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

I. وضع موجود و مشکلات موجود

در حال حاضر، شرکت‌های تأمین آب شبکه‌های گسترده‌ای از لوله‌های آب را در زیر زمین شهرها و مناطق روستایی نصب کرده‌اند. نظارت به‌موقع بر داده‌های عملیاتی این لوله‌ها برای فرماندهی و کنترل مؤثر تولید و توزیع آب ضروری است. بنابراین، باید تعداد زیادی ایستگاه نظارت بر داده‌ها در طول این لوله‌ها ایجاد شود. با این حال، منابع تغذیه پایدار و قابل اعتماد نزدیک این لوله‌ها به ندرت در دسترس هستند. حتی وقتی تغذیه در دسترس است، نصب خطوط تغذیه اختصاصی هزینه‌بر، آسیب‌پذیر و شامل هماهنگی پیچیده با ارائه‌دهندگان خدمات برق برای صدور قبض برق است که موجب چالش‌های مدیریتی قابل توجهی می‌شود.

انواع مختلفی از دستگاه‌های نظارت بر لوله‌ها توسعه یافته‌اند، اما بیشتر آن‌ها محدودیت‌های قابل توجهی دارند. دو روش رایج‌ترین عبارتند از:

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

• دستگاه‌های نظارت با انرژی خورشیدی: این دستگاه‌ها نیاز به باتری‌های ظرفیت بالا دارند که نیازمند تعویض دوره‌ای هستند، 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 تامین انرژی هیبریدی باد-خورشیدی

سیستم هیبریدی باد-خورشیدی یک سیستم یکپارچه تولید و کاربرد انرژی است. این سیستم از پانل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی (که جریان AC را به DC تبدیل می‌کنند) برای تولید برق استفاده می‌کند و انرژی را در بانک‌های باتری ذخیره می‌کند. هنگامی که نیاز به برق است، یک وارون‌کننده انرژی DC ذخیره شده در باتری‌ها را به برق AC 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 ترکیب ساده‌ای از توربین‌های بادی و ماژول‌های فتوولتائیک (PV) بودند که مدل‌سازی ریاضی دقیق نداشتند. چون عموماً برای کاربردهای با قابلیت اطمینان پایین استفاده می‌شدند، این سیستم‌های اولیه معمولاً عمر مفید کوتاهی داشتند.

در سال‌های اخیر، با گسترش محدوده کاربرد سیستم‌های هیبریدی و افزایش تقاضا برای قابلیت اطمینان و اقتصادی بودن، چندین نرم‌افزار پیشرفته بین‌المللی برای شبیه‌سازی عملکرد سیستم‌های بادی، خورشیدی و هیبریدی توسعه یافته‌اند. این ابزارها می‌توانند تنوعی از پیکربندی‌های سیستم را مدل‌سازی کنند تا پیکربندی‌های بهینه را بر اساس عملکرد و هزینه‌های تامین برق تعیین کنند.

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

• روش تطابق توان: اطمینان می‌دهد که خروجی توان ترکیبی آرایه PV و توربین بادی در شرایط متغیر تابش خورشیدی و سرعت باد بیش از توان بار باشد. این روش عمدتاً برای بهینه‌سازی و کنترل سیستم استفاده می‌شود.

• روش تطابق انرژی: اطمینان می‌دهد که انرژی کل تولید شده توسط آرایه PV و توربین بادی در طول زمان مساوی یا بیش از انرژی مصرفی توسط بار در شرایط متغیر باشد. این روش عمدتاً برای طراحی ظرفیت توان سیستم استفاده می‌شود.

III. اجزای سیستم تامین انرژی هیبریدی باد-خورشیدی

یک سیستم تامین انرژی هیبریدی باد-خورشیدی عمدتاً شامل توربین بادی، پانل‌های فتوولتائیک (PV) خورشیدی، کنترل‌کننده، باتری‌ها، وارون‌کننده و بارهای AC/DC است. نمودار پیکربندی 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 یکپارچه کرده تا عملکرد بهینه سیستم را تضمین کند.

Ⅳ. اجزای سیستم تامین انرژی هیبریدی باد-خورشیدی

یک سیستم تامین انرژی هیبریدی باد-خورشیدی شامل چندین مؤلفه کلیدی است:

• توربین بادی: انرژی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و سپس یک ژنراتور آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این برق از طریق یک کنترل‌کننده باتری‌ها را شارژ می‌کند و از طریق یک وارون‌کننده به بار تحویل می‌دهد.

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

• سیستم وارون‌کننده: شامل چندین وارون‌کننده است که جریان DC از بانک‌های باتری را به برق AC استاندارد 220V تبدیل می‌کند، تا عملکرد پایدار دستگاه‌های بار AC را تضمین کند. همچنین دارای استقرار خودکار ولتاژ برای بهبود کیفیت برق است.

• واحد کنترل: بر اساس شدت نور خورشید، سرعت باد و تغییرات بار، حالت باتری‌ها را تنظیم می‌کند. این واحد توزیع مستقیم انرژی 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 از منابع باد و خورشید را ذخیره می‌کند و نقش مهمی در تنظیم و توازن بارها دارد. این بانک اطمینان از تأمین برق پیوسته در زمان کمبودها را تضمین می‌کند.

مزایای سیستم‌های هیبریدی باد-خورشیدی شامل پایداری و قابلیت اطمینان بالاتر به دلیل مکمل بودن انرژی، کاهش نیاز به ظرفیت باتری و کاهش 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.

• مکمل روز و شب و فصلی است، که پایداری و اقتصادی بالای سیستم را تضمین می‌کند.

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

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

• با ولتاژهای کم ایمن عمل می‌کند و نگهداری آن ساده است.

Ⅵ. ترکیب سیستم‌های نظارت بر لوله‌ها با تغذیه باد-خورشیدی

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 ذخیره در باتری و تحویل به جعبه‌های کنترلی استفاده می‌کنند.

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

• کنترل‌کننده‌ها: عملکرد سیستم را مدیریت می‌کنند، چرخه‌های شارژ/آزادسازی بهینه را تضمین می‌کنند و از شارژ اضافی محافظت می‌کنند.

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

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

• انتخاب توربین بادی: اطمینان حاصل کنید که عملکرد آن هموار باشد و جاذبه زیبا