Vind-Sol Hybrid Drevet IoT System for Sanntid Overvåking av Vannledninger

I. Nåværende situasjon og eksisterende problemer

Når forsyningsselskapene for drikkevann har omfattende nettverk av vannrør lagt under bakken i både byer og landlige områder, er sanntidsovervåking av røroperasjonsdata nødvendig for effektiv kommando og kontroll av vannproduksjon og -distribusjon. Derfor må det etableres mange dataovervåkningsstasjoner langs rørene. Imidlertid er stabile og pålitelige strømkilder nær disse rørene sjeldne. Selv når strøm er tilgjengelig, er det kostbart å legge dedikerte strømledninger, de er sårbare for skader, og det involverer komplekse koordineringer med energileverandører for strømfakturering, noe som skaper betydelige administrative utfordringer.

Ulike typer rør-overvåkningsenheter er utviklet, men de fleste har betydelige begrensninger. De to mest vanlige tilnærmingene er:

• Lavstrøm-batteridrevne overvåkningsenheter: Disse krever regelmessig batteribytte. På grunn av strømforbruksbegrensninger er frekvensen for dataoverføring typisk begrenset til en gang per time, noe som ikke er nok for sanntidsoperativ veiledning.

• Solcelle-drevne overvåkningsenheter: Disse krever stor kapasitetsbatterier som trenger periodisk bytte, noe som fører til høy initiell investering og vedlikeholdsutgifter.

Derfor er det pressende behov for å utvikle en ny type vannrør-overvåkningsystem som overkommer disse begrensningene.

II. Introduksjon til vind-sol hybrid strømforsyningsystem

Et vind-sol hybrid system er et integrert strømproduksjons- og anvendelsessystem. Det kombinerer solceller og vindturbiner (som konverterer AC til DC) for å generere strøm, lagrer energien i batteribanker. Når strøm er nødvendig, konverterer en inverter den lagrede DC-strømmen fra batteriene til AC-strøm, som leveres via ledningslinjer til belastningen.

Dette systemet gjør det mulig å generere strøm samtidig fra både vindturbiner og solcelleanlegg. Tidligere hybride systemer var enkle kombinasjoner av vindturbiner og fotovoltaiske (PV) moduler, uten detaljert matematisk modellering. Siden de primært ble brukt for lavtillitlighet-applikasjoner, hadde disse tidlige systemene ofte kort levetid.

I løpet av de siste årene, da bruksområdet for hybride systemer har utvidet seg og kravene til pålitelighet og kostnadseffektivitet har økt, er flere avanserte programvarepakker utviklet internasjonalt for å simulere ytelsen til vind-, sol- og hybride strømsystemer. Disse verktøyene kan modellere ulike systemkonfigurasjoner for å bestemme optimale oppsett basert på ytelse og strømforsyningsskostnader.

For tiden bruker man to hovedmetoder internasjonalt for dimensjonering av hybride systemer:

• Strøkmatching-metode: Sikrer at den kombinerte utgangsstrømmen fra PV-anlegget og vindturbinen under variert solstråling og vindhastighet overstiger belastningsstrømmen. Denne metoden brukes primært for systemoptimalisering og -kontroll.

• Energi-matching-metode: Sikrer at den totale energien generert av PV-anlegget og vindturbinen over tid dekker eller overstiger energiforbruket av belastningen under varierte forhold. Denne metoden brukes primært for systemstrømkapasitetsdesign.

III. Komponenter i vind-sol hybrid strømsystem

Et vind-sol hybrid strømsystem består hovedsakelig av en vindturbin, solcellepaneler, en kontroller, batterier, en inverter og AC/DC-belastninger. Systemkonfigurasjonsdiagrammet vises i den vedlagte figuren. Dette systemet er en hybrid fornybar energiløsning som integrerer flere energikilder—vind, sol og batterilagring—i tillegg til intelligent kontrollteknologi for optimalisert systemoperasjon.

Ⅳ.Komponenter i vind-sol hybrid strømsystem

Et vind-sol hybrid strømsystem består av flere nøkkelenheter:

• Vindturbin: Konverterer vindenergi til mekanisk energi, som deretter konverteres til elektrisk energi av en generator. Denne strømmen lader batterier via en kontroller og forsyner belastninger gjennom en inverter.

• Solcellepaneler: Bruker fotovoltaiske effekter for å konvertere sollys til elektrisk energi, lader batterier og forsyner belastninger gjennom en inverter.

• Inverter-system: Består av flere inverterer som konverterer DC fra batteribanker til standard 220V AC, sikrer stabil drift av AC-belastningsenheter. Det har også automatisk spenningstabilisering for forbedret strømkvalitet.

• Kontrollenhet: Justerer batteritilstander basert på solintensitet, vindhastighet og belastningsendringer. Den administrerer direkte strømforsyning til DC/AC-belastninger og overskuddsenergilagring i batterier. Under utilstrekkelig produksjon trekkes det fra batteriene for å opprettholde systemkontinuitet.

• Batteribank: Lagrer energi fra både vind- og solkilder, spiller en kritisk rolle i energiregulering og lastbalansering. Den sikrer kontinuerlig strømforsyning under mangel.

Fordeler med vind-sol hybridesystemer inkluderer høyere stabilitet og pålitelighet på grunn av energikomplementaritet, redusert batterikapasitetsbehov, og minimalisert avhengighet av reservestraumgeneratore, noe som fører til bedre økonomiske og sosiale fordeler.

Ⅴ.Egenskaper ved vind-sol hybridesystemer

• Utnytter fullt ut vind- og solressurser uten ekstern strømforsyning.

• Tilbyr dag-natt og sesongkomplementaritet, sikrer høy systemstabilitet og kostnadseffektivitet.

• Reduserer vedlikeholdarbeid og -kostnader betydelig.

• Tilbyr uavhengig strømforsyning ubedret av naturkatastrofer.

• Opererer trygt ved lav spenning med enkel vedlikehold.

Ⅵ.Sammensetning av vind-sol hybrid rør-overvåkningsystemer

Dette systemet består av to hoveddeler: feltstasjoner og overvåkningsentre. Feltstasjoner inkluderer:

• Vindturbiner: Konverterer vindenergi til strøm for batterilagring og forsyning til kontrollerbokser.

• Solcellepaneler: Transformerer solenergi til strøm for batterilagring eller direkte bruk.

• Kontroller: Administrerer systemets operasjon, sikrer optimal ladings-/slipningscykler og beskytter mot overladning.

• Batterier: Lagrer overskuddsenergi generert av vindturbiner og solcellepaneler for bruk under mangel.

Ⅶ.Nøkkelpunkter for implementering av vind-sol hybrid overvåkningsstasjoner

• Valg av vindturbin: Sikre jevn drift og estetisk tiltrekkelighet, minimere tårnlast.

• Optimal konfigurasjonsdesign: Tilpass systemets kapasitet basert på lokale naturlige ressurser for maksimal effektivitet.

• Styrke design av stolpe: Sikre strukturell integritet med tanke på størrelsen på vindturbiner og solcellepaneler samt installasjonshøyde.

Ⅷ.Behandling av bekymringer knyttet til vind-sol hybridesystemer

• Sikkerhetsbekymringer: Systemer er designet for å tåle alvorlige værförhold, forebygger potensielle farer.

• Pålitelighet av strømforsyning: Tildegnede lagringsløsninger sikrer konsekvent strømforsyning til tross for variabelt vær.

• Kostnadsproblemer: Teknologiske fremskritt har redusert kostnader, gjør disse systemene økonomisk sunne med lavere drifts- og vedlikeholdsutgifter sammenlignet med tradisjonelle systemer.

Denne korte oppsummeringen fremhever de essensielle aspektene ved vind-sol hybridesystemer for rør-overvåking, deres sammensetning, fordeler og vanlige bekymringer.