سیستم IoT ترکیبی باد-آفتاب برای نظارت زنده بر لوله‌های آب

I. حالت فعلی و مشکلات موجود

در حال حاضر، شرکت‌های تأمین آب شبکه‌های گسترده‌ای از لوله‌های آب را در زیرزمین شهرها و روستاها نصب کرده‌اند. نظارت به‌روز بر داده‌های عملیاتی لوله‌ها برای فرماندهی و کنترل مؤثر تولید و توزیع آب ضروری است. بنابراین، باید ایستگاه‌های زیادی برای نظارت بر داده‌ها در طول لوله‌ها تأسیس شوند. با این حال، منابع برق پایدار و قابل اعتماد نزدیک این لوله‌ها به ندرت در دسترس هستند. حتی وقتی برق در دسترس است، کشیدن خطوط تغذیه اختصاصی هزینه‌بر، آسیب‌پذیر و شامل هماهنگی پیچیده با ارائه‌دهندگان خدمات برق برای صدور قبض برق است که چالش‌های مدیریتی قابل توجهی را ایجاد می‌کند.

نوع‌های مختلفی از دستگاه‌های نظارت بر لوله توسعه یافته‌اند، اما بسیاری از آن‌ها محدودیت‌های قابل توجهی دارند. دو روش رایج‌تر عبارتند از:

• دستگاه‌های نظارت با باتری با مصرف کم انرژی: این دستگاه‌ها نیاز به تعویض منظم باتری دارند. به دلیل محدودیت مصرف برق، فرکانس انتقال داده معمولاً به یک بار در ساعت محدود می‌شود که برای راهنمایی عملیاتی به‌روز کافی نیست.

• دستگاه‌های نظارت با تغذیه خورشیدی: این دستگاه‌ها نیاز به باتری‌های ظرفیت بالا دارند که باید به طور دوره‌ای تعویض شوند، که منجر به سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه‌های نگهداری بالا می‌شود.

بنابراین، نیاز فوری برای توسعه نوع جدیدی از سیستم نظارت بر لوله‌های آب وجود دارد که این محدودیت‌ها را رفع کند.

II. معرفی سیستم تغذیه برق هیبریدی باد-خورشیدی

سیستم هیبریدی باد-خورشیدی یک سیستم یکپارچه تولید و کاربرد برق است. این سیستم از ترکیب پانل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی (که جریان متناوب را به مستقیم تبدیل می‌کنند) برای تولید برق استفاده می‌کند و انرژی را در بانک‌های باتری ذخیره می‌کند. هنگامی که برق مورد نیاز است، یک وارتنر انرژی مستقیم ذخیره شده در باتری‌ها را به جریان متناوب تبدیل می‌کند و آن را از طریق خطوط انتقال به بار تحویل می‌دهد.

این سیستم امکان تولید همزمان برق از توربین‌های بادی و آرایه‌های پانل خورشیدی را فراهم می‌کند. سیستم‌های هیبریدی اولیه ترکیبات ساده‌ای از توربین‌های بادی و ماژول‌های فتوولتائیک (PV) بودند که مدل‌سازی ریاضی دقیق نداشتند. چون اغلب برای کاربردهای با قابلیت اطمینان پایین استفاده می‌شدند، این سیستم‌های اولیه معمولاً عمر خدمت کوتاهی داشتند.

در سال‌های اخیر، با گسترش دامنه کاربرد سیستم‌های هیبریدی و افزایش تقاضا برای قابلیت اطمینان و اقتصادی بودن، چندین بسته نرم‌افزاری پیشرفته در سطح بین‌المللی توسعه یافته‌اند که عملکرد سیستم‌های بادی، خورشیدی و هیبریدی را شبیه‌سازی می‌کنند. این ابزارها می‌توانند ترکیبات مختلف سیستم را مدل‌سازی کنند تا تنظیمات بهینه را بر اساس عملکرد و هزینه‌های تأمین برق تعیین کنند.

در حال حاضر، دو روش اصلی برای اندازه‌گیری سیستم‌های هیبریدی در سطح بین‌المللی استفاده می‌شود:

• روش تطبیق قدرت: اطمینان می‌دهد که خروجی قدرت ترکیبی آرایه PV و توربین بادی در شرایط مختلف تابش خورشیدی و سرعت باد بیش از قدرت بار باشد. این روش اغلب برای بهینه‌سازی و کنترل سیستم استفاده می‌شود.

• روش تطبیق انرژی: اطمینان می‌دهد که مجموع انرژی تولید شده توسط آرایه PV و توربین بادی در طول زمان برابر یا بیش از انرژی مصرفی بار در شرایط مختلف باشد. این روش اغلب برای طراحی ظرفیت توان سیستم استفاده می‌شود.

III. اجزای سیستم تغذیه برق هیبریدی باد-خورشیدی

سیستم تغذیه برق هیبریدی باد-خورشیدی از توربین بادی، پانل‌های فتوولتائیک (PV) خورشیدی، کنترل‌کننده، باتری‌ها، وارتنر و بارهای AC/DC تشکیل شده است. نمودار ترکیب سیستم در شکل ضمیمه نشان داده شده است. این سیستم یک راه‌حل انرژی تجدیدپذیر هیبریدی است که چندین منبع انرژی—باد، خورشید و ذخیره‌سازی باتری—را با فناوری کنترل هوشمند برای بهینه‌سازی عملکرد سیستم یکپارچه می‌کند.

Ⅳ.اجزای سیستم تغذیه برق هیبریدی باد-خورشیدی

سیستم تغذیه برق هیبریدی باد-خورشیدی شامل چندین جزء کلیدی است:

• توربین بادی: انرژی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند که سپس توسط یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این برق از طریق یک کنترل‌کننده باتری‌ها را شارژ می‌کند و از طریق یک وارتنر به بار تحویل می‌دهد.

• پانل‌های فتوولتائیک خورشیدی: از اثر فتوولتائیک برای تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند، باتری‌ها را شارژ می‌کنند و از طریق یک وارتنر به بار تحویل می‌دهند.

• سیستم وارتنر: شامل چندین وارتنر است که جریان مستقیم از بانک‌های باتری را به جریان متناوب استاندارد 220V تبدیل می‌کنند، که این امر عملکرد پایدار دستگاه‌های بار AC را تضمین می‌کند. همچنین ویژگی استقرار خودکار ولتاژ برای بهبود کیفیت برق دارد.

• واحد کنترل: بر اساس شدت خورشید، سرعت باد و تغییرات بار، وضعیت باتری‌ها را تنظیم می‌کند. این واحد توزیع مستقیم برق به بارهای DC/AC و ذخیره انرژی اضافی در باتری‌ها را مدیریت می‌کند. در مواقعی که تولید کافی نیست، از باتری‌ها برای حفظ پیوستگی سیستم استفاده می‌کند.

• بانک باتری: انرژی تولید شده از منابع باد و خورشید را ذخیره می‌کند و نقش مهمی در تنظیم و تعادل بار دارد. این بانک اطمینان از تأمین پیوسته برق در مواقع کمبود را فراهم می‌کند.

مزایای سیستم‌های هیبریدی باد-خورشیدی شامل پایداری و قابلیت اطمینان بیشتر به دلیل مکمل بودن انرژی، کاهش نیاز به ظرفیت باتری و کمینه‌سازی وابستگی به ژنراتورهای پشتیبان است که منجر به مزایای اقتصادی و اجتماعی بهتر می‌شود.

Ⅴ.ویژگی‌های سیستم‌های هیبریدی باد-خورشیدی

• به طور کامل از منابع باد و خورشید استفاده می‌کند بدون نیاز به تأمین برق خارجی.

• تکمیل روز و شب و فصلی را ارائه می‌دهد که اطمینان می‌دهد پایداری و اقتصادی سیستم بالا باشد.

• کار نگهداری و هزینه‌های آن را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

• تأمین برق مستقل ارائه می‌دهد که از بلایای طبیعی تأثیر نمی‌پذیرد.

• با ولتاژ پایین به صورت ایمن عمل می‌کند و نگهداری آن ساده است.

Ⅵ.آرایش سیستم‌های نظارت هیبریدی باد-خورشیدی لوله‌ها

این سیستم شامل دو بخش اصلی است: ایستگاه‌های میدانی و مراکز نظارت. ایستگاه‌های میدانی شامل:

• توربین‌های بادی: انرژی باد را به برق تبدیل می‌کنند و آن را برای ذخیره‌سازی در باتری‌ها و تحویل به جعبه‌های کنترل استفاده می‌کنند.

• پانل‌های خورشیدی: انرژی خورشید را به برق تبدیل می‌کنند و آن را برای ذخیره‌سازی یا استفاده مستقیم استفاده می‌کنند.

• کنترل‌کننده‌ها: عملکرد سیستم را مدیریت می‌کنند، دورة شارژ و پرداخت را بهینه می‌کنند و از شارژ بیش از حد محافظت می‌کنند.

• باتری‌ها: انرژی اضافی تولید شده توسط توربین‌های بادی و پانل‌های خورشیدی را برای استفاده در مواقع کمبود ذخیره می‌کنند.

Ⅶ.نکات کلیدی برای اجرای ایستگاه‌های نظارت هیبریدی باد-خورشیدی

• انتخاب توربین بادی: اطمینان حاصل کنید که عملکرد آن روان و جذاب بصری باشد و بار برج را کاهش دهد.

• طراحی پیکربندی بهینه: ظرفیت سیستم را بر اساس منابع طبیعی محلی تنظیم کنید تا کارایی را به حداکثر برسانید.

• طراحی مقاومت ستون: مقاومت ساختاری را با توجه به اندازه توربین‌های بادی و پانل‌های خورشیدی و ارتفاع نصب آن‌ها اطمینان حاصل کنید.

Ⅷ.راه‌حل‌دهی به نگرانی‌های مربوط به سیستم‌های هیبریدی باد-خورشیدی

• نگرانی‌های ایمنی: سیستم‌ها طراحی شده‌اند تا در شرایط آب و هوا شدید مقاوم باشند و خطرات بالقوه را جلوگیری کنند.

• قابلیت اطمینان تأمین برق: راه‌حل‌های ذخیره‌سازی کافی اطمینان می‌دهند که تأمین برق در شرایط مختلف آب و هوا ثابت باشد.

• مسائل هزینه: پیشرفت‌های فناوری هزینه‌ها را کاهش داده‌اند و این سیستم‌ها از نظر اقتصادی قابل قبول شده‌اند با هزینه‌های عملیاتی و نگهداری کمتر نسبت به سیستم‌های سنتی.

این خلاصه مختصر جنبه‌های اساسی سیستم‌های هیبریدی باد-خورشیدی برای نظارت بر لوله‌ها را مطرح می‌کند و ترکیب، مزایا و نگرانی‌های معمول آن‌ها را بررسی می‌کند.