מערכת IoT המופעלת על ידי מיזוג רוח-שמש לעקבות בזמן אמת של צינור מים
I. מצב נוכחי ובעיות קיימות
כיום, חברות מים מתפרנסות ממערכת רחבה של צינורות מים המוטמנים תחת הקרקע באזורים עירוניים ורural. מעקב בזמן אמת על נתוני פעילות הצינורות חיוני להגדרה והפעלה יעילה של ייצור ומפזר מים. לכן, יש צורך להקים מספר רב של תחנות מעקב נתונים לאורך הצינורות. עם זאת, מקורות חשמל יציבים ומאמינים בסביבת הצינורות הם נדירים. גם כאשר ניתן להשיג חשמל, הנחת קווי חשמל דדיקטיביים היא יקרה, פגיע לשיכוך, ודורשת מתן שיתוף פעולה מורכב עם ספקיות שירותי החשמל לתשלום החשמל, מה שהופך את זה לאתגר ניהולי משמעותי.
פותחו סוגי שונים של מכשירי מעקב לצינורות, אך רבים מהם סובלים מגבלות משמעותיות. שני הגישות הנפוצות ביותר הן:
מכשירי מעקב המופעלים על ידי סוללות בעלות צריכת אנרגיה נמוכה: אלה דורשים החלפת סוללה תקופתית. בשל מגבלות צריכת האנרגיה, תדירות ההעברה של הנתונים בדרך כלל מוגבלת לפעם אחת בשעה, מה שהוא לא מספיק להדרכה זמן אמת.
מכשירי מעקב המופעלים על ידי אנרגיית שמש: אלה דורשים סוללות בקיבולת גבוהה הדורשות החלפה תקופתית, מה שהופך את ההשקעה הראשונית והויות החזקה גבוהות.
לכן, יש צורך דחוף לפתח מערכת מעקב חדשה לצינורות מים שתגבר על מגבלות אלו.
II. מבוא למערכת אספקת החשמל המשולבת של רוח-שמש
מערכת הרוח-שמש היא מערכת ייצור ואספקת חשמל משולבת. היא מצמידה פאנלים סולריים וטורבינות רוח (שמדמיינים AC ל-DC) לייצור חשמל, מאחסנת את האנרגיה בבנקי סוללות. כשנדרש חשמל, ממיר ממיר את החשמל ה-DC המאוחסן בסוללות לחשמל AC, מפיץ אותו באמצעות קווי הפצה לעומס.
מערכת זו מאפשרת ייצור חשמל בו זמנית מתורבינות הרוח ומאריחי פוטו-וולטיים. מערכות משולבות מוקדמות היו שילובים פשוטים של טורבינות רוח ומודולים פוטו-וולטיים, ללא מודלים מתמטיים מפורטים. כיוון שהן היו בשימוש בעיקר עבור יישומים בעלי אמינות נמוכה, מערכות מוקדמות אלה לעתים קרובות היו בעלות חיי שירות קצרים.
בשנים האחרונות, ככל שהעובר היישומי של מערכות משולבות התרחב והדרישה לאמינות ויעילות כלכלית גברה, פותחו מספר חבילות תוכנה מתקדמות בינלאומיות לסימולציה של ביצועי מערכות רוח, שמש ומשולבות. כלים אלה יכולים למודל תצורות שונות של מערכות לקביעת התצורות האופטימליות בהתבסס על ביצועים וויות אספקת החשמל.
כיום, שתי שיטות עיקריות משמשות בין לאומיות לתכנון מערכות משולבות:
שיטת התאמה של הכוח: מבטיחה כי הכוח המופק הכולל של מערך הפוטו-וולטי והטורבינה הרוח תחת תנאים משתנים של קרינת השמש ומהירות הרוח עולה על כוח העומס. שיטה זו משמשת בעיקר לשיפור והגדרה של המערכת.
שיטת התאמה של האנרגיה: מבטיחה כי האנרגיה המופקת הכוללת של מערך הפוטו-וולטי והטורבינה הרוח לאורך זמן עומדת או עולה על האנרגיה המופקחת על ידי העומס תחת תנאים משתנים. שיטה זו משמשת בעיקר לתכנון יכולת הכוח של המערכת.
III. מרכיבי מערכת אספקת החשמל המשולבת של רוח-שמש
מערכת אספקת החשמל המשולבת של רוח-שמש כוללת בעיקר טורבינה רוח, פאנלים פוטו-וולטיים, משלט, סוללות, ממיר, ועומסים AC/DC. תרשים התצורה של המערכת מוצג בתמונה המצורפת. מערכת זו היא פתרון אנרגיה מתחדשת משולב שמצמיד מספר מקורות אנרגיה - רוח, שמש ואחסון סוללות - יחד עם טכנולוגיית שליטה חכמה לשיפור פעולת המערכת.
Ⅳ. מרכיבי מערכת אספקת החשמל המשולבת של רוח-שמש
מערכת אספקת החשמל המשולבת של רוח-שמש כוללת מספר מרכיבים עיקריים:
טורבינה רוח: ממירה אנרגיה רוחית לאנרגיה מכנית, שנדמה לאנרגיה חשמלית על ידי גנרטור. החשמל מטעין סוללות דרך משלט ומפיץ עומסים דרך ממיר.
פאנלים פוטו-וולטיים: משתמשים באפקטים פוטו-וולטיים כדי להמיר אור השמש לאנרגיה חשמלית, מטעינים סוללות ומפצים עומסים דרך ממיר.
מערכת ממירים: כוללת מספר ממירים הממירים DC מבנקי סוללות ל-AC סטנדרטי של 220V, המבטיחים פעולה יציבה של מכשירי עומס AC. בנוסף, היא כוללת יציבות מתח אוטומטית לשיפור איכות החשמל.
יחידת שליטה: מותאמת מצב הסוללות בהתאם לחוזק השמש, מהירות הרוח ושינויים בעומס. היא מנהלת הפצה ישירה של חשמל לעומסים DC/AC ואחסון אנרגיה עודפת בסוללות. במהלך ייצור חסר, היא מושכת מסוללות כדי לשמור על המשך המערכת.
בנק סוללות: מאחסן אנרגיה מרוח ושמש, משחק תפקיד קריטי בהגדרת והוויזת עומסים. הוא מבטיח אספקה מתמשכת של חשמל במהלך מחסור.
יתרונות של מערכות רוח-שמש כוללים יציבות ואמינות גבוהות יותר בזכות התאמה אנרגטית, דרישות נמוכות יותר לקיבולת סוללות, ותלות מופחתת בגנרטורים גיבוי, המוביל לשיפורים כלכליים וחברתיים.
Ⅴ. מאפייני מערכות רוח-שמש
משתמש באופן מלא במשאבי רוח ושמש ללא אספקת חשמל חיצונית.
מציע תוספות יום-לילה ושנתיים, המבטיחות יציבות גבוהה ויעילות כלכלית של המערכת.
מפחית באופן משמעותי את העבודה והויות החזקה.
מספק אספקת חשמל עצמאית שאינה מושפעת מאסונות טבע.
פועל בטיחותית במתח נמוך עם תחזוקה פשוטה.
Ⅵ. המבנה של מערכות מעקב צינורות המשולבות של רוח-שמש
המערכת מורכבת משני חלקים עיקריים: תחנות שדה ומרכזי מעקב. תחנות השדה כוללות:
טורבינות רוח: ממירות אנרגיה רוחית לחשמל לאחסון בסוללות וספק לקופסאות שליטה.
פאנלים סולריים: ממירים אנרגיה סולרית לחשמל לאחסון או שימוש ישיר.
מפעילים: מנהלים את פעולת המערכת, מבטיחים מחזורים אופטימליים של טעינה/פריקה ומגינים מפני טעינה יתר.
סוללות: מאחסנות אנרגיה עודפת שנוצרה על ידי טורבינות רוח ופאנלים סולריים לשימוש במהלך מחסור.
Ⅶ. נקודות מפתח למימוש תחנות מעקב משולבות של רוח-שמש
בחירה של טורבינה רוח: להבטיח פעולה חלקה ונוף יפה, תוך הקטנת העומס על המגדל.
עיצוב תצורה אופטימלי: להתאים את יכולת המערכת לפי המשאבים הטבעיים המקומיים כדי להגדיל את היעילות.
עיצוב חוזק עמוד: להבטיח שלמות מבנית בהתחשב בממדים והגובה התקנה של טורבינת הרוח והפאנלים הסולריים.
Ⅷ. להתמודד עם חששות לגבי מערכות רוח-שמש
דאגות בטיחות: מערכות מתוכננות לעמוד בתנאי מזג אוויר קשים, למנוע סיכונים אפשריים.
אמינות אספקת החשמל: פתרונות אחסון מתאימים מבטיחים אספקה קבועה למרות תנאי מזג אוויר משתנים.
בעיות מחיר: התקדמות טכנולוגית הפחיתה את הויות, מה שהופך את המערכות האלה לכלכליות עם הויות תפעול ותחזוקה נמוכות יותר לעומת מערכות מסורתיות.
סיכום קצר זה מדגיש את היבטי המפתח של מערכות רוח-שמש למעקב צינורות, כולל המבנה שלהם, היתרונות שלהם ואת הדאגות הנפוצות.
