Wind-Solar Hybrid angetriebenes IoT-System zur Echtzeitüberwachung von Wasserleitungen

I. Aktueller Stand und bestehende Probleme

Derzeit haben Wasserversorgungsunternehmen umfangreiche Netzwerke von Wasserleitungen, die unterirdisch in städtischen und ländlichen Gebieten verlegt sind. Die Echtzeitüberwachung der Betriebsdaten der Leitungen ist für eine effektive Steuerung und Kontrolle der Wasserproduktion und -verteilung unerlässlich. Daher müssen entlang der Leitungen zahlreiche Datenerfassungsstationen eingerichtet werden. Allerdings sind in der Nähe dieser Leitungen selten stabile und zuverlässige Stromquellen verfügbar. Selbst wenn Strom verfügbar ist, ist das Verlegen dedizierter Stromleitungen kostspielig, anfällig für Schäden und erfordert komplexe Abstimmungen mit Versorgungsunternehmen bezüglich der Stromabrechnung, was erhebliche Verwaltungsherausforderungen schafft.

Es wurden verschiedene Arten von Leitungsüberwachungseinrichtungen entwickelt, aber die meisten haben erhebliche Einschränkungen. Die beiden gängigsten Ansätze sind:

• Niedrigenergie-Batteriebetriebene Überwachungseinrichtungen: Diese erfordern regelmäßigen Batteriewechsel. Aufgrund von Energieverbrauchseinschränkungen beträgt die Datenübertragungsfrequenz in der Regel nur einmal pro Stunde, was für eine Echtzeit-Betriebsführung nicht ausreichend ist.

• Solarenergie-betriebene Überwachungseinrichtungen: Diese erfordern Großkapazitätsbatterien, die regelmäßig ersetzt werden müssen, was zu hohen Anschaffungs- und Wartungskosten führt.

Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung eines neuen Typs von Wasserleitungsoverwachungssystem, das diese Einschränkungen überwindet.

II. Einführung in das Wind-Solar-Hybrid-Stromversorgungssystem

Ein Wind-Solar-Hybridsystem ist ein integriertes System zur Stromerzeugung und -anwendung. Es kombiniert Solarmodule und Windturbinen (die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln), um Elektrizität zu erzeugen und diese in Batteriespeichern zu speichern. Wenn Strom benötigt wird, wandelt ein Inverter den gespeicherten Gleichstrom aus den Batterien in Wechselstrom um und liefert ihn über Leitungen an die Last.

Dieses System ermöglicht gleichzeitige Stromerzeugung durch Windturbinen und Solarpanele. Frühe Hybridsysteme waren einfache Kombinationen von Windturbinen und Photovoltaik-Modulen, ohne detaillierte mathematische Modellierung. Da sie hauptsächlich für Anwendungen mit geringer Zuverlässigkeit verwendet wurden, hatten diese frühen Systeme oft kurze Lebensdauern.

In den letzten Jahren hat sich der Anwendungsbereich der Hybridsysteme erweitert und die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz gesteigert. Daraufhin wurden mehrere fortschrittliche Softwarepakete international entwickelt, um die Leistung von Wind-, Solar- und Hybridsystemen zu simulieren. Diese Tools können verschiedene Systemkonfigurationen modellieren, um optimale Setups basierend auf Leistung und Stromkosten zu bestimmen.

Derzeit werden weltweit zwei Hauptmethoden zur Dimensionierung von Hybridsystemen verwendet:

• Leistungsanpassungsmethode: Stellt sicher, dass die kombinierte Ausgangsleistung des PV-Arrays und der Windturbine bei variierenden Sonneneinstrahlung und Windgeschwindigkeit die Lastleistung überschreitet. Diese Methode wird hauptsächlich für Systemoptimierung und -steuerung verwendet.

• Energieanpassungsmethode: Stellt sicher, dass die insgesamt erzeugte Energie des PV-Arrays und der Windturbine im Laufe der Zeit die Energiebedarfe der Last unter variierenden Bedingungen deckt oder übersteigt. Diese Methode wird hauptsächlich für die Systemleistungskapazitätsplanung verwendet.

III. Komponenten des Wind-Solar-Hybrid-Stromsystems

Ein Wind-Solar-Hybrid-Stromsystem besteht hauptsächlich aus einer Windturbine, Solarphotovoltaik- (PV) Paneelen, einem Controller, Batterien, einem Inverter und AC/DC-Lasten. Das Systemkonfigurationsdiagramm ist in der beigefügten Abbildung dargestellt. Dieses System ist eine hybride erneuerbare Energiesolution, die mehrere Energiequellen – Wind, Solar und Batteriespeicher – sowie intelligente Steuerungstechnologien für eine optimierte Systemoperation integriert.

Ⅳ.Komponenten des Wind-Solar-Hybrid-Stromsystems

Ein Wind-Solar-Hybrid-Stromsystem besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten:

• Windturbine: Wandelt Windenergie in mechanische Energie um, die dann durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Elektrizität lädt Batterien über einen Controller und versorgt Lasten über einen Inverter.

• Solar-PV-Panele: Nutzen photovoltaische Effekte, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, laden Batterien und versorgen Lasten über einen Inverter.

• Inverter-System: Bestehend aus mehreren Invertern, die den Gleichstrom aus Batteriespeichern in Standard-220V-Wechselstrom umwandeln, um eine stabile Betriebsfähigkeit von AC-Lastgeräten zu gewährleisten. Es bietet auch automatische Spannungsstabilisierung für eine verbesserte Stromqualität.

• Steuerungseinheit: Passt den Batteriezustand anhand der Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und Laständerungen an. Sie verwaltet die direkte Stromverteilung an DC/AC-Lasten und den Speicher überschüssiger Energie in Batterien. Bei unzureichender Erzeugung zieht sie Energie aus den Batterien, um die Systemkontinuität aufrechtzuerhalten.

• Batteriespeicher: Speichert Energie aus Wind- und Solarquellen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Energieregulierung und -ausgleich. Er stellt eine kontinuierliche Stromversorgung bei Engpässen sicher.

Vorteile von Wind-Solar-Hybridsystemen sind höhere Stabilität und Zuverlässigkeit aufgrund der Energiekomplementarität, reduzierte Batteriekapazitätsanforderungen und minimierte Abhängigkeit von Reservesystemen, was zu besseren wirtschaftlichen und sozialen Vorteilen führt.

Ⅴ.Eigenschaften von Wind-Solar-Hybridsystemen

• Nutzt vollständig Wind- und Solarenergieressourcen ohne externe Stromversorgung.

• Bietet Tages-Nacht- und Saisonal-Komplementarität, um hohe Systemstabilität und Kosteneffizienz zu gewährleisten.

• Reduziert erheblich Wartungsarbeiten und -kosten.

• Bietet unabhängige Stromversorgung, die von Naturkatastrophen unbeeinflusst ist.

• Betrieben sicher bei niedrigen Spannungen mit einfacher Wartung.

Ⅵ.Aufbau von Wind-Solar-Hybrid-Leitungsoverwachungssystemen

Dieses System besteht aus zwei Hauptteilen: Feldstationen und Überwachungszentren. Die Feldstationen umfassen:

• Windturbinen: Wandeln Windenergie in Elektrizität um, die in Batterien gespeichert und an Steuerboxen geliefert wird.

• Solarmodule: Transformieren Sonnenenergie in Elektrizität für den Batteriespeicher oder den direkten Einsatz.

• Controller: Verwalten den Systembetrieb, um optimale Lade- und Entladezyklen sicherzustellen und vor Überladung zu schützen.

• Batterien: Speichern überschüssige Energie, die von Windturbinen und Solarmodulen erzeugt wird, für den Einsatz bei Engpässen.

Ⅶ.Wichtige Aspekte bei der Implementierung von Wind-Solar-Hybrid-Überwachungsstationen

• Auswahl der Windturbine: Sicherstellen reibungslosen Betriebs und ästhetischer Attraktivität, Minimierung der Turmlast.

• Optimale Konfigurationsgestaltung: Anpassung der Systemkapazität an lokale natürliche Ressourcen, um die Effizienz zu maximieren.

• Stärke der Masten: Gewährleistung der strukturellen Integrität unter Berücksichtigung der Größen und Installationshöhen von Windturbinen und Solarmodulen.

Ⅷ.Behandlung von Bedenken hinsichtlich Wind-Solar-Hybridsystemen

• Sicherheitsbedenken: Systeme sind so konzipiert, dass sie schweres Wetter überstehen und potenzielle Gefahren verhindern.

• Zuverlässigkeit der Stromversorgung: Angemessene Speicherlösungen stellen trotz variabler Wetterbedingungen eine konsistente Stromversorgung sicher.

• Kostenfragen: Technologische Fortschritte haben die Kosten reduziert, sodass diese Systeme wirtschaftlich tragbar sind und im Vergleich zu traditionellen Systemen geringere Betriebs- und Wartungskosten aufweisen.

Diese knappe Zusammenfassung hebt die wesentlichen Aspekte von Wind-Solar-Hybridsystemen für die Leitungsoverwachung hervor, einschließlich ihrer Zusammensetzung, Vorteile und häufig auftretenden Bedenken.