Υβριδικό σύστημα IoT με ενέργεια από άνεμο-ήλιο για πραγματικού χρόνου παρακολούθησης αγωγών νερού

Dyson

Πεδίο: Ηλεκτρικά Πρότυπα

China

I. Τρέχουσα Στάση και Υπάρχοντα Προβλήματα

Παρούσα, οι εταιρείες παροχής νερού διαθέτουν εκτεταμένα δίκτυα υπόγειων αγωγών νερού σε αστικές και αγροτικές περιοχές. Η πραγματικού χρόνου παρακολούθηση των δεδομένων λειτουργίας των αγωγών είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική διοίκηση και ελεγχού της παραγωγής και διανομής νερού. Ως αποτέλεσμα, πρέπει να δημιουργηθούν πολλά σταθμοί παρακολούθησης δεδομένων κατά μήκος των αγωγών. Ωστόσο, σταθεροί και αξιόπιστοι πηγές ενέργειας κοντά σε αυτούς τους αγωγούς είναι σπάνιοι. Ακόμη και όταν η ενέργεια είναι διαθέσιμη, η διαμόρφωση ειδικών γραμμών ενέργειας είναι δαπανηρή, ευάλωτη σε βλάβες και απαιτεί περίπλοκη συντονισμό με τους παρόχους υπηρεσιών για τον λογαριασμό της ηλεκτρικής ενέργειας, δημιουργώντας σημαντικές προκλήσεις διαχείρισης.

Έχουν αναπτυχθεί διάφορα είδη συσκευών παρακολούθησης αγωγών, αλλά τα περισσότερα παρουσιάζουν σημαντικά περιορισμούς. Οι δύο πιο κοινές προσεγγίσεις είναι:

Συσκευές παρακολούθησης με μπαταρίες χαμηλής ενέργειας: Αυτές απαιτούν συστηματική αντικατάσταση μπαταριών. Λόγω περιορισμών στην κατανάλωση ενέργειας, η συχνότητα μετάδοσης δεδομένων είναι συνήθως περιορισμένη σε μία φορά την ώρα, το οποίο είναι ανεπαρκές για πραγματικού χρόνου οδηγίες λειτουργίας.
Συσκευές παρακολούθησης με ενέργεια από το ήλιο: Αυτές απαιτούν μεγάλης δυναμικότητας μπαταρίες που χρειάζονται περιοδική αντικατάσταση, προκαλώντας υψηλά αρχικά επενδυτικά και συντηρητικά έξοδα.

Επομένως, υπάρχει άμεση ανάγκη για την ανάπτυξη ενός νέου τύπου συστήματος παρακολούθησης αγωγών νερού που θα ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς.

II. Εισαγωγή στο Σύστημα Ενέργειας Ένωσης Ανεμογεννήτριας-Φωτοβολταϊκών

Ένα σύστημα ένωσης ανεμογεννήτριας-φωτοβολταϊκών είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής και εφαρμογής ενέργειας. Συνδυάζει φωτοβολταϊκά πάνελ και ανεμογεννήτριες (που μετατρέπουν την CA σε CD) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αποθηκεύοντάς την σε μπαταρίες. Όταν χρειάζεται ενέργεια, ένας αντιστροφέας μετατρέπει την αποθηκευμένη CD ενέργεια από τις μπαταρίες σε CA, παρέχοντάς την μέσω γραμμών μεταφοράς στο φορτίο.

Αυτό το σύστημα επιτρέπει την παράλληλη παραγωγή ενέργειας από και τις ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Τα πρώιμα υβριδικά συστήματα ήταν απλές συνδυασμοί ανεμογεννητών και φωτοβολταϊκών μοντουλών, χωρίς λεπτομερή μαθηματική μοντελοποίηση. Δεδομένου ότι χρησιμοποιούνταν κυρίως για εφαρμογές με χαμηλή αξιοπιστία, αυτά τα πρώιμα συστήματα συχνά είχαν μικρή διάρκεια ζωής.

Τα τελευταία χρόνια, με την επέκταση του εφαρμοσμένου πεδίου των υβριδικών συστημάτων και την αύξηση των απαιτήσεων για αξιοπιστία και οικονομική αποδοτικότητα, έχουν αναπτυχθεί διάφορα προηγμένα λογισμικά πακέτα διεθνώς για την προσομοίωση της απόδοσης των ανεμικών, φωτοβολταϊκών και υβριδικών συστημάτων ενέργειας. Αυτά τα εργαλεία μπορούν να μοντελοποιήσουν διάφορες συνθήκες συστημάτων για την καθορισμό των βέλτιστων διατάξεων με βάση την απόδοση και το κόστος παροχής ενέργειας.

Παρούσα, δύο κύριες μεθόδοι χρησιμοποιούνται διεθνώς για την προσαρμογή υβριδικών συστημάτων:

Μέθοδος Προσαρμογής Ισχύος: Εξασφαλίζει ότι η συνδυασμένη εξόδος ισχύος του φωτοβολταϊκού πίνακα και της ανεμογεννήτριας υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και ταχύτητας ανέμου υπερβαίνει την ισχύ του φορτίου. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για την βελτιστοποίηση και τον έλεγχο του συστήματος.
Μέθοδος Προσαρμογής Ενέργειας: Εξασφαλίζει ότι η συνολική ενέργεια που παράγεται από το φωτοβολταϊκό πίνακα και την ανεμογεννήτρια με την πάροδο του χρόνου εξασφαλίζει ή υπερβαίνει την ενέργεια που καταναλώνεται από το φορτίο υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για την σχεδίαση της ισχύος του συστήματος.

III. Συστατικά Μέρη του Υβριδικού Συστήματος Ανεμογεννήτριας-Φωτοβολταϊκών

Ένα υβριδικό σύστημα ανεμογεννήτριας-φωτοβολταϊκών περιλαμβάνει κυρίως μια ανεμογεννήτρια, φωτοβολταϊκά πάνελ, εναν ελεγκτή, μπαταρίες, έναν αντιστροφέα και AC/DC φορτία. Το σχεδιαγράμμα της διάταξης του συστήματος είναι δεικτικό στο παρακολουθούμενο σχήμα. Αυτό το σύστημα είναι μια υβριδική λύση ανανεώσιμης ενέργειας που ενοποιεί πολλαπλές πηγές ενέργειας - ανέμο, ήλιο και αποθήκευση μπαταριών - με τεχνολογία νοηματικού ελέγχου για βελτιστοποιημένη λειτουργία του συστήματος.

Wind-solar Hybrid Power.jpg

IV. Συστατικά Μέρη του Υβριδικού Συστήματος Ανεμογεννήτριας-Φωτοβολταϊκών

Ένα υβριδικό σύστημα ανεμογεννήτριας-φωτοβολταϊκών περιλαμβάνει πολλά βασικά συστατικά μέρη:

Ανεμογεννήτρια: Μετατρέπει την ενέργεια του ανέμου σε μηχανική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια από έναν γεννήτρια. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια φορτίζει τις μπαταρίες μέσω ενός ελεγκτή και παρέχει ενέργεια στα φορτία μέσω ενός αντιστροφέα.
Φωτοβολταϊκά Πάνελ: Χρησιμοποιούν τη φωτοβολταϊκή επίδραση για να μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια, φορτίζοντας τις μπαταρίες και παρέχοντας ενέργεια στα φορτία μέσω ενός αντιστροφέα.
Σύστημα Αντιστροφέα: Περιλαμβάνει πολλούς αντιστροφείς που μετατρέπουν την CD από τις μπαταρίες σε πρότυπη 220V CA, εξασφαλίζοντας τη σταθερή λειτουργία των συσκευών φορτίων CA. Διαθέτει επίσης αυτόματη σταθεροποίηση τάσης για βελτιωμένη ποιότητα ενέργειας.
Μονάδα Ελέγχου: Προσαρμόζει τις καταστάσεις των μπαταριών με βάση την ένταση του ήλιου, την ταχύτητα του ανέμου και τις αλλαγές του φορτίου. Διαχειρίζεται την άμεση διανομή ενέργειας σε DC/CA φορτία και την αποθήκευση υπερβολικής ενέργειας στις μπαταρίες. Κατά την ανεπαρκή παραγωγή, αντλεί ενέργεια από τις μπαταρίες για τη διατήρηση της συνέχειας του συστήματος.
Μπαταρίες: Αποθηκεύουν ενέργεια από και τις ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά πάνελ, παίζοντας κρίσιμο ρόλο στην ρύθμιση και την ισορροπία των φορτίων. Εξασφαλίζουν συνεχή παροχή ενέργειας κατά τη διάρκεια ελλείψεων.

Οι πλεονεκτήσεις των υβριδικών συστημάτων ανεμογεννήτριας-φωτοβολταϊκών περιλαμβάνουν υψηλότερη σταθερότητα και αξιοπιστία λόγω της συμπληρωματικότητας της ενέργειας, μείωση των απαιτήσεων δυναμικότητας των μπαταριών και μείωση της εξάρτησης από συστήματα παροχής ενέργειας επιστροφής, οδηγώντας σε καλύτερα οικονομικά και κοινωνικά οφέλη.

V. Χαρακτηριστικά των Υβριδικών Συστημάτων Ανεμογεννήτριας-Φωτοβολταϊκών

Εκμεταλλεύεται πλήρως τις πηγές ανέμου και ήλιου χωρίς εξωτερική παροχή ενέργειας.
Παρέχει συμπληρωματικότητα ημέρας-νύχτας και εποχιακά, εξασφαλίζοντας υψηλή σταθερότητα και οικονομική αποδοτικότητα του συστήματος.
Μειώνει σημαντικά την διατήρηση και το κόστος.
Παρέχει ανεξάρτητη παροχή ενέργειας χωρίς επιρροή φυσικών καταστροφών.
Λειτουργεί με ασφάλεια σε χαμηλές τάσεις με απλή διατήρηση.

VI. Σύσταση Υβριδικών Συστημάτων Παρακολούθησης Αγωγών Νερού

Αυτό το σύστημα περιλαμβάνει δύο κύρια τμήματα: πεδιακούς σταθμούς και κέντρα παρακολούθησης. Οι πεδιακοί σταθμοί περιλαμβάνουν:

Ανεμογεννήτριες: Μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια για αποθήκευση στις μπαταρίες και παροχή σε κουτιά ελέγχου.
Φωτοβολταϊκά Πάνελ: Μετατρέπουν την ενέργεια του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια για αποθήκευση στις μπαταρίες ή άμεση χρήση.
Ελεγκτές: Διαχειρίζονται τη λειτουργία του συστήματος, εξασφαλίζοντας βέλτιστες κύκλους φόρτισης-ξεφόρτισης και προστασία από υπερφόρτιση.
Μπαταρίες: Αποθηκεύουν υπερβολική ενέργεια που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά πάνελ για χρήση κατά τη διάρκεια ελλείψεων.

VII. Βασικά Θέματα Προσοχής για την Εφαρμογή Υβριδικών Σταθμών Παρακολούθησης

Επιλογή Ανεμογεννήτριας: Να εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία και η αισθητική ελκυστικότητα, μειώνοντας το φορτίο της πύργου.
Σχεδιασμός Βέλτιστης Διάταξης: Προσαρμόζεται η δυναμικότητα του συστήματος με βάση τις τοπικές φυσικές πηγές για την εξασφάλιση της μέγιστης απόδοσης.
Σχεδιασμός Ισχύος Στύλων: Εξασφαλίζεται η δομική ακεραιότητα λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος και το ύψος εγκατάστασης των ανεμογεννητών και των φωτοβολταϊκών πάνελ.