風力・太陽光ハイブリッド給電IoTシステムによる水道管のリアルタイム監視

I. 現状と既存の問題

現在、水道会社は都市部や農村部に広範な水道管網を地下に敷設しています。パイプラインの運転データのリアルタイム監視は、水生産と配水の効果的な指揮と制御に不可欠です。そのため、パイプライン沿いに多数のデータ監視ステーションを設置する必要があります。しかし、これらのパイプライン近くには安定した信頼性のある電源がほとんど存在せず、電源が利用可能であっても、専用の電力線を敷設することはコストがかかりやすく、損傷に脆弱であり、電力供給業者との複雑な調整が必要となり、管理上の大きな課題となります。

様々な種類のパイプライン監視装置が開発されていますが、多くの装置は重要な制約を持っています。最も一般的なアプローチは以下の2つです：

• 低消費電力バッテリー駆動型監視装置：これらの装置は定期的なバッテリー交換が必要です。電力消費の制約により、データ送信頻度は通常1時間に1回に制限され、リアルタイムの運用指導には不十分です。

• ソーラー駆動型監視装置：これらの装置は大容量バッテリーが必要で、定期的な交換が必要となるため、初期投資と維持費用が高いです。

したがって、これらの制約を克服する新しいタイプの水道管監視システムを開発する必要が高まっています。

II. 風力・太陽光ハイブリッド電源システムの紹介

風力・太陽光ハイブリッドシステムは、統合された発電および応用システムです。このシステムは、太陽光パネルと風力タービン（交流を直流に変換）を組み合わせて電力を生成し、バッテリーバンクにエネルギーを蓄積します。電力が必要な際には、インバータがバッテリーから蓄積された直流電力を交流電力に変換し、送電線を通じて負荷に供給します。

このシステムは、風力タービンと太陽光パネルアレイからの同時発電を可能にします。初期のハイブリッドシステムは、風力タービンと太陽光発電モジュールの単純な組み合わせであり、詳細な数理モデルが欠けていました。これらは主に低信頼性の用途に使用されており、寿命が短かったことがありました。

近年、ハイブリッドシステムの応用範囲が拡大し、信頼性とコスト効率に対する要求が高まった結果、国際的にいくつかの高度なソフトウェアパッケージが開発されました。これらのツールは、風力、太陽光、およびハイブリッド電力システムの性能をシミュレートし、異なるシステム構成をモデル化して、性能と電力供給コストに基づいて最適な設定を決定することができます。

現在、国際的にハイブリッドシステムの設計には主に以下の2つの方法が使用されています：

• 出力マッチング法：太陽光照射量と風速の変動下でのPVアレイと風力タービンの合計出力電力が負荷電力を上回るようにします。この方法は主にシステムの最適化と制御に使用されます。

• エネルギーマッチング法：時間とともにPVアレイと風力タービンによって生成される総エネルギーが、条件の変動下で負荷によって消費されるエネルギーを満たすか超えるようにします。この方法は主にシステムの電力容量設計に使用されます。

III. 風力・太陽光ハイブリッド電力システムの構成要素

風力・太陽光ハイブリッド電力システムは、主に風力タービン、太陽光パネル、コントローラー、バッテリー、インバータ、およびAC/DC負荷で構成されています。システム構成図は添付の図に示されています。このシステムは、風力、太陽光、バッテリーストレージを統合し、スマートな制御技術を用いて最適化されたシステム動作を行うハイブリッド再生可能エネルギーソリューションです。

Ⅳ.風力・太陽光ハイブリッド電力システムの構成要素

風力・太陽光ハイブリッド電力システムは以下の主要な構成要素で構成されています：

• 風力タービン：風力を機械エネルギーに変換し、ジェネレータによって電気エネルギーに変換します。この電気はコントローラーを通じてバッテリーを充電し、インバータを通じて負荷に供給されます。

• 太陽光パネル：太陽光を電気エネルギーに変換し、バッテリーを充電し、インバータを通じて負荷に電力を供給します。

• インバーターシステム：複数のインバーターで構成され、バッテリーバンクからの直流電力を標準的な220Vの交流電力に変換します。これにより、交流負荷デバイスの安定稼働が確保されます。また、自動電圧安定機能により、電力品質が向上します。

• 制御ユニット：太陽光強度、風速、負荷の変化に基づいてバッテリーの状態を調整します。直接DC/AC負荷への電力分配と過剰エネルギーのバッテリーへの蓄積を管理します。発電が不足している場合、バッテリーから電力を引き出してシステムの継続性を維持します。

• バッテリーバンク：風力と太陽光両方からのエネルギーを貯蔵し、エネルギーの調整と負荷のバランスに重要な役割を果たします。不足時の連続的な電力供給を確保します。

風力・太陽光ハイブリッドシステムの利点には、エネルギーの補完性による高い安定性と信頼性、バッテリーキャパシティ要件の削減、バックアップ発電機への依存度の低下があり、経済的および社会的利益が高まります。

Ⅴ.風力・太陽光ハイブリッドシステムの特徴

• 外部電源なしで風力と太陽光資源を完全に活用します。

• 昼夜および季節の補完性により、高いシステムの安定性とコスト効率を確保します。

• メンテナンス作業とコストを大幅に削減します。

• 自然災害の影響を受けない独立した電力供給を提供します。

• 低電圧で安全に動作し、簡単なメンテナンスが可能です。

Ⅵ.風力・太陽光ハイブリッドパイプライン監視システムの構成

このシステムは、フィールドステーションと監視センターの2つの主要な部分で構成されています。フィールドステーションには以下があります：

• 風力タービン：風力を電気に変換し、バッテリーに蓄積し、制御ボックスに供給します。

• 太陽光パネル：太陽エネルギーを電気に変換し、バッテリーに蓄積または直接使用します。

• コントローラー：システムの動作を管理し、最適な充放電サイクルを確保し、過充電を防止します。

• バッテリー：風力タービンと太陽光パネルによって生成された余剰エネルギーを蓄積し、不足時に使用します。

Ⅶ.風力・太陽光ハイブリッド監視ステーションの実装における重要な考慮事項

• 風力タービンの選択：スムーズな動作と美観を確保し、塔の負荷を最小限に抑えます。

• 最適な構成設計：地域の自然資源に基づいてシステムの容量を調整し、効率を最大化します。

• ポールの強度設計：風力タービンと太陽光パネルのサイズおよび設置高さを考慮して構造の整合性を確保します。

Ⅷ.風力・太陽光ハイブリッドシステムに関する懸念事項の対処

• 安全性に関する懸念：システムは厳しい天候条件にも耐えられるよう設計されており、潜在的な危険を防ぎます。

• 電力供給の信頼性：十分な蓄電ソリューションにより、変動する天候条件下でも一貫した電力供給が確保されます。

• コストに関する問題：技術の進歩によりコストが削減され、これらのシステムは伝統的なシステムと比較して低い運用とメンテナンスコストで経済的に実現可能となっています。

この簡潔な要約では、パイプライン監視用の風力・太陽光ハイブリッドシステムの構成、利点、および一般的な懸念事項について説明しています。