Système IoT alimenté par une source hybride éolienne-solaire pour la surveillance en temps réel des conduites d'eau
I. État actuel et problèmes existants
Actuellement, les entreprises de distribution d'eau disposent d'un vaste réseau de canalisations d'eau enterrées dans les zones urbaines et rurales. La surveillance en temps réel des données d'exploitation des canalisations est essentielle pour une commande et un contrôle efficaces de la production et de la distribution d'eau. Par conséquent, de nombreuses stations de surveillance des données doivent être établies le long des canalisations. Cependant, des sources d'énergie stables et fiables à proximité de ces canalisations sont rarement disponibles. Même lorsque l'électricité est accessible, le coût de pose de lignes électriques dédiées est élevé, vulnérable aux dommages et implique une coordination complexe avec les fournisseurs d'électricité pour la facturation, créant des défis de gestion significatifs.
Différents types de dispositifs de surveillance des canalisations ont été développés, mais la plupart souffrent de limitations importantes. Les deux approches les plus courantes sont :
Dispositifs de surveillance alimentés par batterie à faible consommation : Ces dispositifs nécessitent un remplacement régulier des batteries. En raison des contraintes de consommation d'énergie, la fréquence de transmission des données est généralement limitée à une fois par heure, ce qui est insuffisant pour une guidance opérationnelle en temps réel.
Dispositifs de surveillance alimentés par énergie solaire : Ces dispositifs nécessitent des batteries de grande capacité qui doivent être remplacées périodiquement, entraînant un investissement initial et des coûts de maintenance élevés.
Il est donc urgent de développer un nouveau type de système de surveillance des canalisations d'eau qui surmonte ces limitations.
II. Présentation du système d'alimentation hybride éolien-solaire
Un système hybride éolien-solaire est un système intégré de génération et d'utilisation d'énergie. Il combine des panneaux solaires et des éoliennes (qui convertissent l'électricité alternative en courant continu) pour produire de l'électricité, stockée dans des banques de batteries. Lorsque l'énergie est nécessaire, un onduleur convertit l'électricité continue stockée dans les batteries en électricité alternative, la livrant via des lignes de transmission à la charge.
Ce système permet une production simultanée d'énergie à partir des éoliennes et des panneaux solaires. Les premiers systèmes hybrides étaient des combinaisons simples d'éoliennes et de modules photovoltaïques (PV), manquant de modélisation mathématique détaillée. Utilisés principalement pour des applications à faible fiabilité, ces systèmes avaient souvent une durée de vie courte.
Ces dernières années, avec l'expansion de la portée des applications des systèmes hybrides et l'augmentation des exigences en termes de fiabilité et de rentabilité, plusieurs logiciels avancés ont été développés internationalement pour simuler les performances des systèmes éoliens, solaires et hybrides. Ces outils peuvent modéliser différentes configurations de systèmes pour déterminer les paramètres optimaux en fonction des performances et des coûts d'approvisionnement en énergie.
Actuellement, deux méthodes principales sont utilisées internationalement pour dimensionner les systèmes hybrides :
Méthode de correspondance de puissance : Assure que la puissance de sortie combinée du tableau PV et de l'éolienne sous des conditions variables d'irradiation solaire et de vitesse de vent dépasse la puissance de la charge. Cette méthode est principalement utilisée pour l'optimisation et le contrôle du système.
Méthode de correspondance d'énergie : Assure que l'énergie totale produite par le tableau PV et l'éolienne au fil du temps répond ou dépasse l'énergie consommée par la charge sous des conditions variables. Cette méthode est principalement utilisée pour la conception de la capacité de puissance du système.
III. Composants du système d'alimentation hybride éolien-solaire
Un système d'alimentation hybride éolien-solaire se compose principalement d'une éolienne, de panneaux photovoltaïques (PV) solaires, d'un contrôleur, de batteries, d'un onduleur et de charges AC/DC. Le diagramme de configuration du système est montré dans la figure jointe. Ce système est une solution d'énergie renouvelable hybride qui intègre plusieurs sources d'énergie - éolienne, solaire et stockage de batteries - ainsi que des technologies de contrôle intelligent pour une optimisation de l'exploitation du système.
Ⅳ.Composants du système d'alimentation hybride éolien-solaire
Un système d'alimentation hybride éolien-solaire se compose de plusieurs composants clés :
Éolienne : Convertit l'énergie éolienne en énergie mécanique, qui est ensuite convertie en énergie électrique par un générateur. Cette électricité charge les batteries via un contrôleur et alimente les charges par l'intermédiaire d'un onduleur.
Panneaux PV solaires : Utilisent l'effet photovoltaïque pour convertir la lumière du soleil en énergie électrique, chargeant les batteries et alimentant les charges par l'intermédiaire d'un onduleur.
Système d'onduleurs : Comprend plusieurs onduleurs convertissant le courant continu des banques de batteries en courant alternatif standard de 220V, assurant le fonctionnement stable des appareils de charge AC. Il dispose également d'une stabilisation automatique de la tension pour améliorer la qualité de l'énergie.
Unité de contrôle : Ajuste les états des batteries en fonction de l'intensité solaire, de la vitesse du vent et des variations de charge. Elle gère la distribution directe de l'énergie aux charges DC/AC et le stockage de l'énergie excédentaire dans les batteries. En cas de production insuffisante, elle tire de l'énergie des batteries pour maintenir la continuité du système.
Banque de batteries : Stocke l'énergie provenant des sources éolienne et solaire, jouant un rôle crucial dans la régulation et l'équilibrage des charges. Elle assure une alimentation continue en cas de pénurie.
Les avantages des systèmes hybrides éolien-solaire incluent une stabilité et une fiabilité accrues grâce à la complémentarité des énergies, une réduction des besoins en capacité de batteries et une minimisation de la dépendance aux générateurs de secours, conduisant à de meilleurs bénéfices économiques et sociaux.
Ⅴ.Caractéristiques des systèmes hybrides éolien-solaire
Utilise pleinement les ressources éoliennes et solaires sans alimentation externe.
Offre une complémentarité jour-nuit et saisonnière, assurant une stabilité et une rentabilité élevées du système.
Réduit considérablement les travaux de maintenance et les coûts associés.
Fournit une alimentation électrique indépendante non affectée par les catastrophes naturelles.
Fonctionne en toute sécurité à basse tension avec une maintenance simple.
Ⅵ.Composition des systèmes de surveillance de canalisations hybrides éolien-solaire
Ce système comprend deux parties majeures : les stations de terrain et les centres de surveillance. Les stations de terrain comprennent :
Éoliennes : Convertissent l'énergie éolienne en électricité pour le stockage dans les batteries et l'alimentation des boîtes de commande.
Panneaux solaires : Transforment l'énergie solaire en électricité pour le stockage dans les batteries ou une utilisation directe.
Contrôleurs : Gèrent le fonctionnement du système, assurant des cycles de charge/décharge optimaux et protégeant contre la surcharge.
Batteries : Stockent l'énergie excédentaire générée par les éoliennes et les panneaux solaires pour une utilisation en cas de pénurie.
Ⅶ.Considérations clés pour la mise en œuvre des stations de surveillance hybrides éolien-solaire
Sélection de l'éolienne : Assurer un fonctionnement fluide et un aspect esthétique, minimisant la charge de la tour.
Conception de la configuration optimale : Adapter la capacité du système en fonction des ressources naturelles locales pour maximiser l'efficacité.
Conception de la résistance des poteaux : Assurer l'intégrité structurelle en tenant compte des tailles et des hauteurs d'installation des éoliennes et des panneaux solaires.
Ⅷ.Répondre aux préoccupations concernant les systèmes hybrides éolien-solaire
Préoccupations de sécurité : Les systèmes sont conçus pour résister aux conditions météorologiques sévères, empêchant les dangers potentiels.
Fiabilité de l'alimentation en énergie : Des solutions de stockage adéquates assurent une alimentation constante malgré les conditions météorologiques variables.
Problèmes de coût : Les progrès technologiques ont réduit les coûts, rendant ces systèmes économiquement viables avec des frais d'exploitation et de maintenance inférieurs à ceux des systèmes traditionnels.
Ce résumé concis met en évidence les aspects essentiels des systèmes hybrides éolien-solaire pour la surveillance des canalisations, abordant leur composition, leurs avantages et les préoccupations courantes.
