Sistem IoT Berbasis Hibrid Angin-Surya untuk Pemantauan Pipa Air Waktu Nyata
I. Status Saat Ini dan Masalah yang Ada
Saat ini, perusahaan penyedia air memiliki jaringan pipa air yang luas yang terpasang di bawah tanah di area perkotaan dan pedesaan. Pemantauan data operasi pipa secara real-time sangat penting untuk pengendalian dan kontrol efektif produksi dan distribusi air. Oleh karena itu, banyak stasiun pemantauan data harus dibangun sepanjang pipa. Namun, sumber daya listrik yang stabil dan andal dekat dengan pipa-pipa tersebut jarang tersedia. Bahkan ketika listrik dapat diakses, pemasangan kabel listrik khusus sangat mahal, rentan terhadap kerusakan, dan memerlukan koordinasi yang rumit dengan penyedia utilitas untuk penagihan listrik, menciptakan tantangan manajemen yang signifikan.
Berbagai jenis perangkat pemantauan pipa telah dikembangkan, tetapi sebagian besar memiliki batasan yang signifikan. Dua pendekatan yang paling umum adalah:
Perangkat pemantauan bertenaga baterai rendah: Perangkat ini memerlukan penggantian baterai secara berkala. Karena batasan konsumsi daya, frekuensi transmisi data biasanya terbatas pada satu kali per jam, yang tidak cukup untuk panduan operasional real-time.
Perangkat pemantauan bertenaga surya: Perangkat ini memerlukan baterai kapasitas besar yang perlu diganti secara berkala, menghasilkan investasi awal dan biaya pemeliharaan yang tinggi.
Oleh karena itu, ada kebutuhan mendesak untuk mengembangkan sistem pemantauan pipa air baru yang mengatasi batasan-batasan tersebut.
II. Pengenalan Sistem Pasokan Listrik Hibrid Angin-Surya
Sistem hibrid angin-surya adalah sistem pembangkit listrik dan aplikasi terintegrasi. Sistem ini menggabungkan panel surya dan turbin angin (yang mengubah AC menjadi DC) untuk menghasilkan listrik, menyimpan energi dalam bank baterai. Ketika diperlukan, inverter mengubah listrik DC yang disimpan dari baterai menjadi listrik AC, dan mengirimkannya melalui kabel transmisi ke beban.
Sistem ini memungkinkan pembangkitan listrik simultan dari turbin angin dan array panel surya. Sistem hibrid awal adalah kombinasi sederhana dari turbin angin dan modul fotovoltaik (PV), tanpa model matematika rinci. Karena digunakan utamanya untuk aplikasi dengan keandalan rendah, sistem-sistem awal ini sering memiliki umur layanan yang pendek.
Dalam beberapa tahun terakhir, seiring dengan ekspansi cakupan aplikasi sistem hibrid dan meningkatnya permintaan akan keandalan dan efisiensi biaya, beberapa paket perangkat lunak canggih telah dikembangkan secara internasional untuk mensimulasikan kinerja sistem angin, surya, dan hibrid. Alat-alat ini dapat memodelkan berbagai konfigurasi sistem untuk menentukan setup optimal berdasarkan kinerja dan biaya pasokan listrik.
Saat ini, dua metode utama digunakan secara internasional untuk ukuran sistem hibrid:
Metode Penyamakan Daya: Memastikan bahwa output daya gabungan dari array PV dan turbin angin di bawah kondisi radiasi surya dan kecepatan angin yang bervariasi melebihi daya beban. Metode ini digunakan utamanya untuk optimisasi dan kontrol sistem.
Metode Penyamakan Energi: Memastikan bahwa total energi yang dihasilkan oleh array PV dan turbin angin seiring waktu memenuhi atau melebihi energi yang dikonsumsi oleh beban di bawah kondisi yang bervariasi. Metode ini digunakan utamanya untuk desain kapasitas daya sistem.
III. Komponen Sistem Pasokan Listrik Hibrid Angin-Surya
Sistem pasokan listrik hibrid angin-surya terutama terdiri dari turbin angin, panel fotovoltaik (PV) surya, kontroler, baterai, inverter, dan beban AC/DC. Diagram konfigurasi sistem ditunjukkan pada gambar yang dilampirkan. Sistem ini adalah solusi energi terbarukan hibrid yang mengintegrasikan berbagai sumber energi—angin, surya, dan penyimpanan baterai—bersama dengan teknologi kontrol cerdas untuk operasi sistem yang dioptimalkan.
Ⅳ. Komponen Sistem Pasokan Listrik Hibrid Angin-Surya
Sistem pasokan listrik hibrid angin-surya terdiri dari beberapa komponen kunci:
Turbin Angin: Mengubah energi angin menjadi energi mekanis, yang kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. Listrik ini mengisi baterai melalui kontroler dan mensupply beban melalui inverter.
Panel PV Surya: Menggunakan efek fotovoltaik untuk mengubah sinar matahari menjadi energi listrik, mengisi baterai dan mensupply beban melalui inverter.
Sistem Inverter: Terdiri dari beberapa inverter yang mengubah DC dari bank baterai menjadi AC standar 220V, memastikan operasi stabil perangkat beban AC. Sistem ini juga memiliki fitur stabilisasi tegangan otomatis untuk meningkatkan kualitas listrik.
Unit Kontrol: Menyesuaikan status baterai berdasarkan intensitas surya, kecepatan angin, dan perubahan beban. Unit ini mengelola distribusi daya langsung ke beban DC/AC dan penyimpanan energi berlebih dalam baterai. Selama generasi tidak mencukupi, unit ini mengambil dari baterai untuk mempertahankan kontinuitas sistem.
Bank Baterai: Menyimpan energi dari sumber angin dan surya, memainkan peran kritis dalam regulasi dan penyeimbangan beban. Bank baterai memastikan pasokan listrik terus menerus selama kekurangan.
Keuntungan sistem hibrid angin-surya termasuk stabilitas dan keandalan yang lebih tinggi karena komplementaritas energi, pengurangan kebutuhan kapasitas baterai, dan minimisasi ketergantungan pada generator cadangan, yang menghasilkan manfaat ekonomi dan sosial yang lebih baik.
Ⅴ. Karakteristik Sistem Hibrid Angin-Surya
Memanfaatkan sepenuhnya sumber daya angin dan surya tanpa pasokan listrik eksternal.
Menawarkan komplementaritas siang-malam dan musiman, memastikan stabilitas sistem yang tinggi dan efisiensi biaya.
Mengurangi pekerjaan dan biaya pemeliharaan secara signifikan.
Memberikan pasokan listrik mandiri yang tidak terpengaruh oleh bencana alam.
Bekerja dengan aman pada tegangan rendah dengan pemeliharaan yang sederhana.
Ⅵ. Komposisi Sistem Pemantauan Pipa Hibrid Angin-Surya
Sistem ini terdiri dari dua bagian utama: stasiun lapangan dan pusat pemantauan. Stasiun lapangan mencakup:
Turbin Angin: Mengubah energi angin menjadi listrik untuk penyimpanan baterai dan suplai ke kotak kontrol.
Panel Surya: Mengubah energi surya menjadi listrik untuk penyimpanan baterai atau penggunaan langsung.
Kontroler: Mengelola operasi sistem, memastikan siklus pengisian/pengosongan yang optimal dan melindungi dari overcharging.
Baterai: Menyimpan energi berlebih yang dihasilkan oleh turbin angin dan panel surya untuk digunakan selama kekurangan.
Ⅶ. Pertimbangan Kunci untuk Implementasi Stasiun Pemantauan Hibrid Angin-Surya
Pemilihan Turbin Angin: Pastikan operasi yang lancar dan daya tarik estetika, meminimalkan beban menara.
Desain Konfigurasi Optimal: Sesuaikan kapasitas sistem berdasarkan sumber daya alam lokal untuk memaksimalkan efisiensi.
Desain Kekuatan Tiang: Pastikan integritas struktural dengan mempertimbangkan ukuran turbin angin dan panel surya serta ketinggian pemasangan.
Ⅷ. Menangani Kekhawatiran tentang Sistem Hibrid Angin-Surya
Kekhawatiran Keamanan: Sistem dirancang untuk tahan terhadap kondisi cuaca ekstrem, mencegah potensi bahaya.
Keandalan Pasokan Listrik: Solusi penyimpanan yang memadai memastikan pasokan listrik yang konsisten meskipun kondisi cuaca bervariasi.
Masalah Biaya: Kemajuan teknologi telah mengurangi biaya, membuat sistem ini ekonomis dengan biaya operasional dan pemeliharaan yang lebih rendah dibandingkan sistem tradisional.
Ringkasan singkat ini menyoroti aspek-aspek esensial dari sistem hibrid angin-surya untuk pemantauan pipa, menangani komposisi, keuntungan, dan kekhawatiran umum.
