Състояние и съществуващи проблеми

В момента водопроводните компании разполагат с обширна мрежа от подземни водоводи в градски и селски райони. Реалното наблюдение на данните за функциониране на водоводите е изключително важно за ефективното управление на производството и разпределението на вода. В резултат на това трябва да бъдат установени много станции за наблюдение на данните по дължината на водоводите. Обачно, стабилни и надеждни източници на електроенергия близо до тези водоводи рядко са налични. Дори когато електроенергията е достъпна, прокладването на специализирани електрически кабели е скъпо, уязвимо към повреди и изисква сложна координация с доставчиците на електроенергия за фактуриране, което създава значителни предизвикателства за управлението.

Различни видове устройства за наблюдение на водоводите са разработени, но повечето имат значителни ограничения. Двете най-общи подхода са:

• Устройства за наблюдение, питащи се с нисковолтови батерии: Тези устройства изискват регулярна замяна на батериите. В резултат на ограниченията в потребителската мощност, честотата на изпращане на данни обикновено е ограничена до веднъж на час, което е недостатъчно за реално време оперативно ръководство.

• Слънчеви устройства за наблюдение: Тези устройства изискват големи капацитетни батерии, които трябва периодично да се заменят, което води до високи начални инвестиции и разходи за поддръжка.

Затова съществува настоятелна нужда от разработка на нов тип система за наблюдение на водоводите, която преодолява тези ограничения.

II. Въведение в хибридната система за енергоснабдяване с вятър и слънце

Хибридната система за вятър и слънце е интегрирана система за генериране и приложение на енергия. Тя комбинира слънчеви панели и вятърни турбини (които преобразуват AC в DC) за генериране на електроенергия, съхранявайки я в батерийни банки. Когато е необходима енергия, инвертор преобразува съхранената DC електроенергия от батериите в AC електроенергия, доставяйки я чрез електрически кабели до потребителя.

Тази система позволява едновременно генериране на енергия от вятърни турбини и масиви от слънчеви панели. Ранните хибридни системи бяха проста комбинация от вятърни турбини и фотогалични (PV) модули, без детайлно математическо моделиране. Тъй като те се използваха основно за приложения с ниска надеждност, тези ранни системи често имаха кратък срок на служба.

През последните години, с разширяването на областта на приложение на хибридните системи и увеличаването на изискванията за надеждност и икономичност, бяха разработени няколко напреднали софтуерни пакета, които да моделират производителността на вятърни, слънчеви и хибридни системи за енергия. Тези инструменти могат да моделират различни конфигурации на системите, за да определят оптимални настройки въз основа на производителността и разходите за енергия.

В момента се използват две основни метода за размеряване на хибридните системи в световен мащаб:

• Метод на съответствието на мощността: Осигурява, че общата изходна мощност на масива от PV панели и вятърната турбина при променливи условия на слънчева радиация и скорост на вятъра надхвърля мощността на потребителя. Този метод се използва основно за оптимизация и контрол на системата.

• Метод на съответствието на енергията: Осигурява, че общата енергия, произведена от масива от PV панели и вятърната турбина през времето, удовлетворява или надхвърля енергията, изразходвана от потребителя при променливи условия. Този метод се използва основно за проектиране на мощността на системата.

III. Компоненти на хибридната система за енергоснабдяване с вятър и слънце

Хибридната система за енергоснабдяване с вятър и слънце се състои главно от вятърна турбина, слънчеви фотоелектрични (PV) панели, контролер, батерии, инвертор и AC/DC потребители. Диаграмата на конфигурацията на системата е показана на приложената фигура. Тази система е хибридно решение за възобновяема енергия, което интегрира множество източници на енергия – вятър, слънце и съхранение в батерии, както и интелигентна технология за управление за оптимизирано функциониране на системата.

IV. Компоненти на хибридната система за енергоснабдяване с вятър и слънце

Хибридната система за енергоснабдяване с вятър и слънце се състои от няколко ключови компонента:

• Вятърна турбина: Преобразува вятърната енергия в механична енергия, която после се преобразува в електрическа енергия от генератор. Тази електроенергия зарежда батерии чрез контролер и доставя енергия до потребителите чрез инвертор.

• Слънчеви PV панели: Използват фотоелектричния ефект, за да преобразуват слънчевата енергия в електрическа енергия, зареждайки батерии и доставяйки енергия до потребителите чрез инвертор.

• Инверторна система: Състои се от множество инвертори, които преобразуват DC от батерийните банки в стандартен 220V AC, осигурявайки стабилно функциониране на AC потребителите. Тя също така разполага с автоматично регулиране на напрежението за подобряване на качеството на електроенергията.

• Контролна единица: Пристраива състоянието на батериите в зависимост от интензитета на слънчевата светлина, скоростта на вятъра и промените в потребителите. Управлява прякото разпределение на енергията към DC/AC потребителите и съхранението на излишъчната енергия в батерии. По време на недостиг на производство, тя използва енергия от батериите, за да запази непрекъснатостта на системата.

• Батерийна банка: Съхранява енергия от вятърни и слънчеви източници, играейки ключова роля в регулирането и балансирането на потребителите. Тя осигурява непрекъснато снабдяване с енергия по време на недостиг.

Преимуществата на хибридните системи с вятър и слънце включват по-висока стабилност и надеждност поради допълващите се източници на енергия, намалена необходимост от капацитет на батериите и минимална зависимост от резервни генератори, водещи до по-добри икономически и социални ползи.

V. Характеристики на хибридните системи с вятър и слънце

• Пълно използване на вятърните и слънчевите ресурси без външен източник на енергия.

• Предлага дневно-нощно и сезонно допълване, осигуряващо висока стабилност и икономичност на системата.

• Значително намалява работата по поддръжка и разходите.

• Осигурява независимо снабдяване с енергия, неутрализирано от природни бедствия.

• Функционира безопасно при ниско напрежение с проста поддръжка.

VI. Състав на хибридните системи за наблюдение на водоводите с вятър и слънце

Тази система се състои от две основни части: полеви станции и центрове за наблюдение. Полевите станции включват:

• Вятърни турбини: Преобразуват вятърната енергия в електроенергия за съхранение в батерии и доставка към контролни кутии.

• Слънчеви панели: Преобразуват слънчевата енергия в електроенергия за съхранение или директно използване.

• Контролери: Управляват функционирането на системата, осигурявайки оптимални цикли на зареждане/разряждане и защита срещу прекомерно зареждане.

• Батерии: Съхраняват излишъчната енергия, произведена от вятърните турбини и слънчевите панели, за използване по време на недостиг.

VII. Ключови разглеждания при реализацията на хибридни станции за наблюдение с вятър и слънце

• Избор на вятърна турбина: Осигурете гладко функциониране и эстетичен вид, минимизирайте товара върху кулата.

• Оптимален дизайн на конфигурацията: Подготвите капацитета на системата въз основа на местните природни ресурси, за да максимизирате ефективността.

• Дизайн на конструкционната сила на колона: Осигурете структурна целост, вземайки предвид размерите и височината на инсталацията на вятърните турбини и слънчевите панели.

VIII. Отговаряне на загриженостите относно хибридните системи с вятър и слънце

• Безопасност: Системите са проектирани да издържат на тежки метеорологични условия, предотвратявайки потенциални опасности.

• Надеждност на снабдяването с енергия: Адекватни решения за съхранение осигуряват постоянна поддръжка на енергията, въпреки променливите метеорологични условия.

• Издержки: Технологическите напредъци са намалили разходите, правейки тези системи икономически жизнеспособни с по-ниски разходи за функциониране и поддръжка в сравнение с традиционните системи.

Този кратък обзор подчертава ключовите аспекти на хибридните системи с вятър и слънце за наблюдение на водоводите, като обръща внимание на техния състав, преимущества и общи загрижености.