Hybridní systém IoT poháněný větrem a sluneční energií pro reálně časové monitorování vodovodů
I. Současný stav a existující problémy
V současné době mají společnosti zajišťující vodní dodávku rozsáhlé sítě vodovodních potrubí, které jsou položeny pod zemí v městských i venkovských oblastech. Pro efektivní řízení a kontrolu výroby a distribuce vody je nezbytné provádět reálné sledování dat o chodu potrubí. V důsledku toho musí být podél potrubí zřízeno množství stanic pro sledování dat. Avšak stabilní a spolehlivé zdroje energie v blízkosti těchto potrubí jsou velmi vzácné. I když je energie dostupná, vedení speciálních elektrických vodičů je nákladné, zranitelné na poškození a vyžaduje komplexní koordinaci s poskytovateli služeb pro fakturaci elektřiny, což vytváří významné správní výzvy.
Bylo vyvinuto různé typy zařízení pro sledování potrubí, ale většina z nich má významná omezení. Dva nejčastější přístupy jsou:
Zařízení s nízkým spotřebním výkonem poháněná bateriemi: Tato zařízení vyžadují pravidelnou výměnu baterií. Kvůli omezení spotřeby energie je frekvence přenosu dat obvykle omezena na jednou za hodinu, což není dostatečné pro reálné operativní vedení.
Zařízení poháněná solární energií: Tato zařízení vyžadují velké kapacitní baterie, které je třeba pravidelně vyměňovat, což vede k vysokým počátečním investicím a nákladům na údržbu.
Proto je naléhavě třeba vyvinout nový typ systému pro sledování vodovodních potrubí, který by překonal tyto omezení.
II. Úvod do hybridního větrně-solárního zásobovacího systému energií
Hybridní větrně-solární systém je integrovaný systém pro výrobu a aplikaci energie. Kombinuje solární panely a větrné turbíny (které převádějí střídavý proud na stejnosměrný) pro výrobu elektrické energie, která se ukládá do bateriových bank. Když je potřeba energie, invertor převede uložený stejnosměrný proud z baterií na střídavý proud, který se pak předává prostřednictvím vedení k zátěži.
Tento systém umožňuje současné vytváření energie z větrných turbín a solárních panelových polí. Rané hybridní systémy byly jednoduchými kombinacemi větrných turbín a fotovoltaických (PV) modulů, které nedosahovaly detailní matematické modelování. Protože byly používány především pro aplikace s nízkou spolehlivostí, tyto rané systémy často měly krátkou životnost.
V posledních letech, s rozšířením oblasti použití hybridních systémů a rostoucím požadavkem na spolehlivost a nákladovou efektivitu, bylo vyvinuto několik pokročilých softwarových balíků, které simulují výkon větrných, solárních a hybridních energetických systémů. Tyto nástroje mohou modelovat různé konfigurace systémů, aby určily optimální nastavení na základě výkonu a nákladů na dodávku energie.
V současné době se mezinárodně používají dvě hlavní metody pro dimensionování hybridních systémů:
Metoda shody výkonu: Zajišťuje, že kombinovaný výkon PV pole a větrné turbíny za různých podmínek slunečního záření a rychlosti větru přesahuje výkon zátěže. Tato metoda se používá především pro optimalizaci a řízení systému.
Metoda shody energie: Zajišťuje, že celková energie vygenerovaná PV polem a větrnou turbínou v průběhu času splňuje nebo přesahuje energii spotřebovanou zátěží za různých podmínek. Tato metoda se používá především pro návrh kapacity systému.
III. Komponenty hybridního větrně-solárního zásobovacího systému energií
Hybridní větrně-solární zásobovací systém energií se skládá především z větrné turbíny, solárních fotovoltaických (PV) panelů, regulátoru, baterií, inverteru a AC/DC zátěže. Schéma konfigurace systému je znázorněno v přiložené obrázku. Tento systém je hybridním obnovitelným energetickým řešením, které integruje více zdrojů energie – větrné, solární a akumulační – spolu s inteligentními technologiemi pro optimalizaci provozu systému.
Ⅳ. Komponenty hybridního větrně-solárního zásobovacího systému energií
Hybridní větrně-solární zásobovací systém energií se skládá z několika klíčových komponent:
Větrná turbína: Převádí větrnou energii na mechanickou energii, která je pak převedena na elektrickou energii generátorem. Tato elektřina nabíjí baterie prostřednictvím regulátoru a zásobuje zátěž přes inverter.
Solární PV panely: Využívají fotovoltaický efekt k převodu slunečního světla na elektrickou energii, která nabíjí baterie a zásobuje zátěž přes inverter.
Inverter systém: Skládá se z několika inverterů, které převádějí stejnosměrný proud z bateriových bank na standardní střídavý proud 220V, což zajišťuje stabilní provoz zařízení s AC zátěží. Disponuje také automatickou stabilizací napětí pro zlepšení kvality dodávané energie.
Řídící jednotka: Upravuje stav baterií podle intenzity slunce, rychlosti větru a změn zátěže. Spravuje přímé rozdělení energie na DC/AC zátěž a ukládá přebytečnou energii do baterií. Během nedostatku výroby energie čerpá z baterií, aby zajistila kontinuitu provozu systému.
Bateriová banka: Ukládá energii z větrného a solárního zdroje a hraje klíčovou roli v regulaci a vyrovnávání zátěže. Zajišťuje nepřetržité zásobování energií během nedostatku.
Přednosti hybridních větrně-solárních systémů zahrnují vyšší stabilitu a spolehlivost díky doplňování energií, snížené požadavky na kapacitu baterií a minimalizaci závislosti na rezervních generátorech, což vede ke lepším ekonomickým a sociálním výhodám.
Ⅴ. Charakteristiky hybridních větrně-solárních systémů
Plně využívá větrné a solární zdroje bez externího zásobování energií.
Poskytuje den-noční a sezónní doplňování, což zajišťuje vysokou stabilitu a nákladovou efektivitu systému.
Značně snižuje údržbové práce a náklady.
Poskytuje nezávislé zásobování energií, které není ovlivněno přírodními katastrofami.
Provádí se bezpečně na nízkých napěťích s jednoduchou údržbou.
Ⅵ. Složení hybridních větrně-solárních systémů pro sledování potrubí
Tento systém se skládá ze dvou hlavních částí: polních stanic a středisek pro sledování. Polní stanice zahrnují:
Větrné turbíny: Převádí větrnou energii na elektrickou energii pro skladování v bateriích a zásobování řídících boxů.
Solární panely: Transformují solární energii na elektrickou energii pro skladování v bateriích nebo přímé použití.
Regulátory: Spravují provoz systému, zajišťují optimální cykly nabíjení a vybíjení a chrání před přetížením.
Baterie: Ukládají přebytečnou energii vygenerovanou větrnými turbínami a solárními panely pro použití během nedostatku.
Ⅶ. Klíčové aspekty pro implementaci hybridních větrně-solárních stanic pro sledování
Výběr větrné turbíny: Zajištění hladkého provozu a estetické přitažlivosti s minimalizací zatížení věže.
Optimální návrh konfigurace: Přizpůsobení kapacity systému místním přírodním zdrojům pro maximalizaci efektivity.
Návrh síly stožáru: Zajištění strukturní integrity s ohledem na velikost větrných turbín a solárních panelů a výšku instalace.
Ⅷ. Řešení obav týkajících se hybridních větrně-solárních systémů
Bezpečnostní obavy: Systémy jsou navrženy tak, aby odolaly extrémním povětrnostním podmínkám, což prevence možných rizik.
Spolehlivost zásobování energií: Aby bylo zajištěno konstantní zásobování energií, i při proměnných povětrnostních podmínkách, jsou k dispozici adekvátní řešení pro skladování.
Nákladové otázky: Technologické pokroky vedly ke snížení nákladů, což tyto systémy činí ekonomicky životaschopnými s nižšími operačními a údržbovými náklady ve srovnání s tradičními systémy.
Tento stručný přehled zdůrazňuje klíčové aspekty hybridních větrně-solárních systémů pro sledování potrubí, aborduje jejich složení, výhody a běžné obavy.
