Sistema IoT Híbrido Eólica-Solar para Monitoramento em Tempo Real de Conduítes de Água
I. Situação Atual e Problemas Existentes
Atualmente, as empresas de fornecimento de água possuem extensas redes de tubulações subterrâneas em áreas urbanas e rurais. A monitorização em tempo real dos dados de operação das tubulações é essencial para o comando e controle efetivos da produção e distribuição de água. Como resultado, é necessário estabelecer inúmeras estações de monitorização de dados ao longo das tubulações. No entanto, fontes de energia estáveis e confiáveis próximas a essas tubulações são raramente disponíveis. Mesmo quando a energia está acessível, a instalação de linhas de energia dedicadas é cara, vulnerável a danos e envolve uma coordenação complexa com os fornecedores de utilidades para faturamento de eletricidade, criando desafios significativos de gerenciamento.
Diversos tipos de dispositivos de monitorização de tubulações foram desenvolvidos, mas a maioria sofre de limitações significativas. As duas abordagens mais comuns são:
Dispositivos de monitorização alimentados por bateria de baixa potência: Esses requerem substituição regular da bateria. Devido às restrições de consumo de energia, a frequência de transmissão de dados é geralmente limitada a uma vez por hora, o que é insuficiente para orientação operacional em tempo real.
Dispositivos de monitorização alimentados por energia solar: Esses requerem baterias de grande capacidade que precisam ser substituídas periodicamente, resultando em altos custos iniciais e de manutenção.
Portanto, há uma necessidade premente de desenvolver um novo tipo de sistema de monitorização de tubulações de água que supere essas limitações.
II. Introdução ao Sistema de Fornecimento de Energia Híbrido Eólico-Solar
Um sistema híbrido eólico-solar é um sistema integrado de geração e aplicação de energia. Ele combina painéis solares e aerogeradores (que convertem AC em DC) para gerar eletricidade, armazenando a energia em bancos de baterias. Quando a energia é necessária, um inversor converte a eletricidade DC armazenada nas baterias em eletricidade AC, entregando-a via linhas de transmissão à carga.
Este sistema permite a geração de energia simultânea a partir de aerogeradores e arranjos de painéis solares. Os sistemas híbridos iniciais eram combinações simples de aerogeradores e módulos fotovoltaicos (PV), sem modelagem matemática detalhada. Como eram principalmente usados para aplicações de baixa confiabilidade, esses sistemas iniciais frequentemente tinham vidas úteis curtas.
Nos últimos anos, à medida que o escopo de aplicação dos sistemas híbridos se expandiu e as demandas por confiabilidade e custo-efetividade aumentaram, vários pacotes de software avançados foram desenvolvidos internacionalmente para simular o desempenho de sistemas de energia eólica, solar e híbrida. Essas ferramentas podem modelar diferentes configurações de sistema para determinar as configurações ótimas com base no desempenho e nos custos de fornecimento de energia.
Atualmente, dois métodos principais são utilizados internacionalmente para dimensionar sistemas híbridos:
Método de Correspondência de Potência: Garante que a potência de saída combinada do arranjo PV e do aerogerador, sob condições variáveis de radiação solar e velocidade do vento, exceda a potência da carga. Este método é主要用于确保风力发电机和光伏阵列在不同太阳辐射和风速条件下的组合输出功率超过负载功率。这种方法主要用于系统优化和控制。
Método de Correspondência de Energia: Garante que a energia total gerada pelo arranjo PV e pelo aerogerador ao longo do tempo atenda ou exceda a energia consumida pela carga sob condições variáveis. Este método é principalmente usado para o dimensionamento da capacidade de potência do sistema.
III. Componentes do Sistema de Fornecimento de Energia Híbrido Eólico-Solar
Um sistema de fornecimento de energia híbrido eólico-solar consiste principalmente em um aerogerador, painéis fotovoltaicos (PV) solares, um controlador, baterias, um inversor e cargas AC/DC. O diagrama de configuração do sistema é mostrado na figura anexa. Este sistema é uma solução de energia renovável híbrida que integra múltiplas fontes de energia - eólica, solar e armazenamento de bateria - junto com tecnologia de controle inteligente para operação otimizada do sistema.
Ⅳ.Componentes do Sistema de Fornecimento de Energia Híbrido Eólico-Solar
Um sistema de fornecimento de energia híbrido eólico-solar consiste em vários componentes-chave:
Aerogerador: Converte a energia eólica em energia mecânica, que é então convertida em energia elétrica por um gerador. Esta eletricidade carrega as baterias através de um controlador e fornece a carga através de um inversor.
Painéis Fotovoltaicos Solares: Utilizam o efeito fotovoltaico para converter a luz solar em energia elétrica, carregando as baterias e alimentando a carga através de um inversor.
Sistema de Inversor: Compreende vários inversores que convertem a corrente DC dos bancos de baterias em corrente AC padrão de 220V, garantindo o funcionamento estável de dispositivos de carga AC. Também possui estabilização automática de tensão para melhorar a qualidade da energia.
Unidade de Controle: Ajusta os estados das baterias com base na intensidade solar, velocidade do vento e mudanças de carga. Gerencia a distribuição direta de energia para cargas DC/AC e o armazenamento de energia excedente nas baterias. Durante a geração insuficiente, retira energia das baterias para manter a continuidade do sistema.
Banco de Baterias: Armazena energia proveniente de fontes eólicas e solares, desempenhando um papel crucial na regulação e equilíbrio de cargas. Garante o fornecimento contínuo de energia durante períodos de escassez.
As vantagens dos sistemas híbridos eólico-solar incluem maior estabilidade e confiabilidade devido à complementaridade de energia, redução dos requisitos de capacidade de bateria e minimização da dependência de geradores de backup, levando a benefícios econômicos e sociais melhores.
Ⅴ.Características dos Sistemas Híbridos Eólico-Solar
Utiliza plenamente os recursos eólicos e solares sem fornecimento externo de energia.
Oferece complementariedade diurna-noturna e sazonal, garantindo alta estabilidade e custo-efetividade do sistema.
Reduz significativamente o trabalho e os custos de manutenção.
Fornece abastecimento de energia independente, não afetado por desastres naturais.
Opera com segurança em baixas tensões com manutenção simples.
Ⅵ.Composição dos Sistemas de Monitorização de Tubulações Híbridos Eólico-Solar
Este sistema compreende duas partes principais: estações de campo e centros de monitorização. As estações de campo incluem:
Aerogeradores: Convertem a energia eólica em eletricidade para armazenamento em baterias e fornecimento às caixas de controle.
Painéis Solares: Transformam a energia solar em eletricidade para armazenamento em baterias ou uso direto.
Controladores: Gerenciam a operação do sistema, garantindo ciclos de carga e descarga ótimos e protegendo contra sobrecargas.
Baterias: Armazenam a energia excedente gerada pelos aerogeradores e painéis solares para uso durante períodos de escassez.
Ⅶ.Considerações Chaves para a Implementação de Estações de Monitorização Híbridas Eólico-Solar
Seleção do Aerogerador: Garanta operação suave e apelo estético, minimizando a carga da torre.
Design de Configuração Ótima: Dimensione a capacidade do sistema com base nos recursos naturais locais para maximizar a eficiência.
Design de Resistência da Torre: Garanta a integridade estrutural considerando os tamanhos e alturas de instalação dos aerogeradores e painéis solares.
Ⅷ.Endereçando Preocupações sobre Sistemas Híbridos Eólico-Solar
Preocupações de Segurança: Os sistemas são projetados para resistir a condições climáticas severas, prevenindo potenciais perigos.
Confiabilidade do Fornecimento de Energia: Soluções de armazenamento adequadas garantem fornecimento constante de energia, apesar de condições meteorológicas variáveis.
Questões de Custo: Avanços tecnológicos reduziram os custos, tornando esses sistemas economicamente viáveis com menores despesas operacionais e de manutenção em comparação com sistemas tradicionais.
Este resumo conciso destaca os aspectos essenciais dos sistemas híbridos eólico-solar para monitorização de tubulações, abordando sua composição, vantagens e preocupações comuns.
