Sistema IoT alimentado por híbrido eólico-solar para monitorización en tempo real de tuberías de auga

I. Estado actual e problemas existentes

Actualmente, as empresas de abastecemento de auga teñen extensas redes de tuberías de auga instaladas subterraneamente en áreas urbanas e rurais. A monitorización en tempo real dos datos de operación das tuberías é esencial para un comando e control eficaces da produción e distribución de auga. Como resultado, deben establecerse numerosas estacións de monitorización de datos ao longo das tuberías. No entanto, as fontes de enerxía estables e fiables preto destas tuberías son raras. Incluso cando a enerxía está dispoñible, a instalación de liñas de enerxía dedicadas é cara, vulnerable a danos e implica unha complexa coordinación con os proveedores de servizos públicos para a facturación do consumo eléctrico, creando desafíos significativos de xestión.

Desenvolvéronse varios tipos de dispositivos de monitorización de tuberías, pero a maioría sufren limitacións significativas. As dúas aproximacións máis comúns son:

• Dispositivos de monitorización alimentados por batería de baixa potencia: Estes requiren a substitución regular da batería. Debido ás restricións de consumo de enerxía, a frecuencia de transmisión de datos xeralmente está limitada a unha vez por hora, o que non é suficiente para a orientación operativa en tempo real.

• Dispositivos de monitorización alimentados por enerxía solar: Estes requiren baterías de gran capacidade que necesitan ser substituídas periodicamente, resultando nun alto investimento inicial e custos de mantemento.

Por tanto, hai unha necesidade urgente de desenvolver un novo tipo de sistema de monitorización de tuberías de auga que supere estas limitacións.

II. Introducción ao sistema de suministro de enerxía híbrido eólico-solar

Un sistema híbrido eólico-solar é un sistema integrado de xeración e aplicación de enerxía. Combina paneles solares e aerxeneradores (que convierten AC en DC) para xerar electricidade, almacenando a enerxía en bancos de baterías. Cando se necesita enerxía, un inversor convierte a electricidade DC almacenada nas baterías en electricidade AC, entregándoa a través de liñas de transmisión á carga.

Este sistema permite a xeración simultánea de enerxía tanto a partir de aerxeneradores como de arrays de paneles solares. Os sistemas híbridos iniciais eran combinacións simples de aerxeneradores e módulos fotovoltaicos (FV), sen modelos matemáticos detallados. Dado que se usaban principalmente para aplicaciones de baixa fiabilidade, estes sistemas iniciais xeralmente tiveron vidas útiles curtas.

Nos últimos anos, a medida que o ámbito de aplicación dos sistemas híbridos se ampliou e aumentaron as demandas de fiabilidade e eficiencia económica, desenvolvéronse internacionalmente varios paquetes de software avanzados para simular o rendemento dos sistemas eólicos, solares e híbridos. Estas ferramentas poden modelar diferentes configuracións de sistemas para determinar as configuracións óptimas baseándose no rendemento e nos custos de suministro de enerxía.

Actualmente, utilizanse dous métodos principais internacionalmente para dimensionar sistemas híbridos:

• Método de Coincidencia de Potencia: Asegura que a potencia combinada de salida do array FV e do aerxenerador sobresalgue a potencia da carga baixo variadas condicións de radiación solar e velocidade do vento. Este método usa-se principalmente para a optimización e control do sistema.

• Método de Coincidencia de Enerxía: Asegura que a enerxía total xerada polo array FV e o aerxenerador ao longo do tempo cubra ou supere a enerxía consumida pola carga baixo variadas condicións. Este método usa-se principalmente para o deseño da capacidade de potencia do sistema.

III. Componentes do sistema de suministro de enerxía híbrido eólico-solar

Un sistema de suministro de enerxía híbrido eólico-solar consiste principalmente en un aerxenerador, painéis fotovoltaicos (FV) solares, un controlador, baterías, un inversor e cargas AC/DC. O diagrama de configuración do sistema amósase na figura anexa. Este sistema é unha solución de enerxía renovable híbrida que integra múltiples fuentes de enerxía—eólica, solar e almacenamento de baterías—xunto con tecnoloxía de control intelixente para unha operación óptima do sistema.

Ⅳ.Componentes do sistema de suministro de enerxía híbrido eólico-solar

Un sistema de suministro de enerxía híbrido eólico-solar consta de varios compoñentes clave:

• Aerxenerador: Converte a enerxía eólica en enerxía mecánica, que a continuación se converte en enerxía eléctrica por un xerador. Esta electricidade recarga as baterías a través dun controlador e alimenta as cargas a través dun inversor.

• Painéis FV Solares: Utilizan o efecto fotovoltaico para converter a luz solar en enerxía eléctrica, recargando as baterías e alimentando as cargas a través dun inversor.

• Sistema de Inversor: Comprende múltiples inversores que convierten a corrente continua (DC) dos bancos de baterías en corrente alternativa (AC) estándar de 220V, asegurando a operación estable dos dispositivos de carga AC. Tamén dispón de estabilización automática de tensión para mellorar a calidade da enerxía.

• Unidade de Control: Ajusta os estados das baterías en función da intensidade solar, a velocidade do vento e os cambios de carga. Xestiona a distribución directa de enerxía a cargas DC/AC e o almacenamento de enerxía excedentaria nas baterías. Durante a xeración insuficiente, extrae enerxía das baterías para manter a continuidade do sistema.

• Banco de Baterías: Almacena a enerxía xerada tanto a partir do vento como do sol, desempeñando un papel crítico na regulación e equilibrio da carga. Asegura un suministro contínuo de enerxía durante as escasezas.

As vantaxes dos sistemas híbridos eólico-solar inclúen unha maior estabilidade e fiabilidade debido á complementariedade da enerxía, unha menor necesidade de capacidade de batería e unha mínima dependencia de xeradores de apoio, levando a beneficios económicos e sociais superiores.

Ⅴ.Características dos sistemas híbridos eólico-solar

• Utiliza plenamente os recursos eólicos e solares sen necesidade de suministro externo de enerxía.

• Ofrece complementariedad diurna-nocturna e estacional, asegurando unha alta estabilidade e eficiencia económica do sistema.

• Reduz significativamente o traballo de mantemento e os custos.

• Proporciona un suministro de enerxía independente non afectado por desastres naturais.

• Opera de forma segura a baixas voltaxes con un mantemento simple.

Ⅵ.Composición dos sistemas de monitorización de tuberías híbridos eólico-solar

Este sistema compónese de dúas partes principais: estacións de campo e centros de monitorización. As estacións de campo inclúen:

• Aerxeneradores: Convertem a enerxía eólica en electricidade para o almacenamento en baterías e o suministro a caixas de control.

• Painéis Solares: Transforman a enerxía solar en electricidade para o almacenamento en baterías ou uso directo.

• Controladores: Xestionan a operación do sistema, asegurando ciclos de carga/descarga óptimos e protexendo contra a sobrecarga.

• Baterías: Almacenan a enerxía excedentaria xerada polos aerxeneradores e os painéis solares para uso durante as escasezas.

Ⅶ.Consideracións clave para a implementación de estacións de monitorización híbridas eólico-solar

• Selección do Aerxenerador: Asegurar un funcionamento suave e un aspecto estético, minimizando a carga da torre.

• Deseño de Configuración Óptima: Adaptar a capacidade do sistema baseándose nos recursos naturais locais para maximizar a eficiencia.

• Deseño de Resistencia do Poste: Asegurar a integridade estrutural tendo en conta o tamaño dos aerxeneradores e dos painéis solares e as alturas de instalación.

Ⅷ.Abordaxe de Preocupacións sobre Sistemas Híbridos Eólico-Solar

• Preocupacións de Seguridade: Os sistemas están deseñados para resistir condicións meteorolóxicas severas, evitando potenciais perigos.

• Fiabilidade do Suministro de Enerxía: Solucións de almacenamento adecuadas aseguran un suministro constante de enerxía a pesar das condicións meteorolóxicas variables.

• Cuestións de Custos: As avances tecnolóxicos reduciron os custos, facendo que estes sistemas sexan económicamente viables con menores gastos operativos e de mantemento comparados coas sistemas tradicionais.

Esta breve resumo destaca os aspectos esenciais dos sistemas híbridos eólico-solar para a monitorización de tuberías, abordando a súa composición, vantaxes e preocupacións comúns.