Sistema IoT alimentato da energia ibrida eolico-solare per il monitoraggio in tempo reale delle condotte idriche
I. Situazione attuale e problemi esistenti
Attualmente, le aziende di fornitura idrica hanno estese reti di condutture sotterranee distribuite in aree urbane e rurali. La monitorizzazione in tempo reale dei dati di funzionamento delle condutture è essenziale per un comando e controllo efficaci della produzione e distribuzione dell'acqua. Di conseguenza, è necessario istituire numerose stazioni di monitoraggio dei dati lungo le condutture. Tuttavia, le fonti di energia stabili e affidabili nelle vicinanze di queste condutture sono rare. Anche quando l'energia è disponibile, la posa di linee elettriche dedicate è costosa, vulnerabile ai danni e richiede una complessa coordinazione con i fornitori di servizi pubblici per la fatturazione dell'energia, creando significative sfide gestionali.
Sono stati sviluppati vari tipi di dispositivi di monitoraggio delle condutture, ma la maggior parte soffre di limitazioni significative. Le due approcci più comuni sono:
Dispositivi di monitoraggio a batteria a basso consumo: questi richiedono la sostituzione regolare delle batterie. A causa delle limitazioni del consumo di energia, la frequenza di trasmissione dei dati è solitamente limitata a una volta all'ora, il che è insufficiente per la guida operativa in tempo reale.
Dispositivi di monitoraggio alimentati da energia solare: questi richiedono batterie ad alta capacità che devono essere sostituite periodicamente, comportando un alto investimento iniziale e costi di manutenzione elevati.
Pertanto, c'è un urgente bisogno di sviluppare un nuovo tipo di sistema di monitoraggio delle condutture idriche che superi queste limitazioni.
II. Introduzione al sistema di alimentazione ibrido eolico-solare
Un sistema ibrido eolico-solare è un sistema integrato di generazione e applicazione di energia. Combina pannelli solari e generatori eolici (che convertono la corrente alternata in continua) per generare elettricità, immagazzinando l'energia in batterie. Quando è necessaria l'energia, un inverter converte l'elettricità continua immagazzinata nelle batterie in corrente alternata, consegnandola tramite linee di trasmissione al carico.
Questo sistema consente la generazione simultanea di energia da generatori eolici e da array di pannelli fotovoltaici. I primi sistemi ibridi erano semplici combinazioni di generatori eolici e moduli fotovoltaici, privi di modellazione matematica dettagliata. Poiché erano principalmente utilizzati per applicazioni a bassa affidabilità, questi primi sistemi spesso avevano una vita utile breve.
Negli ultimi anni, con l'espansione del campo di applicazione dei sistemi ibridi e l'aumento della richiesta di affidabilità e costi effettivi, sono stati sviluppati a livello internazionale diversi pacchetti software avanzati per simulare le prestazioni dei sistemi eolici, solari e ibridi. Questi strumenti possono modellare diverse configurazioni di sistema per determinare le impostazioni ottimali in base alle prestazioni e ai costi di fornitura di energia.
Attualmente, a livello internazionale, vengono utilizzati due metodi principali per dimensionare i sistemi ibridi:
Metodo di abbinamento di potenza: assicura che la potenza di uscita combinata dell'array fotovoltaico e del generatore eolico, in condizioni variabili di radiazione solare e velocità del vento, superi la potenza del carico. Questo metodo viene utilizzato principalmente per l'ottimizzazione e il controllo del sistema.
Metodo di abbinamento energetico: assicura che l'energia totale generata dall'array fotovoltaico e dal generatore eolico nel tempo sia uguale o superiore all'energia consumata dal carico in condizioni variabili. Questo metodo viene utilizzato principalmente per la progettazione della capacità di potenza del sistema.
III. Componenti del sistema di alimentazione ibrido eolico-solare
Un sistema di alimentazione ibrido eolico-solare è composto principalmente da un generatore eolico, pannelli fotovoltaici, un controller, batterie, un inverter e carichi AC/DC. Il diagramma di configurazione del sistema è mostrato nella figura allegata. Questo sistema è una soluzione energetica rinnovabile ibrida che integra multiple fonti di energia—vento, sole e accumulo in batterie—insieme a tecnologie di controllo intelligente per l'ottimizzazione del funzionamento del sistema.
Ⅳ.Componenti del sistema di alimentazione ibrido eolico-solare
Un sistema di alimentazione ibrido eolico-solare è composto da diversi componenti chiave:
Generatore eolico: converte l'energia del vento in energia meccanica, che viene poi convertita in energia elettrica da un generatore. Questa elettricità carica le batterie tramite un controller e fornisce energia ai carichi attraverso un inverter.
Pannelli fotovoltaici: utilizzano l'effetto fotoelettrico per convertire la luce solare in energia elettrica, caricando le batterie e alimentando i carichi attraverso un inverter.
Sistema inverter: comprende più inverter che convertono la corrente continua dalle batterie in corrente alternata standard da 220V, garantendo il funzionamento stabile dei dispositivi a carico AC. Dispone anche di stabilizzazione automatica della tensione per migliorare la qualità dell'energia.
Unità di controllo: regola lo stato delle batterie in base all'intensità solare, alla velocità del vento e ai cambiamenti del carico. Gestisce la distribuzione diretta dell'energia ai carichi DC/AC e lo stoccaggio dell'energia eccedente nelle batterie. In caso di generazione insufficiente, attinge alle batterie per mantenere la continuità del sistema.
Batterie: immagazzinano l'energia proveniente da entrambe le fonti, eolica e solare, svolgendo un ruolo cruciale nella regolazione e bilanciamento dei carichi. Garantiscono un flusso continuo di energia durante le carenze.
I vantaggi dei sistemi ibridi eolico-solare includono una maggiore stabilità e affidabilità grazie alla complementarità energetica, una riduzione dei requisiti di capacità delle batterie e una minore dipendenza dai generatori di riserva, portando a benefici economici e sociali migliori.
Ⅴ.Caratteristiche dei sistemi ibridi eolico-solare
Sfrutta pienamente le risorse eoliche e solari senza la necessità di una fornitura di energia esterna.
Offre complementarietà giornaliera e stagionale, garantendo alta stabilità e convenienza del sistema.
Riduce significativamente il lavoro di manutenzione e i costi.
Fornisce una fornitura di energia indipendente non influenzata da disastri naturali.
Opera in sicurezza a basse tensioni con manutenzione semplice.
Ⅵ.Composizione dei sistemi di monitoraggio ibrido eolico-solare per condutture
Questo sistema è composto da due parti principali: stazioni sul campo e centri di monitoraggio. Le stazioni sul campo includono:
Generatori eolici: convertono l'energia del vento in elettricità per l'immagazzinamento nelle batterie e la fornitura alle scatole di controllo.
Pannelli solari: trasformano l'energia solare in elettricità per l'immagazzinamento nelle batterie o l'uso diretto.
Controller: gestiscono l'operazione del sistema, assicurando cicli ottimali di carica e scarica e proteggendo contro la sovraccarica.
Batterie: immagazzinano l'energia eccedente generata dai generatori eolici e dai pannelli solari per l'uso durante le carenze.
Ⅶ.Considerazioni chiave per l'implementazione di stazioni di monitoraggio ibride eolico-solare
Selezione del generatore eolico: assicurare un funzionamento fluido e un aspetto estetico, minimizzando il carico sulla torre.
Progettazione della configurazione ottimale: personalizzare la capacità del sistema in base alle risorse naturali locali per massimizzare l'efficienza.
Progettazione della resistenza dei pali: garantire l'integrità strutturale tenendo conto delle dimensioni e delle altezze di installazione dei generatori eolici e dei pannelli solari.
Ⅷ.Affrontare le preoccupazioni sui sistemi ibridi eolico-solare
Preoccupazioni di sicurezza: i sistemi sono progettati per resistere a condizioni meteorologiche severe, prevenendo potenziali pericoli.
Affidabilità della fornitura di energia: soluzioni di stoccaggio adeguato garantiscono una fornitura costante di energia nonostante le condizioni meteorologiche variabili.
Questioni di costo: gli avanzamenti tecnologici hanno ridotto i costi, rendendo questi sistemi economicamente vantaggiosi con costi operativi e di manutenzione inferiori rispetto ai sistemi tradizionali.
Questo riassunto conciso evidenzia gli aspetti essenziali dei sistemi ibridi eolico-solare per il monitoraggio delle condutture, affrontando la loro composizione, i vantaggi e le preoccupazioni comuni.
