Гибридная система IoT на основе ветро-солнечной энергии для мониторинга водопроводных труб в реальном времени

I. Текущее состояние и существующие проблемы

В настоящее время компании по водоснабжению имеют обширные сети водопроводных труб, проложенных под землей в городских и сельских районах. Оперативный мониторинг данных о работе трубопроводов является необходимым для эффективного управления производством и распределением воды. В результате необходимо установить множество станций мониторинга данных вдоль трубопроводов. Однако стабильные и надежные источники питания вблизи этих трубопроводов редко доступны. Даже когда электроэнергия доступна, прокладка специальных линий электропередачи дорогостоящая, уязвима для повреждений и требует сложной координации с энергетическими компаниями по вопросам оплаты электроэнергии, что создает значительные управленческие вызовы.

Разработано множество типов устройств для мониторинга трубопроводов, но большинство из них имеют значительные ограничения. Два наиболее распространенных подхода:

• Устройства мониторинга с питанием от низковольтных батарей: Эти устройства требуют регулярной замены батарей. Из-за ограничений по потреблению энергии частота передачи данных обычно ограничивается раз в час, что недостаточно для оперативного руководства.

• Устройства мониторинга с питанием от солнечных батарей: Эти устройства требуют аккумуляторов большой емкости, которые также нужно периодически заменять, что приводит к высоким первоначальным инвестициям и затратам на обслуживание.

Следовательно, существует настоятельная необходимость в разработке нового типа системы мониторинга водопроводных труб, которая преодолевала бы эти ограничения.

II. Введение в систему гибридного ветро-солнечного питания

Гибридная ветро-солнечная система представляет собой интегрированную систему генерации и применения электроэнергии. Она сочетает солнечные панели и ветрогенераторы (которые преобразуют переменный ток в постоянный) для выработки электроэнергии, храня ее в аккумуляторных батареях. Когда требуется электроэнергия, инвертор преобразует хранимый постоянный ток из батарей в переменный ток, который затем передается через линии электропередачи к нагрузке.

Эта система позволяет одновременно генерировать электроэнергию как от ветрогенераторов, так и от солнечных панелей. Ранние гибридные системы были простыми комбинациями ветрогенераторов и фотоэлектрических модулей, не имея детального математического моделирования. Поскольку они主要用于翻译内容的完整性，以下是完整翻译： ```html

I. Текущее состояние и существующие проблемы

В настоящее время компании по водоснабжению имеют обширные сети водопроводных труб, проложенных под землей в городских и сельских районах. Оперативный мониторинг данных о работе трубопроводов является необходимым для эффективного управления производством и распределением воды. В результате необходимо установить множество станций мониторинга данных вдоль трубопроводов. Однако стабильные и надежные источники питания вблизи этих трубопроводов редко доступны. Даже когда электроэнергия доступна, прокладка специальных линий электропередачи дорогостоящая, уязвима для повреждений и требует сложной координации с энергетическими компаниями по вопросам оплаты электроэнергии, что создает значительные управленческие вызовы.

Разработано множество типов устройств для мониторинга трубопроводов, но большинство из них имеют значительные ограничения. Два наиболее распространенных подхода:

• Устройства мониторинга с питанием от низковольтных батарей: Эти устройства требуют регулярной замены батарей. Из-за ограничений по потреблению энергии частота передачи данных обычно ограничивается раз в час, что недостаточно для оперативного руководства.

• Устройства мониторинга с питанием от солнечных батарей: Эти устройства требуют аккумуляторов большой емкости, которые также нужно периодически заменять, что приводит к высоким первоначальным инвестициям и затратам на обслуживание.

Следовательно, существует настоятельная необходимость в разработке нового типа системы мониторинга водопроводных труб, которая преодолевала бы эти ограничения.

II. Введение в систему гибридного ветро-солнечного питания

Гибридная ветро-солнечная система представляет собой интегрированную систему генерации и применения электроэнергии. Она сочетает солнечные панели и ветрогенераторы (которые преобразуют переменный ток в постоянный) для выработки электроэнергии, храня ее в аккумуляторных батареях. Когда требуется электроэнергия, инвертор преобразует хранимый постоянный ток из батарей в переменный ток, который затем передается через линии электропередачи к нагрузке.

Эта система позволяет одновременно генерировать электроэнергию как от ветрогенераторов, так и от солнечных панелей. Ранние гибридные системы были простыми комбинациями ветрогенераторов и фотоэлектрических модулей, не имея детального математического моделирования. Поскольку они использовались в основном для приложений с низкой надежностью, эти ранние системы часто имели короткий срок службы.

В последние годы, по мере расширения области применения гибридных систем и увеличения требований к надежности и экономической эффективности, было разработано несколько продвинутых программных пакетов, позволяющих моделировать работу ветровых, солнечных и гибридных энергетических систем. Эти инструменты могут моделировать различные конфигурации систем для определения оптимальных вариантов на основе производительности и стоимости энергоснабжения.

В настоящее время в международной практике используются два основных метода для расчета размеров гибридных систем:

• Метод соответствия мощности: Обеспечивает, чтобы суммарная выходная мощность фотоэлектрической панели и ветрогенератора при различных условиях солнечной радиации и скорости ветра превышала мощность нагрузки. Этот метод используется в основном для оптимизации и управления системой.

• Метод соответствия энергии: Обеспечивает, чтобы общая энергия, вырабатываемая фотоэлектрической панелью и ветрогенератором за определенный период времени, соответствовала или превышала энергию, потребляемую нагрузкой, при различных условиях. Этот метод используется в основном для проектирования мощности системы.

III. Компоненты гибридной ветро-солнечной энергетической системы

Гибридная ветро-солнечная энергетическая система состоит главным образом из ветрогенератора, солнечных фотоэлектрических панелей, контроллера, аккумуляторных батарей, инвертора и нагрузок постоянного и переменного тока. Схема конфигурации системы показана на прилагаемом рисунке. Эта система представляет собой гибридное решение на основе возобновляемых источников энергии, объединяющее несколько источников энергии — ветер, солнце и аккумуляторы, а также интеллектуальные технологии управления для оптимизации работы системы.

IV. Компоненты гибридной ветро-солнечной энергетической системы

Гибридная ветро-солнечная энергетическая система состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Ветрогенератор: Преобразует энергию ветра в механическую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию генератором. Эта электроэнергия заряжает аккумуляторы через контроллер и поставляется нагрузкам через инвертор.

• Солнечные фотоэлектрические панели: Используют фотоэлектрический эффект для преобразования солнечного света в электрическую энергию, заряжают аккумуляторы и обеспечивают питание нагрузок через инвертор.

• Инверторная система: Включает несколько инверторов, преобразующих постоянный ток из аккумуляторных батарей в стандартный переменный ток 220 В, обеспечивая стабильную работу устройств с переменным током. Также имеет функцию автоматической стабилизации напряжения для улучшения качества электроэнергии.

• Контрольный блок: Регулирует состояние аккумуляторов в зависимости от интенсивности солнечного света, скорости ветра и изменения нагрузки. Управляет прямым распределением энергии к нагрузкам постоянного и переменного тока, а также хранением избыточной энергии в аккумуляторах. При недостаточной генерации энергии он использует аккумуляторы для поддержания непрерывности системы.

• Аккумуляторные батареи: Хранят энергию от ветра и солнца, играют важную роль в регулировании и балансировке нагрузок. Обеспечивают непрерывное энергоснабжение в случае дефицита.

Преимущества гибридных ветро-солнечных систем включают повышенную стабильность и надежность за счет взаимодополняемости источников энергии, снижение требований к емкости аккумуляторов и минимизацию зависимости от резервных генераторов, что приводит к лучшим экономическим и социальным результатам.

V. Характеристики гибридных ветро-солнечных систем

• Полное использование ветровых и солнечных ресурсов без внешнего источника питания.

• Дневная и ночная, сезонная взаимодополняемость, обеспечивающая высокую стабильность и экономическую эффективность системы.

• Значительное сокращение объема работ по обслуживанию и затрат.

• Независимое энергоснабжение, не подверженное воздействию стихийных бедствий.

• Безопасная работа при низком напряжении с простым обслуживанием.

VI. Состав гибридных ветро-солнечных систем мониторинга трубопроводов

Эта система состоит из двух основных частей: полевых станций и центров мониторинга. Полевые станции включают:

• Ветрогенераторы: Преобразуют энергию ветра в электроэнергию для хранения в аккумуляторах и питания контрольных блоков.

• Солнечные панели: Преобразуют солнечную энергию в электроэнергию для хранения в аккумуляторах или прямого использования.

• Контроллеры: Управляют работой системы, обеспечивая оптимальные циклы зарядки и разрядки, а также защиту от перезарядки.

• Аккумуляторы: Хранят избыточную энергию, вырабатываемую ветрогенераторами и солнечными панелями, для использования в случае дефицита.

VII. Ключевые вопросы при внедрении гибридных ветро-солнечных станций мониторинга

• Выбор ветрогенератора: Обеспечение плавной работы и эстетической привлекательности, минимизация нагрузки на опору.

• Оптимальный проект конфигурации: Подгонка мощности системы в зависимости от местных природных ресурсов для максимизации эффективности.

• Проектирование прочности опор: Обеспечение структурной целостности с учетом размеров ветрогенераторов и солнечных панелей, а также высоты их установки.

VIII. Разрешение проблем, связанных с гибридными ветро-солнечными системами

• Проблемы безопасности: Системы спроектированы для выдерживания суровых погодных условий, предотвращая потенциальные опасности.

• Надежность энергоснабжения: Наличие достаточных средств хранения обеспечивает стабильное энергоснабжение, несмотря на изменчивые погодные условия.

• Проблемы с затратами: Технологические достижения снизили затраты, делая эти системы экономически выгодными с меньшими эксплуатационными и ремонтными расходами по сравнению с традиционными системами.

Этот краткий обзор подчеркивает основные аспекты гибридных ветро-солнечных систем для мониторинга трубопроводов, рассматривая их состав, преимущества и общие проблемы.