Sistem IoT Berkuasa Hibrid Angin-Solar untuk Pemantauan Pipa Air Sebenar Waktu

I. Status Semasa dan Masalah Sedia Ada

Pada masa ini, syarikat bekalan air mempunyai rangkaian paip air yang luas yang diletakkan di bawah tanah merentasi kawasan bandar dan luar bandar. Pemantauan data operasi paip secara sebenar waktu adalah penting untuk perintahan dan kawalan yang berkesan dalam pengeluaran dan pengagihan air. Oleh itu, banyak stesen pemantauan data mesti ditubuhkan sepanjang paip. Walau bagaimanapun, sumber kuasa yang stabil dan boleh dipercayai dekat dengan paip-paip tersebut jarang tersedia. Walaupun kuasa boleh diakses, meletakkan talian kuasa yang khusus adalah mahal, mudah rosak, dan melibatkan koordinasi yang rumit dengan pembekal utiliti untuk penilaian bayaran elektrik, mencipta cabaran pengurusan yang signifikan.

Pelbagai jenis peranti pemantauan paip telah dibangunkan, tetapi kebanyakan menghadapi batasan yang signifikan. Dua pendekatan yang paling biasa adalah:

• Peranti pemantauan bertenaga bateri rendah: Ini memerlukan penggantian bateri secara berkala. Berdasarkan keterbatasan penggunaan tenaga, frekuensi transmisi data biasanya terhad kepada sekali setiap jam, yang tidak mencukupi untuk panduan operasi sebenar waktu.

• Peranti pemantauan bertenaga suria: Ini memerlukan bateri kapasiti besar yang perlu digantikan secara berkala, menyebabkan kos pelaburan awal dan penyelenggaraan yang tinggi.

Oleh itu, terdapat keperluan mendesak untuk membangunkan sistem pemantauan paip air jenis baru yang dapat mengatasi batasan-batasan ini.

II. Pengenalan Sistem Bekalan Kuasa Hibrid Angin-Suria

Sistem hibrid angin-suria adalah sistem generasi dan aplikasi kuasa yang terintegrasi. Ia menggabungkan panel suria dan turbin angin (yang menukar AC kepada DC) untuk menghasilkan elektrik, menyimpan tenaga dalam bank bateri. Apabila kuasa diperlukan, inverter menukar elektrik DC yang disimpan dalam bateri menjadi elektrik AC, menghantarinya melalui talian penghantaran kepada beban.

Sistem ini membolehkan penghasilan kuasa serentak dari kedua-dua turbin angin dan susunan panel suria. Sistem hibrid awal hanya gabungan ringkas antara turbin angin dan modul fotovoltaik (PV), tanpa model matematik yang terperinci. Sebagai mereka kebanyakannya digunakan untuk aplikasi yang kurang boleh dipercayai, sistem-sistem awal ini sering mempunyai jangka hayat yang singkat.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan pengembangan skop aplikasi sistem hibrid dan peningkatan permintaan akan kebolehpercayaan dan kos efektiviti, beberapa paket perisian canggih telah dibangunkan di peringkat antarabangsa untuk mensimulasikan prestasi sistem kuasa angin, suria, dan hibrid. Alat-alat ini boleh memodelkan konfigurasi sistem yang berbeza untuk menentukan set-up optimum berdasarkan prestasi dan kos bekalan kuasa.

Pada masa ini, dua kaedah utama digunakan di peringkat antarabangsa untuk pengecaman saiz sistem hibrid:

• Kaedah Penjodohan Kuasa: Memastikan output kuasa gabungan susunan PV dan turbin angin di bawah keadaan radiasi suria dan kelajuan angin yang berubah-ubah melebihi kuasa beban. Kaedah ini kebanyakannya digunakan untuk pengoptimuman dan kawalan sistem.

• Kaedah Penjodohan Tenaga: Memastikan jumlah tenaga yang dihasilkan oleh susunan PV dan turbin angin sepanjang masa memenuhi atau melebihi tenaga yang dikonsumsi oleh beban di bawah keadaan yang berubah-ubah. Kaedah ini kebanyakannya digunakan untuk reka bentuk kapasiti kuasa sistem.

III. Komponen Sistem Bekalan Kuasa Hibrid Angin-Suria

Sistem bekalan kuasa hibrid angin-suria terutamanya terdiri daripada turbin angin, panel fotovoltaik (PV) suria, pengawal, bateri, inverter, dan beban AC/DC. Rajah konfigurasi sistem ditunjukkan dalam gambar rajah yang dilampirkan. Sistem ini adalah penyelesaian tenaga boleh diperbaharui hibrid yang mengintegrasikan pelbagai sumber tenaga—angin, suria, dan storan bateri—bersama teknologi kawalan pintar untuk operasi sistem yang dioptimumkan.

Ⅳ. Komponen Sistem Bekalan Kuasa Hibrid Angin-Suria

Sistem bekalan kuasa hibrid angin-suria terdiri daripada beberapa komponen utama:

• Turbin Angin: Mengubah tenaga angin kepada tenaga mekanikal, yang kemudian diubah kepada tenaga elektrik oleh generator. Elektrik ini mengisi bateri melalui pengawal dan membekalkan beban melalui inverter.

• Panel PV Suria: Menggunakan kesan fotovoltaik untuk mengubah cahaya matahari kepada tenaga elektrik, mengisi bateri dan membekalkan beban melalui inverter.

• Sistem Inverter: Terdiri daripada beberapa inverter yang menukar DC dari bank bateri kepada AC piawai 220V, memastikan operasi stabil peranti beban AC. Ia juga mempunyai stabilisasi voltan automatik untuk meningkatkan kualiti kuasa.

• Unit Kawalan: Menyesuaikan keadaan bateri berdasarkan intensiti suria, kelajuan angin, dan perubahan beban. Ia menguruskan pengagihan kuasa langsung kepada beban DC/AC dan penyimpanan tenaga berlebihan dalam bateri. Semasa penghasilan tidak mencukupi, ia mengambil dari bateri untuk mengekalkan kesinambungan sistem.

• Bank Bateri: Menyimpan tenaga dari kedua-dua sumber angin dan suria, memainkan peranan kritikal dalam pengaturan dan pemantauan beban. Ia memastikan bekalan kuasa yang berterusan semasa kekurangan.

Kelebihan sistem hibrid angin-suria termasuk kestabilan dan kebolehpercayaan yang lebih tinggi berkat pelengkap tenaga, keperluan kapasiti bateri yang berkurangan, dan pengurangan kebergantungan pada janaan backup, membawa kepada faedah ekonomi dan sosial yang lebih baik.

Ⅴ. Ciri-ciri Sistem Hibrid Angin-Suria

• Memanfaatkan sepenuhnya sumber angin dan suria tanpa bekalan kuasa luaran.

• Menyediakan pelengkap siang-malam dan musim, memastikan kestabilan sistem yang tinggi dan kos efektiviti.

• Mengurangkan kerja dan kos penyelenggaraan secara signifikan.

• Memberikan bekalan kuasa bebas yang tidak dipengaruhi oleh bencana alam.

• Beroperasi dengan selamat pada voltan rendah dengan penyelenggaraan yang mudah.

Ⅵ. Susunan Sistem Pemantauan Paip Hibrid Angin-Suria

Sistem ini terdiri daripada dua bahagian utama: stesen lapangan dan pusat pemantauan. Stesen lapangan termasuk:

• Turbin Angin: Mengubah tenaga angin kepada elektrik untuk storan bateri dan bekalan kepada kotak kawalan.

• Panel Suria: Mengubah tenaga suria kepada elektrik untuk storan bateri atau penggunaan langsung.

• Pengawal: Menguruskan operasi sistem, memastikan siklus muat/turun yang optimum dan melindungi daripada overcharge.

• Bateri: Menyimpan tenaga berlebihan yang dihasilkan oleh turbin angin dan panel suria untuk digunakan semasa kekurangan.

Ⅶ. Pertimbangan Utama untuk Pelaksanaan Stesen Pemantauan Hibrid Angin-Suria

• Pilihan Turbin Angin: Pastikan operasi yang lancar dan daya tarikan, mengurangkan beban menara.

• Reka Bentuk Konfigurasi Optimum: Sesuaikan kapasiti sistem berdasarkan sumber alam tempatan untuk memaksimumkan kecekapan.

• Reka Bentuk Kekuatan Tiang: Pastikan integriti struktur dengan mempertimbangkan saiz turbin angin dan panel suria serta ketinggian pemasangan.

Ⅷ. Menangani Kekhuatiran tentang Sistem Hibrid Angin-Suria

• Kekhuatiran Keselamatan: Sistem direka untuk menahan keadaan cuaca yang teruk, mencegah potensi bahaya.

• Kebolehpercayaan Bekalan Kuasa: Penyelesaian storan yang mencukupi memastikan bekalan kuasa yang konsisten walaupun keadaan cuaca berubah-ubah.

• Isu Kos: Kemajuan teknologi telah mengurangkan kos, menjadikan sistem ini ekonomi viabel dengan kos operasi dan penyelenggaraan yang lebih rendah berbanding sistem tradisional.

Ringkasan ringkas ini menyoroti aspek-aspek penting sistem hibrid angin-suria untuk pemantauan paip, menangani susunan, kelebihan, dan kekhuatiran umum.