Szél-napelem hibrid áramellátású IoT rendszer valós idejű vízvezeték figyelésére

I. Jelenlegi helyzet és meglévő problémák

Jelenleg a vízszolgáltatók széles körben használják az alacsontra fektetett vízvezetékeket városi és vidéki területeken. A víztermelés és -elosztás hatékony irányítása és vezérlése érdekében szükséges a vezetékek működési adatainak valós idejű monitorozása. Ennek eredményeként számos adatmonitorozó állomást kell létrehozni a vezetékek mentén. Azonban a vezetékek közelségében ritkán található stabil és megbízható energiaforrás. Még akkor is, ha elérhető az energia, a dedikált villamos energiavezetékek lefektetése drága, sebezhető, és összetett koordinációt igényel a szolgáltatókkal a villamos energia számlázásához, ami jelentős kezelési kihívásokat jelent.

Számos típusú vezeték-monitorozó eszköz fejlesztésre került, de a legtöbbnek jelentős korlátai vannak. A két leggyakrabban használt megoldás:

• Alacsony fogyasztású, akkumulátorral működő monitorozó eszközök: Ezek rendszeres akkumulátorcseréhez köteleznek. A fogyasztási korlátozások miatt a telemetria frekvenciája általában csak egyszer óránként lehetséges, ami nem elegendő a valós idejű operatív utasításokhoz.

• Napelemberekkel működő monitorozó eszközök: Ezek nagy kapacitású akkumulátorokat igényelnek, amelyeket rendszeresen cserélni kell, ami magas kezdeti befektetést és karbantartási költségeket eredményez.

Ezért egy új típusú vízvezeték-monitorozó rendszer fejlesztése szükséges, amely felül tudja múlni ezeket a korlátokat.

II. A szél-napelem hibrid ellátási rendszer bemutatása

A szél-napelem hibrid rendszer egy integrált energia termelési és alkalmazási rendszer. Szélgenerátort és napelempaneleket (amelyek AC-t DC-vé alakítanak) kombinálva generál elektromos energiát, amelyet akkumulátorbankokban tárol. Amikor szükséges az energia, egy inverter a tárolt DC-t AC-vé alakítja, és átadja a terhelésre vezető áramvonalakon.

Ez a rendszer lehetővé teszi a szélgenerátorok és a napelempanel tömbök egyidejű energiatermelését. A korai hibrid rendszerek egyszerűen kombinálták a szélgenerátort és a fotovoltaikus (PV) modulokat, anélkül, hogy részletes matematikai modellezést végeztek volna. Mivel főleg alacsony megbízhatósági alkalmazásokra használták, ezek a korai rendszerek gyakran rövid élettartamúak voltak.

Az elmúlt években, ahogy a hibrid rendszerek alkalmazási területe kiterjedt, és a megbízhatóság és költséghatékonyság igényei növekedtek, számos fejlett szoftvercsomag jött létre nemzetközileg a szél, napelem és hibrid energiarendszer teljesítményének szimulálására. Ezek az eszközök különböző rendszerkonfigurációkat modellezhetnek, hogy meghatározzák a legoptimálisabb beállításokat a teljesítmény és az energiaellátási költségek alapján.

Jelenleg két fő módszert használnak nemzetközileg a hibrid rendszerek méretezésére:

• Teljesítmény illesztési módszer: Biztosítja, hogy a PV tömb és a szélgenerátor kombinált kimeneti teljesítménye változó napfény és szélsebesség mellett meghaladja a terhelés teljesítményét. Ez a módszer főleg a rendszer optimalizálására és irányítására szolgál.

• Energia illesztési módszer: Biztosítja, hogy a PV tömb és a szélgenerátor által időben generált teljes energia meghaladja vagy megegyezik a terhelés által fogyasztott energiával változó feltételek mellett. Ez a módszer főleg a rendszer energia-kapacitásának tervezésére szolgál.

III. A szél-napelem hibrid energiarendszer komponensei

A szél-napelem hibrid energiarendszer főbb komponensei a szélgenerátor, a napelem fotovoltaikus (PV) panelek, a vezérlő, az akkumulátorok, az inverter és az AC/DC terhelések. A rendszer konfigurációs diagramja a mellékelt ábrán látható. Ez a rendszer egy hibrid megújuló energia megoldás, amely több energiaforrást (szél, napelem, akkumulátor-tárolás) és intelligens irányítási technológiát integrál a rendszer optimalizált működéséhez.

Ⅳ.A szél-napelem hibrid energiarendszer komponensei

A szél-napelem hibrid energiarendszer több kulcsfontosságú komponensből áll:

• Szélgenerátor: A szélenergiát mechanikai energiává alakítja, amelyet egy generátor átalakít elektrikus energiává. Ez az elektromosság akkumulátorokba tölt be vezérlő segítségével, és inverterrel terheléseket lát el.

• Napelem PV panelek: Fotovoltaikus hatás segítségével a napfényt elektrikus energiává alakítja, amely akkumulátorokba tölt be és inverterrel terheléseket lát el.

• Inverter rendszer: Több inverterből áll, amelyek az akkumulátorbankok DC-jét standard 220V AC-vé alakítják, biztosítva az AC-terhelések stabilitását. Automatikus feszültség-stabilizálással javítja az energia minőségét.

• Irányító egység: A napfény intenzitása, a szélsebesség és a terhelés változásai alapján állítja be az akkumulátorok állapotát. Kezeli a DC/AC-terhelések közvetlen ellátását és a túlmaradó energia tárolását az akkumulátorokban. Az előállítás hiánya esetén akkumulátorokból von le, hogy fenntartsa a rendszer folytonosságát.

• Akkumulátorbank: Tárolja a szél- és napelem-forrásból származó energiát, és kritikus szerepet játszik az energia szabályozásában és a terhelések kiegyensúlyozásában. Biztosítja a folyamatos energiaellátást a hiány idején.

A szél-napelem hibrid rendszerek előnyei közé tartozik a magasabb stabilitás és megbízhatóság, a csökkent akkumulátor-kapacitás igénye, valamint a minimális háttér-generátorokra való függőség, ami gazdasági és társadalmi előnyöket is jelent.

Ⅴ.A szél-napelem hibrid rendszerek jellemzői

• Teljesen kihasználja a szél- és napelem-erőforrásokat, anélkül, hogy külső energiaellátást igényelnének.

• Napi-éjszakai és szezonális kiegészítőség, ami magas rendszer stabilitást és költséghatékonyságot biztosít.

• Signifikánsan csökkenti a karbantartási munkát és költségeket.

• Független energiaellátást biztosít, amely nem érzékeny természeti katasztrófákra.

• Biztonságos működést biztosít alacsony feszültség mellett, egyszerű karbantartással.

Ⅵ.A szél-napelem hibrid vezeték-monitorozó rendszerek szerkezete

Ez a rendszer két fő részből áll: mezői állomások és monitorozó központok. A mezői állomások:

• Szélgenerátorok: A szélenergiát elektromossá alakítják, amelyet akkumulátorokban tárolnak és a vezérlő dobozokhoz szállítanak.

• Napelempanelek: A napsugár energiát elektromossá alakítják, amelyet akkumulátorokban tárolnak vagy közvetlenül használnak.

• Vezérlők: A rendszer működését kezelik, biztosítva a legoptimalizáltabb töltés- és üresítési ciklust, valamint védelmet az túltöltés ellen.

• Akkumulátorok: Tárolják a szélgenerátorok és a napelempanelek által generált túlmaradó energiát, amelyet hiány idején használnak.

Ⅶ.Fontos szempontok a szél-napelem hibrid monitorozó állomások megvalósításához

• Szélgenerátor kiválasztása: Biztosítsa a sima működést és a vizuális vonzalmat, minimalizálva a tornya terhelését.

• Optimális konfiguráció tervezése: Szabja a rendszer kapacitását a helyi természeti erőforrások alapján, maximalizálva az effektivitást.

• Rúd erőssége tervezése: Biztosítsa a strukturális integritást, figyelembe véve a szélgenerátorok és a napelempanelek méretét, valamint a telepítési magasságot.

Ⅷ.A szél-napelem hibrid rendszerekkel kapcsolatos aggályok kezelése

• Biztonsági aggályok: A rendszerek olyan módon tervezettek, hogy ellenálljanak a súlyos időjárási viszonyoknak, megelőzve a potenciális veszélyeket.

• Energiaellátás megbízhatósága: Elegendő tárolási megoldások biztosítják a konzisztens energiaellátást, ellenére a változó időjárási viszonyoknak.

• Költségi kérdések: A technológiai fejlődés csökkentette a költségeket, így ezek a rendszerek gazdaságilag lehetségesek, kevesebb működési és karbantartási költséggel, mint a hagyományos rendszerek.

Ez a rövid összefoglaló a szél-napelem hibrid rendszerek esszenciális aspektusait mutatja be a vezeték-monitorozás szempontjából, beleértve a szerkezetüket, előnyeiket és a gyakori aggályokat.