Sistem IoT z mešano pogonjo s vetrom in sončno energijo za časovno spremljanje vodnih vod

I. Trenutno stanje in obstoječi problemi

Trenutno imajo podjetja za oskrbo s pitno vodo obsežne omrežja vodnih cevovodov, ki so postavljene pod zemljo v mestnih in podeželskih območjih. Vremensko spremljanje podatkov o delovanju cevovodov je ključnega pomena za učinkovito upravljanje in nadzor proizvodnje in distribucije vode. Zaradi tega je potrebno vzpostaviti veliko število postaj za spremljanje podatkov vzdolž cevovodov. Stabilni in zanesljivi viri energije blizu teh cevovodov pa so redki. Tudi kadar je energija na voljo, postavljanje posebnih električnih vodov je dragosteno, ranljivo za poškodbe in zahteva zapleteno usklajevanje z dobavitelji energije glede obračunavanja stroškov, kar ustvarja pomembne ureditvene izzive.

Razvijeni so različni tipi naprav za spremljanje cevovodov, vendar večina od njih trpi zaradi značilnih omejitev. Dve najpogostejši pristopi sta:

• Naprave za spremljanje z nizkonapetostnimi baterijami: Te zahtevajo redno zamenjavo baterij. Zaradi omejitev porabe energije je frekvenca prenosa podatkov običajno omejena na enkrat na uro, kar ni dovolj za vremensko operativno usmerjanje.

• Naprave za spremljanje z sončno energijo: Te zahtevajo velike kapacitete baterij, ki jih je potrebno redno zamenjati, kar vodi v visoke začetne naložbe in stroške vzdrževanja.

Zato je nujno razviti nov tip sistema za spremljanje vodnih cevovodov, ki premosti te omejitve.

II. Predstavitev hibridnega sistema z sončno in vetrsno energijo

Hibridni sistem z sončno in vetrsno energijo je integriran sistem za generiranje in uporabo energije. Združuje sončne panele in vetrsne turbine (ki pretvorijo AC v DC) za generiranje energije, ki se shranjuje v baterijskih bankah. Ko je potrebna energija, jo inverter pretvori iz shranjenega strunega toka v napetostni tok in ga prenese preko prenosnih vodov do opterečenja.

Ta sistem omogoča hkratno generiranje energije iz vetrsnih turbin in sončnih panelov. Ranljivi hibridni sistemi so bili preprosti kombinacije vetrsnih turbin in fotovoltačnih (PV) modulov, brez podrobne matematične modeliranja. Ker so bili predvsem uporabljani za aplikacije z nizko zanesljivostjo, so ti ranljivi sistemi pogosto imeli kratko življenjsko dobo.

V zadnjih letih, ko se je področje uporabe hibridnih sistemov razširilo in zahtevi po zanesljivosti in gospodarnosti povečali, so mednarodno razvijeni nekaj naprednih programskih paketov za simulacijo zmogljivosti vetra, sončne in hibridne energije. Ti orodji lahko modelirajo različne konfiguracije sistemov, da bi določili optimalne nastavitve glede na zmogljivost in stroške oskrbe s strujom.

Trenutno se uporabljata dva glavna metoda za merjenje hibridnih sistemov na mednarodni ravni:

• Metoda ujemanja moči: Zagotavlja, da skupna izhodna moč PV polja in vetrsne turbine pod različnimi pogoji sončne radiacije in hitrosti vetra presega moč opterečenja. Ta metoda se predvsem uporablja za optimizacijo in nadzor sistema.

• Metoda ujemanja energije: Zagotavlja, da skupna energija, ki jo generira PV polje in vetrsna turbina čez čas, doseže ali presega energijo, ki jo porabi opterečenje pod različnimi pogoji. Ta metoda se predvsem uporablja za projektiranje močne zmogljivosti sistema.

III. Komponente hibridnega sistema z sončno in vetrsno energijo

Hibridni sistem z sončno in vetrsno energijo se glavno sestoji iz vetrsne turbine, sončnih fotovoltačnih (PV) panelov, kontrolerja, baterij, inverterskega sistema in AC/DC opterečenja. Slikovni diagram konfiguracije sistema je prikazan na priloženi sliki. Ta sistem je hibridno obnovljivo energetsko rešitev, ki združuje več virov energije – vetra, sončne energije in shrambe baterij – skupaj s pametno kontrolo za optimizirano delovanje sistema.

Ⅳ.Komponente hibridnega sistema z sončno in vetrsno energijo

Hibridni sistem z sončno in vetrsno energijo se sestoji iz več ključnih komponent:

• Vetrsna turbina: Pretvarja vetrsno energijo v mehansko energijo, ki se nato pretvori v električno energijo z generatorjem. Ta struja nabija baterije preko kontrolera in opskrbuje opterečenje preko inverterskega sistema.

• Sončni PV paneli: Uporabljajo fotoelektrični učinek za pretvorbo sončne svetlobe v električno energijo, s katero nabijajo baterije in opskrbljujejo opterečenje preko inverterskega sistema.

• Inverterski sistem: Sestavljen iz več inverterskih naprav, ki pretvarjajo strunek iz baterijskih bank v standardni 220V napetostni tok, zagotavlja stabilno delovanje naprav z opterečenjem napetostnega toka. Nudi tudi avtomatsko stabilizacijo napetosti za izboljšano kakovost energije.

• Kontrolna enota: Prilagaja stanje baterij glede na intenzivnost sončne svetlobe, hitrost vetra in spremembe opterečenja. Upravlja neposredni prenos energije na DC/AC opterečenje in shranjevanje presežne energije v baterije. Če je generacija nedostatna, izvleče energijo iz baterij, da ohrani zveznost sistema.

• Baterijska banka: Shranjuje energijo iz obnovljivih virov vetra in sončne energije, igra ključno vlogo pri regulaciji in uravnavanju opterečenja. Zagotavlja zvezno opskrb s strujom med pomanjkljivostmi.

Prednosti hibridnih sistemov z sončno in vetrsno energijo vključujejo višjo stabilnost in zanesljivost zaradi komplementarnosti virov energije, zmanjšane zahteve po kapaciteti baterij in minimalizirano odvisnost od rezervnih generatorjev, kar vodi do boljših gospodarskih in družbenih koristi.

Ⅴ.Značilnosti hibridnih sistemov z sončno in vetrsno energijo

• Polno izkorišča virose sončne in vetrsne energije brez zunanjega oskrbevalca s strujom.

• Ponuja dnevno-nočno in sezonsko komplementarnost, ki zagotavlja visoko stopnjo stabilnosti in gospodarnosti sistema.

• Zmanjša značilno delo in stroške vzdrževanja.

• Ponuja samostojno oskrbo s strujom, ki ni odvisna od naravnih nesreč.

• Varno deluje pri nizkih napetostih z enostavnim vzdrževanjem.

Ⅵ.Sestava hibridnih sistemov za spremljanje cevovodov z sončno in vetrsno energijo

Ta sistem se sestoji iz dveh glavnih delov: terenskih postaj in centrov za spremljanje. Terenske postaje vključujejo:

• Vetrsne turbine: Pretvarjajo vetrsno energijo v struj, ki se shranjuje v baterije in se uporablja za opskrb kontroldnih skrinj.

• Sončni paneli: Pretvarjajo sončno energijo v struj za shranjevanje v baterije ali neposredno uporabo.

• Kontroleri: Upravljajo delovanje sistema, zagotavljajo optimalne cikle nabiranja in razbiranja in varujejo pred prekomernim nabiranjem.

• Baterije: Shranjujejo presežno energijo, ki jo generirajo vetrsne turbine in sončni paneli, za uporabo med pomanjkljivostmi.

Ⅶ.Ključne posvetke za uvedbo hibridnih postaj za spremljanje z sončno in vetrsno energijo

• Izbira vetrsne turbine: Zagotovi gladko delovanje in estetsko privlačnost, zmanjša opterečenje stolpa.

• Optimalno načrtovanje konfiguracije: Prilagodi zmogljivost sistema glede na lokalne naravne vire, da bi maksimirala učinkovitost.

• Načrtovanje moči stolpa: Zagotovi strukturno celovitost, upoštevajoč velikost vetrsne turbine in sončnih panelov ter višino namestitve.

Ⅷ.Razreševanje skrbi glede hibridnih sistemov z sončno in vetrsno energijo

• Varnostne skrbi: Sistemi so zasnovani, da premagajo težke vremenske razmere, preprečujejo potencialne tveganja.

• Zanesljivost oskrbe s strujom: Za dovolj storitve shranjevanja zagotavljajo konstantno oskrbo s strujom, ne glede na spremenljive vremenske pogoje.

• Stroškovne zadeve: Tehnološki napredek je zmanjšal stroške, kar te sisteme naredi ekonomsko ugodne s nižjimi operativnimi in vzdrževalnimi stroški v primerjavi s tradicionalnimi sistemi.

Ta koncizna povzetek izpostavlja ključne vidike hibridnih sistemov z sončno in vetrsno energijo za spremljanje cevovodov, obravnavajo njihovo sestavo, prednosti in običajne skrbi.