Sistema IoT alimentado por híbrido eólico-solar para monitoreo en tiempo real de tuberías de agua
I. Situación actual y problemas existentes
Actualmente, las empresas de suministro de agua tienen extensas redes de tuberías subterráneas en áreas urbanas y rurales. La monitorización en tiempo real de los datos de operación de las tuberías es esencial para el mando y control efectivos de la producción y distribución de agua. Como resultado, se deben establecer numerosas estaciones de monitoreo de datos a lo largo de las tuberías. Sin embargo, fuentes de energía estables y confiables cerca de estas tuberías rara vez están disponibles. Incluso cuando la electricidad es accesible, tender líneas eléctricas dedicadas es costoso, vulnerable a daños y requiere una coordinación compleja con los proveedores de servicios públicos para la facturación de electricidad, creando desafíos de gestión significativos.
Se han desarrollado diversos tipos de dispositivos de monitoreo de tuberías, pero la mayoría sufre de limitaciones significativas. Los dos enfoques más comunes son:
Dispositivos de monitoreo alimentados por baterías de bajo consumo: Estos requieren reemplazo regular de baterías. Debido a las restricciones de consumo de energía, la frecuencia de transmisión de datos generalmente se limita a una vez por hora, lo cual es insuficiente para la guía operativa en tiempo real.
Dispositivos de monitoreo alimentados por energía solar: Estos requieren baterías de gran capacidad que necesitan reemplazo periódico, resultando en un alto costo inicial y de mantenimiento.
Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar un nuevo tipo de sistema de monitoreo de tuberías de agua que supere estas limitaciones.
II. Introducción al sistema de suministro de energía híbrida eólico-solar
Un sistema híbrido eólico-solar es un sistema integrado de generación y aplicación de energía. Combina paneles solares y aerogeneradores (que convierten AC a DC) para generar electricidad, almacenándola en bancos de baterías. Cuando se necesita energía, un inversor convierte la electricidad DC almacenada en las baterías en electricidad AC, entregándola a través de líneas de transmisión a la carga.
Este sistema permite la generación de energía simultánea desde aerogeneradores y matrices de paneles solares. Los sistemas híbridos tempranos eran combinaciones simples de aerogeneradores y módulos fotovoltaicos (PV), careciendo de modelización matemática detallada. Dado que se usaban principalmente para aplicaciones de baja fiabilidad, estos sistemas tempranos a menudo tenían vidas útiles cortas.
En los últimos años, a medida que el alcance de aplicación de los sistemas híbridos se ha ampliado y las demandas de fiabilidad y rentabilidad han aumentado, se han desarrollado varios paquetes de software avanzados a nivel internacional para simular el rendimiento de los sistemas de energía eólica, solar e híbrida. Estas herramientas pueden modelar diferentes configuraciones del sistema para determinar las configuraciones óptimas basadas en el rendimiento y los costos de suministro de energía.
Actualmente, se utilizan dos métodos principales a nivel internacional para dimensionar sistemas híbridos:
Método de Coincidencia de Potencia: Asegura que la potencia de salida combinada de la matriz de paneles solares y el aerogenerador, bajo condiciones variables de radiación solar y velocidad del viento, exceda la potencia de la carga. Este método se utiliza principalmente para la optimización y control del sistema.
Método de Coincidencia de Energía: Asegura que la energía total generada por la matriz de paneles solares y el aerogenerador a lo largo del tiempo cumpla o exceda la energía consumida por la carga bajo condiciones variables. Este método se utiliza principalmente para el diseño de la capacidad de potencia del sistema.
III. Componentes del sistema de energía híbrida eólico-solar
Un sistema de energía híbrida eólico-solar consta principalmente de un aerogenerador, paneles fotovoltaicos (PV) solares, un controlador, baterías, un inversor y cargas AC/DC. El diagrama de configuración del sistema se muestra en la figura adjunta. Este sistema es una solución de energía renovable híbrida que integra múltiples fuentes de energía—eólica, solar y almacenamiento de baterías—junto con tecnología de control inteligente para la operación optimizada del sistema.
Ⅳ.Componentes del sistema de energía híbrida eólico-solar
Un sistema de energía híbrida eólico-solar consta de varios componentes clave:
Aerogenerador: Convierte la energía eólica en energía mecánica, que luego se convierte en energía eléctrica por un generador. Esta electricidad carga las baterías a través de un controlador y suministra la carga a través de un inversor.
Paneles Solares PV: Utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la luz solar en energía eléctrica, cargando las baterías y alimentando la carga a través de un inversor.
Sistema de Inversión: Comprende múltiples inversores que convierten la corriente DC de los bancos de baterías en corriente AC estándar de 220V, asegurando la operación estable de los dispositivos de carga AC. También cuenta con estabilización automática de voltaje para mejorar la calidad de la energía.
Unidad de Control: Ajusta los estados de las baterías según la intensidad solar, la velocidad del viento y los cambios de carga. Gestiona la distribución directa de energía a las cargas DC/AC y el almacenamiento de energía excedente en las baterías. Durante la generación insuficiente, extrae energía de las baterías para mantener la continuidad del sistema.
Banco de Baterías: Almacena energía de fuentes eólica y solar, desempeñando un papel crítico en la regulación y equilibrio de la carga. Asegura el suministro continuo de energía durante las escasezas.
Las ventajas de los sistemas híbridos eólico-solar incluyen mayor estabilidad y confiabilidad debido a la complementariedad de la energía, reducción de los requisitos de capacidad de las baterías y minimización de la dependencia de generadores de respaldo, lo que lleva a beneficios económicos y sociales mejores.
Ⅴ.Características de los sistemas híbridos eólico-solar
Utiliza plenamente los recursos eólicos y solares sin suministro externo de energía.
Ofrece complementariedad diurna-nocturna y estacional, asegurando alta estabilidad y rentabilidad del sistema.
Reduce significativamente el trabajo y los costos de mantenimiento.
Proporciona suministro de energía independiente no afectado por desastres naturales.
Opera de manera segura a bajas tensiones con mantenimiento sencillo.
Ⅵ.Composición de los sistemas de monitoreo de tuberías híbridos eólico-solar
Este sistema consta de dos partes principales: estaciones de campo y centros de monitoreo. Las estaciones de campo incluyen:
Aerogeneradores: Convierten la energía eólica en electricidad para el almacenamiento en baterías y el suministro a cajas de control.
Paneles Solares: Transforman la energía solar en electricidad para el almacenamiento en baterías o uso directo.
Controladores: Gestionan la operación del sistema, asegurando ciclos de carga y descarga óptimos y protegiendo contra sobrecargas.
Baterías: Almacenan la energía excedente generada por los aerogeneradores y paneles solares para su uso durante las escasezas.
Ⅶ.Consideraciones clave para la implementación de estaciones de monitoreo híbridas eólico-solar
Selección de Aerogeneradores: Asegurar operación fluida y atractivo estético, minimizando la carga de la torre.
Diseño de Configuración Óptima: Adaptar la capacidad del sistema según los recursos naturales locales para maximizar la eficiencia.
Diseño de Resistencia de Postes: Asegurar la integridad estructural considerando el tamaño de los aerogeneradores y paneles solares, así como las alturas de instalación.
Ⅷ.Abordando Preocupaciones sobre Sistemas Híbridos Eólico-Solar
Preocupaciones de Seguridad: Los sistemas están diseñados para resistir condiciones meteorológicas severas, previniendo posibles peligros.
Fiabilidad del Suministro de Energía: Soluciones de almacenamiento adecuadas aseguran un suministro constante de energía a pesar de las condiciones meteorológicas variables.
Problemas de Costo: Los avances tecnológicos han reducido los costos, haciendo que estos sistemas sean económicamente viables con gastos operativos y de mantenimiento más bajos en comparación con los sistemas tradicionales.
Este resumen conciso destaca los aspectos esenciales de los sistemas híbridos eólico-solar para el monitoreo de tuberías, abordando su composición, ventajas y preocupaciones comunes.
