System hybrydowy zasilany energią wiatrowo-słoneczną do monitorowania w czasie rzeczywistym rurociągu wodnego
I. Obecna sytuacja i istniejące problemy
Obecnie przedsiębiorstwa wodociągowe mają rozległe sieci rurociągów podziemnych rozciągnięte na terenach miejskich i wiejskich. Monitorowanie w czasie rzeczywistym danych dotyczących działania rurociągów jest niezbędne do skutecznego zarządzania produkcją i dystrybucją wody. W związku z tym, muszą być ustanowione liczne stacje monitorowania danych wzdłuż rurociągów. Jednak stabilne i niezawodne źródła energii w pobliżu tych rurociągów są rzadko dostępne. Nawet gdy energia jest dostępna, położenie dedykowanych linii energetycznych jest kosztowne, podatne na uszkodzenia oraz wymaga skomplikowanej koordynacji z dostawcami energii elektrycznej w zakresie rozliczeń, co tworzy istotne wyzwania zarządcze.
Zostały opracowane różne typy urządzeń do monitorowania rurociągów, ale większość z nich ma znaczne ograniczenia. Dwa najpopularniejsze podejścia to:
Urządzenia do monitorowania napędzane bateriami o niskim poborze energii: Te urządzenia wymagają regularnej wymiany baterii. Ze względu na ograniczenia związane z zużyciem energii, częstotliwość przesyłania danych jest zwykle ograniczona do razu na godzinę, co jest niewystarczające dla real-time operacyjnej kierunkówki.
Urządzenia do monitorowania zasilane energią słoneczną: Te urządzenia wymagają dużych baterii, które potrzebują okresowej wymiany, co powoduje wysokie początkowe inwestycje i koszty utrzymania.
Dlatego istnieje pilna potrzeba opracowania nowego typu systemu monitorowania rurociągów wodociągowych, który przezwycięży te ograniczenia.
II. Wprowadzenie do systemu zasilania hybrydowego wiatr-słońce
System hybrydowy wiatr-słońce to zintegrowany system generowania i stosowania energii. Łączy panele słoneczne i turbiny wiatrowe (które przekształcają prąd przemienny w prąd stały) do generowania energii, przechowując ją w bankach baterii. Gdy potrzebna jest energia, inwerter przekształca przechowywany prąd stały z baterii w prąd przemienny, dostarczając go poprzez linie transmisyjne do obciążenia.
Ten system umożliwia jednoczesną generację energii zarówno z turbin wiatrowych, jak i paneli fotowoltaicznych. Wczesne systemy hybrydowe były prostymi kombinacjami turbin wiatrowych i modułów fotowoltaicznych (PV), brakowało im szczegółowych modeli matematycznych. Ponieważ były głównie używane w aplikacjach o niskiej niezawodności, te wczesne systemy często miały krótki okres użytkowania.
W ostatnich latach, wraz ze wzrostem zakresu zastosowań systemów hybrydowych i zapotrzebowaniem na niezawodność i efektywność kosztową, opracowano kilka zaawansowanych pakietów oprogramowania, które symulują wydajność systemów wiatrowych, słonecznych i hybrydowych. Te narzędzia mogą modelować różne konfiguracje systemów, aby określić optymalne ustawienia na podstawie wydajności i kosztów dostawy energii.
Obecnie na świecie używa się dwóch głównych metod do projektowania systemów hybrydowych:
Metoda dopasowania mocy: Zapewnia, że łączna moc wyjściowa z tablicy PV i turbiny wiatrowej przy różnych warunkach nasłonecznienia i prędkości wiatru przekracza moc obciążenia. Ta metoda jest primarily używana do optymalizacji i sterowania systemem.
Metoda dopasowania energii: Zapewnia, że całkowita energia wygenerowana przez tablicę PV i turbinę wiatrową w czasie spełnia lub przekracza energię zużywaną przez obciążenie w różnych warunkach. Ta metoda jest primarily używana do projektowania mocy systemu.
III. Składniki systemu zasilania hybrydowego wiatr-słońce
System zasilania hybrydowego wiatr-słońce składa się głównie z turbiny wiatrowej, paneli fotowoltaicznych (PV), kontrolera, baterii, inwertora i obciążeń AC/DC. Schemat konfiguracji systemu znajduje się w dołączonej ilustracji. Ten system to hybrydowe rozwiązanie oparte na odnawialnych źródłach energii, które integruje wiele źródeł energii - wiatr, słońce i magazynowanie baterii - wraz z inteligentnymi technologiami sterowania do optymalizacji działania systemu.
IV. Składniki systemu zasilania hybrydowego wiatr-słońce
System zasilania hybrydowego wiatr-słońce składa się z kilku kluczowych składników:
Turbina wiatrowa: Przekształca energię wiatru w energię mechaniczną, która następnie jest przekształcana w energię elektryczną przez generator. Ta energia ładuje baterie poprzez kontroler i dostarcza obciążenia poprzez inwerter.
Panele PV: Wykorzystują efekt fotowoltaiczny do przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną, ładowanie baterii i zasilanie obciążeń poprzez inwerter.
System inwertera: Składa się z wielu inwerterów przekształcających prąd stały z banków baterii w standardowy prąd przemienny 220V, zapewniając stabilne działanie urządzeń obciążenia AC. Posiada również automatyczną stabilizację napięcia dla poprawy jakości energii.
Jednostka sterująca: Dostosowuje stan baterii w zależności od natężenia światła słonecznego, prędkości wiatru i zmian obciążenia. Zarządza bezpośrednim rozdziałem energii do obciążeń DC/AC i przechowywaniem nadmiarowej energii w bateriach. W przypadku niewystarczającej generacji, czerpie z baterii, aby utrzymać ciągłość systemu.
Bank baterii: Przechowuje energię z obu źródeł - wiatru i słońca, odgrywając kluczową rolę w regulacji i bilansowaniu obciążeń. Zapewnia ciągłe zasilanie w przypadku niedoborów.
Zalety systemów hybrydowych wiatr-słońce obejmują wyższą stabilność i niezawodność dzięki komplementarności energii, zmniejszone wymagania dotyczące pojemności baterii, minimalizację uzależnienia od generatorów awaryjnych, prowadząc do lepszych korzyści ekonomicznych i społecznych.
V. Charakterystyka systemów hybrydowych wiatr-słońce
Pełny wykorzystanie zasobów wiatru i słońca bez zewnętrznego zasilania.
Zapewnia komplementarność dzienną i sezonową, gwarantując wysoką stabilność i efektywność systemu.
Znacznie redukuje prace konserwacyjne i koszty.
Zapewnia niezależne zasilanie niewrażliwe na klęski żywiołowe.
Bezpieczne działanie przy niskim napięciu z prostym utrzymaniem.
VI. Skład systemów monitorowania rurociągów hybrydowych wiatr-słońce
Ten system składa się z dwóch głównych części: stacji polowych i centrów monitorowania. Stacje polowe obejmują:
Turby wiatrowe: Przekształcają energię wiatru w energię elektryczną do przechowywania w bateriach i dostarczania do skrzynek kontrolnych.
Panele słoneczne: Przekształcają energię słoneczną w energię elektryczną do przechowywania w bateriach lub bezpośredniego użycia.
Kontrolery: Zarządzają działaniem systemu, zapewniając optymalne cykle ładowania i rozładowania oraz ochronę przed przeciążeniem.
Baterie: Przechowują nadmiar energii wygenerowanej przez turbiny wiatrowe i panele słoneczne do użycia w przypadku niedoborów.
VII. Kluczowe zagadnienia dotyczące implementacji stacji monitorowania hybrydowych wiatr-słońce
Wybór turbiny wiatrowej: Zapewnienie płynnego działania i estetyki, minimalizacja obciążenia wieży.
Optymalny projekt konfiguracji: Dostosowanie zdolności systemu do lokalnych zasobów naturalnych, aby maksymalizować efektywność.
Projekt siły słupów: Zapewnienie integralności strukturalnej, biorąc pod uwagę rozmiary turbin wiatrowych i paneli słonecznych oraz wysokości montażu.
VIII. Radzenie sobie z obawami dotyczącymi systemów hybrydowych wiatr-słońce
Obawy dotyczące bezpieczeństwa: Systemy są zaprojektowane, aby wytrzymywać ciężkie warunki pogodowe, zapobiegając potencjalnym zagrożeniom.
Niezawodność zasilania: Adekwatne rozwiązania przechowywania zapewniają stałe zasilanie pomimo zmiennych warunków pogodowych.
Kwestie kosztów: Postęp technologiczny spowodował obniżenie kosztów, czyniąc te systemy ekonomicznie opłacalnymi z niższymi kosztami operacyjnymi i utrzymania w porównaniu do tradycyjnych systemów.
Ten zwięzły podsumowanie podkreśla kluczowe aspekty systemów hybrydowych wiatr-słońce do monitorowania rurociągów, omawiając ich skład, zalety i typowe obawy.
