Vind-Sol Hybrid Drivd IoT-system för RealTid Vattenledningsövervakning

I. Nuvarande situation och befintliga problem

För närvarande har vattenförsörjningsbolag omfattande nätverk av vattenledningar som ligger under jorden i både stads- och landsbygdsområden. Realidagsövervakning av ledningsdriftsdata är avgörande för effektiv kommando- och kontroll av vattenproduktion och -distribution. Därför måste ett stort antal dataövervakningsstationer etableras längs ledningarna. Men stabila och tillförlitliga strömkällor nära dessa ledningar finns sällan. Även när ström är tillgänglig, är det kostsamt att lägga dedikerade strömlinjer, de är sårbara för skador och kräver komplex samordning med elnätsföretag för elräkningar, vilket skapar betydande hanteringsutmaningar.

Olika typer av ledningsövervakningsenheter har utvecklats, men de flesta lider av betydande begränsningar. De två vanligaste metoderna är:

• Lågeffektsbatteridrivna övervakningsenheter: Dessa kräver regelbunden batteribyte. På grund av energiförbrukningsbegränsningar är frekvensen för dataöverföring vanligtvis begränsad till en gång per timme, vilket är otillräckligt för realtidsguidance.

• Soleneridrivna övervakningsenheter: Dessa kräver stora kapacitetsbatterier som behöver periodiska byten, vilket resulterar i höga initiala investeringar och underhållskostnader.

Därför finns det ett brådskande behov att utveckla en ny typ av vattenledningsövervakningssystem som övervinner dessa begränsningar.

II. Introduktion till vind-solhybridströmförsörjningssystemet

Ett vind-solhybridsystem är ett integrerat strömgenerering- och applikationssystem. Det kombinerar solpaneler och vindturbiner (som konverterar växelström till likström) för att generera ström, lagrar energin i batteriparker. När ström behövs konverterar en inverter den lagrade likströmmen från batterierna till växelström, som levereras via försörjningslinjer till belastningen.

Detta system möjliggör samtidig strömgenerering från både vindturbiner och solpanelarrangemang. Tidiga hybridsystem var enkla kombinationer av vindturbiner och fotovoltaiska (PV) moduler, utan detaljerad matematisk modellering. Eftersom de huvudsakligen användes för låg tillförlitlighetstillämpningar, hade dessa tidiga system ofta kort livslängd.

Under de senaste åren, när tillämpningsområdet för hybridsystem har expanderat och kraven på tillförlitlighet och kostnadseffektivitet har ökat, har flera avancerade programvarupaket utvecklats internationellt för att simulera prestandan hos vind-, sol- och hybridsystem. Dessa verktyg kan modellera olika systemkonfigurationer för att bestämma optimala uppställningar baserat på prestanda och strömförsörjningskostnader.

För närvarande används två huvudmetoder internationellt för dimensionering av hybridsystem:

• Effektkopplingsmetod: Ser till att den kombinerade utmatningseffekten av PV-arrayen och vindturbinen under varierande solstrålning och vindhastigheter överstiger belastnings-effekten. Denna metod används huvudsakligen för systemoptimering och -kontroll.

• Energikopplingsmetod: Ser till att den totala energimängd som genereras av PV-arrayen och vindturbinen över tid uppfyller eller överstiger energimängden som konsumeras av belastningen under varierande förhållanden. Denna metod används huvudsakligen för systemkapacitetsdesign.

III. Komponenter i vind-solhybridströmsystemet

Ett vind-solhybridströmsystem består huvudsakligen av en vindturbin, solcellspaneler, en regulator, batterier, en inverter och växel-/likbelastningar. Systemkonfigurationsdiagrammet visas i den bifogade figuren. Detta system är en hybridförnyelsebar energilösning som integrerar flera energikällor—vind, sol och batterilagring—tillsammans med intelligenta kontrollteknologier för optimerad systemoperation.

Ⅳ. Komponenter i vind-solhybridströmsystemet

Ett vind-solhybridströmsystem består av flera viktiga komponenter:

• Vindturbin: Konverterar vindenergi till mekanisk energi, vilken sedan konverteras till elektrisk energi av en generator. Denna ström laddar batterier via en regulator och levererar belastningar genom en inverter.

• Solcellspaneler: Använder fotovoltaiska effekter för att konvertera solljus till elektrisk energi, laddar batterier och drivs belastningar genom en inverter.

• Inverter-system: Består av flera inverter som konverterar likström från batteriparker till standard 220V växelström, vilket säkerställer stabil drift av växelbelastningsenheter. Det inkluderar också automatisk spänningsstabilisering för förbättrad strömkvalitet.

• Kontrollenhet: Justerar batteritillstånd beroende på solljusintensitet, vindhastighet och belastningsändringar. Den hanterar direkt strömfördelning till DC/AC-belastningar och lagring av överflödsenergi i batterier. Vid otillräcklig generation drar den från batterierna för att upprätthålla systemkontinuitet.

• Batteripark: Lagrar energi från både vind- och solkällor, spelar en kritisk roll i energireglering och lastbalansering. Den säkerställer kontinuerlig strömförsörjning vid brist.

Fördelar med vind-solhybridsystem inkluderar högre stabilitet och tillförlitlighet tack vare energikomplementaritet, minskade batterikapacitetskrav och minimaliserad beroendegrad av reservgeneratorsystem, vilket leder till bättre ekonomiska och sociala fördelar.

Ⅴ. Egenskaper hos vind-solhybridsystem

• Använder fullt ut vind- och solresurser utan extern strömförsörjning.

• Tillhandahåller dag-natt och säsongskomplementaritet, vilket säkerställer hög systemstabilitet och kostnadseffektivitet.

• Minskade underhållsarbeten och kostnader signifikant.

• Ger oberoende strömförsörjning som inte påverkas av naturkatastrofer.

• Opererar säkert vid låga spänningar med enkel underhåll.

Ⅵ. Sammansättning av vind-solhybridpipelineövervakningssystem

Detta system består av två huvuddelar: fältstationer och övervakningscentraler. Fältstationer inkluderar:

• Vindturbiner: Konverterar vindenergi till ström för batterilagring och leverans till styrenheter.

• Solpaneler: Förvandlar solenergi till ström för batterilagring eller direkt användning.

• Regulatorer: Hanterar systemets operation, säkerställer optimala laddnings/avlastningscykler och skyddar mot överladdning.

• Batterier: Lagrar överflödsenergi som genereras av vindturbiner och solpaneler för användning vid brist.

Ⅶ. Viktiga överväganden vid implementering av vind-solhybridövervakningsstationer

• Val av vindturbin: Se till att drift går smidigt och estetiskt, minimera tornlast.

• Optimal konfigurationsdesign: Anpassa systemkapaciteten baserat på lokala naturliga resurser för att maximera effektivitet.

• Styrka på pelar: Säkerställ strukturell integritet med hänsyn till storlek och installationshöjd för vindturbiner och solpaneler.

Ⅷ. Åtgärda bekymmer rörande vind-solhybridsystem

• Säkerhetsbekymmer: System designade för att tåla allvarliga väderförhållanden, förhindrar potentiella risker.

• Tillförlitlighet i strömförsörjning: Tillräckliga lagringslösningar säkerställer konsekvent strömförsörjning trots variabla väderförhållanden.

• Kostnadsfrågor: Teknologiska framsteg har reducerat kostnader, gör dessa system ekonomiskt lönsamma med lägre drift- och underhållskostnader jämfört med traditionella system.

Denna koncisa sammanfattning lyfter fram de viktigaste aspekterna av vind-solhybridsystem för pipelineövervakning, inklusive deras sammansättning, fördelar och vanliga bekymmer.