Sistema IoT alimentat per híbrid eòlic-fotovoltaic per al monitoratge en temps real de les condicions de les tuberies d'aigua

I. Situació actual i problemes existents

Actualment, les companyies d'abastament d'aigua tenen extenses xarxes de condutes d'aigua soterrades en àrees urbans i rurals. La monitorització en temps real dels dades d'operació de les condutes és essencial per a la gestió eficaç de la producció i distribució d'aigua. Com a resultat, cal establir nombroses estacions de monitorització de dades al llarg de les condutes. No obstant això, les fonts d'energia estable i fiables prop de les condutes són rareres. fins i tot quan l'energia és accessible, el cost de posar línies d'energia dedicades és elevat, són vulnerables a danys i implica una coordinació complexa amb els proveïdors d'energia per a la facturació, creant grans reptes de gestió.

S'han desenvolupat diversos tipus de dispositius de monitorització de condutes, però la majoria presenten limitacions significatives. Les dues aproximacions més comunes són:

• Dispositius de monitorització alimentats per bateria de baixa potència: Aquests requereixen un canvi regular de bateria. Degut a les restriccions de consum d'energia, la freqüència de transmissió de dades sol ser limitada a una vegada per hora, el que no és suficient per a la guia operativa en temps real.

• Dispositius de monitorització alimentats per energia solar: Aquests requereixen bateries de gran capacitat que necessiten un canvi periòdic, resultant en un alt cost inicial i de manteniment.

Per tant, hi ha una necessitat urgente de desenvolupar un nou tipus de sistema de monitorització de condutes d'aigua que superi aquestes limitacions.

II. Introducció al sistema d'energia híbrid eòlic-solar

Un sistema híbrid eòlic-solar és un sistema integrat de generació i aplicació d'energia. Combina panells solars i aerogeneradors (que converteixen CA a CC) per generar electricitat, emmagatzemant l'energia en bancs de bateries. Quan es necessita energia, un inversor converteix l'electricitat CC emmagatzemada en les bateries en electricitat CA, i la distribueix a través de línies de transmissió a la càrrega.

Aquest sistema permet la generació simultània d'energia des d'ambdós aerogeneradors i arregles de panells solars. Els sistemes híbrids primitius eren combinacions simples d'aerogeneradors i mòduls fotovoltaics (PV), sense modelització matemàtica detallada. Com que es van utilitzar principalment per a aplicacions de baixa fiabilitat, aquests sistemes primers sovint tenien vides útils curtes.

En els últims anys, a mesura que s'ha ampliat el camp d'aplicació dels sistemes híbrids i han augmentat les exigències de fiabilitat i rentabilitat, s'han desenvolupat diversos paquets de programari avançats internacionalment per simular el rendiment dels sistemes eòlics, solars i híbrids. Aquests eines poden modelitzar diferents configuracions del sistema per determinar les configuracions òptimes basades en el rendiment i els costos d'aprovisionament d'energia.

Actualment, es fan servir dos mètodes principals internacionalment per a la dimensionament dels sistemes híbrids:

• Mètode de coincidència de potència: Assegura que la potència combinada de l'arreglo de PV i l'aerogenerador, sota condicions variables de radiació solar i velocitat del vent, superi la potència de la càrrega. Aquest mètode es fa servir principalment per a l'optimització i control del sistema.

• Mètode de coincidència d'energia: Assegura que l'energia total generada per l'arreglo de PV i l'aerogenerador a lo llarg del temps compleixi o superi l'energia consumida per la càrrega sota condicions variables. Aquest mètode es fa servir principalment per al disseny de la capacitat de potència del sistema.

III. Components del sistema d'energia híbrid eòlic-solar

Un sistema d'energia híbrid eòlic-solar consta principalment d'un aerogenerador, panells fotovoltaics (PV) solars, un controlador, bateries, un inversor i càrregues AC/DC. El diagrama de configuració del sistema es mostra en la figura adjunta. Aquest sistema és una solució d'energia renovable híbrida que integra múltiples fonts d'energia—eòlica, solar i emmagatzematge de bateries—juntament amb tecnologia de control intel·ligent per a una operació òptima del sistema.

Ⅳ.Components del sistema d'energia híbrid eòlic-solar

Un sistema d'energia híbrid eòlic-solar consta de diversos components clau:

• Aerogenerador: Converteix l'energia eòlica en energia mecànica, que es converteix en energia elèctrica per un generador. Aquesta electricitat carrega les bateries a través d'un controlador i subministra les càrregues a través d'un inversor.

• Panells fotovoltaics solars: Utilitzen l'efecte fotovoltaic per convertir la llum solar en energia elèctrica, carregant les bateries i alimentant les càrregues a través d'un inversor.

• Sistema d'inversió: Comprenguts diverses inversors que converteixen la corrent DC dels bancs de bateries en corrent AC estàndard de 220V, assegurant una operació estable de dispositius de càrrega AC. També disposa d'estabilització automàtica de tensió per millorar la qualitat de l'energia.

• Unitat de control: Ajusta l'estat de les bateries en funció de la intensitat solar, la velocitat del vent i els canvis de càrrega. Gestiona la distribució directa d'energia a les càrregues DC/AC i l'emmagatzematge d'energia excedentaria en les bateries. En cas de generació insuficient, extrau energia de les bateries per mantenir la continuïtat del sistema.

• Banc de bateries: Emagatzema energia de fonts eòliques i solars, jugant un paper crític en la regulació i equilibri de la càrrega. Assegura un subministrament contínu d'energia en casos de penuria.

Les avantatges dels sistemes híbrids eòlic-solar inclouen una major estabilitat i fiabilitat degut a la complementariedad de l'energia, una reducció de la capacitat de les bateries requerides i una minimització de la dependència de generadors de suport, portant a beneficis econòmics i socials més importants.

Ⅴ.Característiques dels sistemes híbrids eòlic-solar

• Utilitza plenament les recursos eòliques i solars sense necessitat d'aprovisionament extern d'energia.

• Ofereix complementariedad diurna-nocturna i estacional, assegurant una alta estabilitat i rentabilitat del sistema.

• Redueix significativament el treball de manteniment i els costos.

• Proporciona un subministrament d'energia independent no afectat per desastres naturals.

• Opera de manera segura a baixa tensió amb un manteniment simple.

Ⅵ.Composició dels sistemes de monitorització de condutes híbrids eòlic-solar

Aquest sistema consta de dos parts principals: estacions de camp i centres de monitorització. Les estacions de camp inclouen:

• Aerogeneradors: Converteixen l'energia eòlica en electricitat per a l'emmagatzematge en bateries i el subministrament a caixes de control.

• Panells solars: Transformen l'energia solar en electricitat per a l'emmagatzematge en bateries o ús directe.

• Controladors: Gestioneixen l'operació del sistema, assegurant cicles òptims de càrrega/descàrrega i protegint contra la sobrecàrrega.

• Bateries: Emagatzemen l'energia excedentària generada pels aerogeneradors i panells solars per a l'ús en períodes de penúria.

Ⅶ.Consideracions clau per a la implementació de les estacions de monitorització híbriques eòlic-solar

• Selecció de l'aerogenerador: Assegurar una operació suau i aparença estètica, minimitzant la càrrega de la torre.

• Disseny de configuració òptima: Adaptar la capacitat del sistema basant-se en els recursos naturals locals per a maximitzar l'eficiència.

• Disseny de la resistència del pols: Assegurar la integritat estructural considerant les mides dels aerogeneradors i panells solars i les alçades d'instal·lació.

Ⅷ.Abordant les preocupacions sobre els sistemes híbrids eòlic-solar

• Preocupacions de seguretat: Els sistemes estan dissenyats per resistir condicions meteorològiques severes, prevenint possibles perills.

• Fiabilitat del subministrament d'energia: Solucions d'emmagatzematge adequades asseguren un subministrament consistent d'energia malgrat les condicions meteorològiques variables.

• Costs: Avanços tecnològics han reduït els costos, fent que aquests sistemes siguin econòmicament viables amb costos operatius i de manteniment inferiors als sistemes tradicionals.

Aquest resum concís destaca els aspectes essencials dels sistemes híbrids eòlic-solar per a la monitorització de condutes, abordant la seva composició, avantatges i preocupacions comunes.