Wind-Zonne Energie Gevoed IoT Systeem voor Real-Time Waterleiding Monitoring
I. Huidige situatie en bestaande problemen
Momenteel hebben waterbedrijven uitgebreide netwerken van waterleidingen die ondergronds zijn gelegd in stedelijke en landelijke gebieden. Realtime monitoring van de leidingoperatiedata is essentieel voor effectief beheer en controle van waterproductie en -distributie. Daarom moeten er talrijke datamonitoringsstations langs de leidingen worden opgericht. Echter, stabiele en betrouwbare energiebronnen in de buurt van deze leidingen zijn zeldzaam. Zelfs wanneer elektriciteit beschikbaar is, is het leggen van speciale elektriciteitslijnen duur, kwetsbaar voor schade en vereist complexe coördinatie met nutsbedrijven voor elektriciteitsfacturering, wat significant beheersproblemen creëert.
Er zijn verschillende soorten leidingmonitoringapparatuur ontwikkeld, maar de meeste hebben significante beperkingen. De twee meest voorkomende benaderingen zijn:
Laagverbruiksbatterijgestuurde monitoringapparatuur: Deze vereisen regelmatige batterijvervanging. Vanwege verbruiksbeperkingen is de frequentie van dataverzending meestal beperkt tot eenmaal per uur, wat ontoereikend is voor realtime operationele richtlijnen.
Zonnepaneelgestuurde monitoringapparatuur: Deze vereisen grote capaciteitsbatterijen die periodiek moeten worden vervangen, wat leidt tot hoge initiële investeringen en onderhoudskosten.
Daarom is er een dringende behoefte aan het ontwikkelen van een nieuw type waterleidingmonitoringsysteem dat deze beperkingen overwint.
II. Inleiding tot het wind-zonne energie hybride systeem
Een wind-zonne energie hybridesysteem is een geïntegreerd energieopwekkings- en toepassingsysteem. Het combineert zonnepanelen en windturbines (die AC omzetten naar DC) om elektriciteit te genereren, die wordt opgeslagen in batterijbanken. Wanneer energie nodig is, zet een inverter de opgeslagen DC-elektriciteit van de batterijen om in AC-elektriciteit, die via transmissielijnen naar de belasting wordt geleverd.
Dit systeem maakt gelijktijdige energieopwekking mogelijk van zowel windturbines als zonnepaneelarrays. Vroege hybridesystemen waren eenvoudige combinaties van windturbines en fotovoltaïsche (PV) modules, zonder gedetailleerde wiskundige modellering. Omdat ze voornamelijk werden gebruikt voor toepassingen met lage betrouwbaarheid, hadden deze vroege systemen vaak korte levensduur.
In de afgelopen jaren, naarmate de toepassingsomvang van hybridesystemen is uitgebreid en de eisen aan betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit zijn toegenomen, zijn er verschillende geavanceerde softwarepakketten ontwikkeld om de prestaties van wind-, zonne- en hybridesystemen te simuleren. Deze tools kunnen verschillende systeemconfiguraties modelleren om optimale opstellingen te bepalen op basis van prestaties en energievoorzieningskosten.
Momenteel worden internationaal twee hoofdmethoden gebruikt voor het dimensioneren van hybridesystemen:
Koppeling van vermogen: Zorgt ervoor dat de gecombineerde uitvoervermogens van de PV-array en de windturbine onder variërende zonnestraling en windsnelheden het belastingsvermogen overschrijden. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt voor systeemoptimalisatie en -controle.
Energiekoppeling: Zorgt ervoor dat de totale energie die door de PV-array en de windturbine over tijd wordt opgewekt, voldoet of overtreft aan de energie die door de belasting onder variërende omstandigheden wordt verbruikt. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt voor het ontwerp van systeemenergiecapaciteit.
III. Componenten van het wind-zonne energie hybridesysteem
Een wind-zonne energie hybridesysteem bestaat voornamelijk uit een windturbine, zonnepanelen, een controller, batterijen, een inverter en AC/DC belastingen. Het systeemconfiguratie-diagram is weergegeven in de bijgevoegde figuur. Dit systeem is een hybride hernieuwbare energieoplossing die meerdere energiebronnen integreert—wind, zonne-energie en batterijopslag—naast intelligente beheertechnologie voor geoptimaliseerde systeemoperatie.
Ⅳ.Componenten van het wind-zonne energie hybridesysteem
Een wind-zonne energie hybridesysteem bestaat uit verschillende belangrijke componenten:
Windturbine: Zet windenergie om in mechanische energie, die vervolgens door een generator wordt omgezet in elektrische energie. Deze elektriciteit laadt batterijen via een controller en voorziet belastingen van stroom via een inverter.
Zonnepanelen: Gebruiken fotovoltaïsche effecten om zonlicht om te zetten in elektrische energie, die batterijen oplaadt en belastingen van stroom voorziet via een inverter.
Inverter-systeem: Bestaat uit meerdere inverters die DC van batterijbanken omzetten in standaard 220V AC, waardoor stabiele werking van AC-belastingapparaten wordt gewaarborgd. Het heeft ook automatische spanningstabilisatie voor verbeterde stroomkwaliteit.
Controle-eenheid: Past de batterijstatus aan op basis van zonne-intensiteit, windsnelheid en belastingsveranderingen. Het beheert directe stroomverdeling naar DC/AC-belastingen en overmaat energieopslag in batterijen. Tijdens onvoldoende generatie put het uit batterijen om systeemcontinuïteit te handhaven.
Batterijbank: Slaat energie op van zowel wind- als zonnebronnen, speelt een cruciale rol in energieregeling en belastingsbalans. Het garandeert continue stroomvoorziening tijdens tekorten.
Voordelen van wind-zonne hybridesystemen omvatten hogere stabiliteit en betrouwbaarheid door energiecomplementariteit, verminderde batterijcapaciteitsvereisten en minimalisatie van afhankelijkheid van reservegeneratoren, wat leidt tot betere economische en sociale voordelen.
Ⅴ.Kenmerken van wind-zonne hybridesystemen
Maakt volledig gebruik van wind- en zonne-energiebronnen zonder externe stroomvoorziening.
Biedt dag-nacht en seizoensgebonden complementariteit, waardoor hoge systeemstabiliteit en kosteneffectiviteit worden gegarandeerd.
Vermindert onderhoudswerk en -kosten aanzienlijk.
Biedt onafhankelijke stroomvoorziening die niet wordt beïnvloed door natuurrampen.
Werkt veilig op lage spanningen met eenvoudig onderhoud.
Ⅵ.Samenstelling van wind-zonne hybride leidingmonitoringsystemen
Dit systeem bestaat uit twee grote delen: veldstations en monitorcentra. Veldstations omvatten:
Windturbines: Zetten windenergie om in elektriciteit voor batterijopslag en levering aan controleboxen.
Zonnepanelen: Transformeren zonne-energie in elektriciteit voor batterijopslag of direct gebruik.
Controllers: Beheren de systeemoperatie, waarbij optimale laad/ontlaadcycli worden gewaarborgd en overladen wordt voorkomen.
Batterijen: Slaan overmatige energie op die door windturbines en zonnepanelen wordt opgewekt voor gebruik tijdens tekorten.
Ⅶ.Belangrijkste overwegingen bij het implementeren van wind-zonne hybride monitorstations
Keuze van windturbine: Zorg voor gladde werking en esthetische aantrekkelijkheid, met minimale torenbelasting.
Optimale configuratieontwerp: Pas de systeemcapaciteit aan op basis van lokale natuurlijke bronnen om de efficiëntie te maximaliseren.
Ontwerp van paalsterkte: Zorg voor structuurintegriteit rekening houdend met de grootte van windturbines en zonnepanelen en installatiehoogten.
Ⅷ.Aanpak van zorgen over wind-zonne hybridesystemen
Veiligheidszorgen: Systemen zijn ontworpen om extreme weersomstandigheden te weerstaan, waardoor potentiële gevaren worden voorkomen.
Betrouwbaarheid van stroomvoorziening: Adequate opslagoplossingen waarborgen constante stroomvoorziening ondanks variabele weersomstandigheden.
Kostenvragen: Technologische vooruitgang heeft kosten verlaagd, waardoor deze systemen economisch haalbaar zijn met lagere bedrijfs- en onderhoudskosten vergeleken met traditionele systemen.
Deze beknopte samenvatting belicht de essentiële aspecten van wind-zonne hybridesystemen voor leidingmonitoring, inclusief hun samenstelling, voordelen en algemene zorgen.
