Vind-sol hybrid driftet IoT-system til realtidsmonitoring af vandledninger

I. Nuværende Status og Eksisterende Problemer

I øjeblikket har vandforsyningsvirksomheder omfattende netværk af vandrør, der er lagt under jorden i både by- og landdistrikter. Realtime overvågning af røroperationsdata er afgørende for effektiv ledelse og kontrol af vandproduktion og -distribution. Dette indebærer, at mange dataovervågningsstationer skal etableres langs rørledningen. Dog er stabile og pålidelige strømkilder nær disse rør sjældent tilgængelige. Selv når strøm er tilgængelig, er det dyrt at lægge dedikerede strømledninger, de er sårbar over for skader, og det indebærer en kompleks koordinering med energileverandører angående elektricitetsfakturering, hvilket skaber betydelige ledelsesudfordringer.

Der er udviklet forskellige typer rørovervågningsenheder, men de fleste har væsentlige begrænsninger. De to mest almindelige metoder er:

• Lavstrøm-batteridrevne overvågningsenheder: Disse kræver regelmæssig batteriudskiftning. På grund af strømforsøgsmæssige begrænsninger er frekvensen for dataoverførsel typisk begrænset til én gang pr. time, hvilket er utilstrækkeligt for realtidsguidance.

• Solcelledrevne overvågningsenheder: Disse kræver store kapacitetsbatterier, der behøver periodisk udskiftning, hvilket resulterer i høj initial investering og vedligeholdelseskost.

Derfor er der en presserende behov for at udvikle en ny type vandrør-overvågningssystem, der overkommer disse begrænsninger.

II. Introduktion til Vind-Sol Hybrid Strømforsyningssystemet

Et vind-sol hybrid system er et integreret strømproduktions- og anvendelsessystem. Det kombinerer solceller og vindmøller (som konverterer AC til DC) til at generere strøm, der gemmes i batteribanker. Når strøm er nødvendig, konverterer en inverter den gemte DC-strøm fra batterierne til AC-strøm, som leveres via transmissionslinjer til belastningen.

Dette system gør det muligt at samtidigt producere strøm fra både vindmøller og solcelleanordninger. Tidlige hybride systemer var simple kombinationer af vindmøller og fotovoltaiske (PV) moduler, uden detaljerede matematiske modeller. Da de primært blev brugt til lavtilsikring, havde disse tidlige systemer ofte kort servicelevetid.

I de seneste år, da anvendelsesområdet for hybride systemer er blevet udvidet, og efterspørgslen efter pålidelighed og kostnadseffektivitet er steget, er flere avancerede softwarepakker udviklet internationalt til at simulere ydeevnen af vind-, sol- og hybride strømsystemer. Disse værktøjer kan modelere forskellige systemkonfigurationer for at fastslå optimale opsætninger baseret på ydeevne og strømforsyningomkostninger.

I øjeblikket anvendes to hovedmetoder internationalt til dimensionering af hybride systemer:

• Strømmatchningsmetode: Sikrer, at den kombinerede udgangsstrøm fra PV-anordningen og vindmøllen under variabel sollysindflydelse og vindhastighed overstiger belastningsstrømmen. Denne metode anvendes primært til systemoptimering og -kontrol.

• Energi-matchningsmetode: Sikrer, at den samlede producerede energi fra PV-anordningen og vindmøllen over tid opfylder eller overstiger den forbrugte energi af belastningen under variabel forhold. Denne metode anvendes primært til systemkapacitetsdesign.

III. Komponenter i Vind-Sol Hybrid Strømsystemet

Et vind-sol hybrid strømsystem består hovedsageligt af en vindmølle, solcellepaneler, en styreenhed, batterier, en inverter og AC/DC-belastninger. Systemkonfigurationsdiagrammet vises i den vedhæftede figur. Dette system er en hybrid vedvarende energiløsning, der integrerer flere energikilder – vind, sol og batterilager – sammen med intelligent kontrolteknologi for optimeret systemdrift.

Ⅳ. Komponenter i Vind-Sol Hybrid Strømsystemet

Et vind-sol hybrid strømsystem består af flere vigtige komponenter:

• Vindmølle: Konverterer vindenergi til mekanisk energi, der derefter konverteres til elektrisk energi af en generator. Denne elektricitet oplader batterier via en styreenhed og leverer belastninger gennem en inverter.

• Solcellepaneler: Udnytter fotovoltaiske effekter til at konvertere sollys til elektrisk energi, oplader batterier og leverer belastninger gennem en inverter.

• Inverter System: Består af flere inverter, der konverterer DC fra batteribanker til standard 220V AC, hvilket sikrer stabil drift af AC-belastningsenheder. Det har også automatisk spændingsstabilisering for forbedret strømkvalitet.

• Kontroleenhet: Justerer batteritilstanden baseret på solintensitet, vindhastighed og belastningsændringer. Den administrerer direkte strømforsyning til DC/AC-belastninger og lagring af overskydende energi i batterier. Under utilstrækkelig produktion trækker den fra batterier for at opretholde systemkontinuitet.

• Batteribank: Lagrer energi fra både vind- og solkilder, spiller en afgørende rolle i energiregulering og lastbalancering. Den sikrer kontinuerlig strømforsyning under mangel.

Fordele ved vind-sol hybride systemer inkluderer højere stabilitet og pålidelighed på grund af energikomplementaritet, reduceret batterikapacitetsbehov, og minimaliseret afhængighed af backup-generatorer, hvilket fører til bedre økonomiske og sociale fordele.

Ⅴ. Karakteristika af Vind-Sol Hybride Systemer

• Udforsker fuldt ud vind- og solressourcer uden ekstern strømforsyning.

• Tilbyder dags- og nat- samt sæsonkomplementaritet, hvilket sikrer høj systemstabilitet og kostnadseffektivitet.

• Reducerer vedligeholdelsesarbejde og -omkostninger betydeligt.

• Tilbyder uafhængig strømforsyning, der ikke påvirkes af naturkatastrofer.

• Funktionerer sikkert ved lavspænding med simpel vedligeholdelse.

Ⅵ. Sammensætning af Vind-Sol Hybrid Rør Overvågningssystemer

Dette system består af to hoveddele: feltstationer og overvågningscentre. Feltstationer inkluderer:

• Vindmøller: Konverterer vindenergi til elektricitet til batterilager og levering til styringsbokse.

• Solceller: Transformerer solenergi til elektricitet til batterilager eller direkte brug.

• Styringer: Administrerer systemets drift, sikrer optimal opladning/udladningscykler og beskytter mod overladning.

• Batterier: Lager overskydende energi, der genereres af vindmøller og solceller, til brug under mangel.

Ⅶ. Nøgleovervejelser for Implementering af Vind-Sol Hybrid Overvågningsstationer

• Valg af Vindmølle: Sikre problemfri drift og æstetisk tilfredshed, minimere tårnlast.

• Optimal Konfigurationsdesign: Tilpas systemets kapacitet baseret på lokale naturressourcer for maksimal effektivitet.

• Design af Stolpestyrke: Sikre strukturel integritet med hensyn til vindmølle- og solcellestørrelser og installationshøjder.

Ⅷ. Behandling af Befolkning om Vind-Sol Hybrid Systemer

• Sikkerhedsspørgsmål: Systemer er designet til at modstå alvorlige vejrforhold, forebygger potentielle farer.

• Pålidelighed af Strømforsyning: Adekvate lagerløsninger sikrer konstant strømforsyning trods variable vejrforhold.

• Omkostningsproblemer: Teknologiske fremskridt har reduceret omkostninger, gør disse systemer økonomisk levedygtige med lavere drifts- og vedligeholdelsesomkostninger sammenlignet med traditionelle systemer.

Denne korte opsummering fremhæver de væsentlige aspekter af vind-sol hybride systemer for rør-overvågning, herunder deres sammensætning, fordele og almindelige bekymringer.