Гібридна система IoT на основі вітрово-сонячної енергії для реального часу моніторингу водопровідних труб
I. Поточний стан та існуючі проблеми
Наразі водопостачальні компанії мають розширні мережі водопровідних трубопроводів, прокладених під землею у міських та сільських районах. Реальний час моніторингу даних про роботу трубопроводів є важливим для ефективного управління виробництвом та розподілом води. В результаті, доводиться створювати багато станцій моніторингу даних вздовж трубопроводів. Однак, стабільні та надійні джерела живлення поблизу цих трубопроводів належать до рідкості. Навіть коли доступна електроенергія, прокладання спеціальних ліній живлення є дорогощо, вразливо до пошкодження, і включає складне координацію з постачальниками електроенергії щодо оплати електроенергії, що створює значні проблеми управління.
Розроблено різні типи пристроїв для моніторингу трубопроводів, але більшість з них має значні обмеження. Два найпоширеніші підходи:
Низьковаттні пристрої моніторингу, що питаються від батарей: Ці пристрої потребують регулярної заміни батарей. Через обмеження споживання енергії, частота передачі даних зазвичай обмежена до одного разу на годину, що недостатньо для реального часового керування.
Сонячні пристрої моніторингу: Ці пристрої потребують великої ємності батарей, які потрібно періодично замінювати, що призводить до високих початкових інвестицій та витрат на обслуговування.
Тому є насущна потреба у розробці нового типу системи моніторингу водопровідних трубопроводів, яка подолає ці обмеження.
II. Огляд гібридної системи живлення вітрово-сонячної енергії
Гібридна система вітрово-сонячної енергії — це інтегрована система генерації та застосування енергії. Вона поєднує сонячні панелі та вітряні турбіни (які перетворюють АП на ПП) для генерації електроенергії, зберігаючи її в батареях. Коли потрібна енергія, інвертор перетворює збережену ПП електроенергію з батарей на АП електроенергію, поставляючи її через лінії передачі до навантаження.
Ця система дозволяє одночасну генерацію електроенергії як від вітряних турбін, так і від сонячних панелей. Ранні гібридні системи були простими комбінаціями вітряних турбін і фотovoltaic (PV) модулів, без деталізованих математичних моделей. Оскільки вони переважно використовувалися для низькорелевантних застосувань, ці ранні системи часто мали короткий термін служби.
У останні роки, з розширенням сфери застосування гібридних систем та зростанням вимог до надійності та економічності, було розроблено кілька продвинутих програмних пакетів, які можуть моделювати продуктивність вітрових, сонячних та гібридних систем енергії. Ці інструменти можуть моделювати різні конфігурації систем, щоб визначити оптимальні встановлення на основі продуктивності та вартості постачання енергії.
Наразі дві основні методики, які використовуються міжнародно для розмірування гібридних систем:
Метод збігу потужності: Забезпечує, що сумарна вихідна потужність масиву PV та вітряної турбіни при змінних умовах сонячного випромінювання та швидкості вітру перевищує потужність навантаження. Цей метод використовується переважно для оптимізації та контролю системи.
Метод збігу енергії: Забезпечує, що загальна енергія, вироблена масивом PV та вітряною турбіною протягом часу, задовольняє або перевищує енергію, споживану навантаженням при змінних умовах. Цей метод використовується переважно для проектування потужності системи.
III. Компоненти гібридної системи живлення вітрово-сонячної енергії
Гібридна система вітрово-сонячної енергії складається з вітряної турбіни, сонячних фотоелектричних (PV) панелей, контролера, батарей, інвертора та АП/ПП навантажень. Схема конфігурації системи показана на прикріпленому малюнку. Ця система є гібридним рішенням з відновлювальної енергії, яке інтегрує кілька джерел енергії — вітряну, сонячну та зберігання енергії в батареях, разом з інтелектуальними технологіями керування для оптимізації роботи системи.
IV. Компоненти гібридної системи живлення вітрово-сонячної енергії
Гібридна система вітрово-сонячної енергії складається з кількох ключових компонентів:
Вітряна турбіна: Перетворює вітрову енергію на механічну, яка потім перетворюється на електричну генератором. Ця електроенергія заряджає батареї через контролер та постачає навантаження через інвертор.
Сонячні PV панелі: Використовують фотоелектричний ефект для перетворення сонячного світла на електричну енергію, заряджають батареї та живлять навантаження через інвертор.
Система інверторів: Складається з декількох інверторів, які перетворюють ПП електроенергію з батарей на стандартну АП 220В, забезпечуючи стабільну роботу пристроїв АП навантаження. Також має функцію автоматичного стабілізації напруги для покращення якості електроенергії.
Блок керування: Регулює стан батарей в залежності від інтенсивності сонячного світла, швидкості вітру та змін навантаження. Керує прямою розподілом енергії до DC/AC навантажень та зберіганням надлишкової енергії в батареях. При недостатньому виробництві використовує енергію з батарей для підтримання неперервності системи.
Банк батарей: Зберігає енергію як від вітряних, так і від сонячних джерел, відіграваючи ключову роль у регулюванні та балансуванні навантажень. Забезпечує неперервне постачання енергії під час дефіциту.
Переваги гібридних вітрово-сонячних систем включають більшу стабільність та надійність завдяки доповнюваності енергії, зменшення необхідної ємності батарей, та мінімізацію залежності від резервних генераторів, що призводить до кращих економічних та соціальних переваг.
V. Характеристики гібридних вітрово-сонячних систем
Повністю використовує вітрові та сонячні ресурси без зовнішнього джерела живлення.
Пропонує денно-нічну та сезонну доповнюваність, забезпечуючи високу стабільність та економічність системи.
Значно зменшує обсяг обслуговування та витрати.
Надає незалежне постачання енергії, яке не відчуває вплив природних катаклізмів.
Функціонує безпечно при низьких напругах з простим обслуговуванням.
VI. Склад гібридної системи моніторингу трубопроводів з використанням вітрово-сонячної енергії
Ця система складається з двох основних частин: полевих станцій та центрів моніторингу. Полеві станції включають:
Вітряні турбіни: Перетворюють вітрову енергію на електроенергію для зберігання в батареях та постачання до контрольних коробок.
Сонячні панелі: Перетворюють сонячну енергію на електроенергію для зберігання в батареях або безпосереднього використання.
Контролери: Керують роботою системи, забезпечуючи оптимальні цикли зарядки/розрядки та захист від перевантаження.
Батареї: Зберігають надлишкову енергію, вироблену вітряними турбінами та сонячними панелями, для використання під час дефіциту.
VII. Ключові аспекти реалізації гібридних станцій моніторингу з використанням вітрово-сонячної енергії
Вибір вітряної турбіни: Забезпечує плавну роботу та естетичний вигляд, мінімізуючи навантаження на вежу.
Оптимальний проект конфігурації: Настроюється на місцеві природні ресурси для максимізації ефективності.
Проектування міцності стовпа: Забезпечує конструктивну цілісність, враховуючи розміри вітряних турбін та сонячних панелей, а також висоту встановлення.
VIII. Вирішення питань, пов'язаних з гібридними вітрово-сонячними системами
Питання безпеки: Системи розроблені для витримання сильних погодних умов, запобігаючи потенційним небезпекам.
Надійність постачання енергії: Адекватні рішення для зберігання забезпечують постійне постачання енергії, незважаючи на змінні погодні умови.
Витрати: Технологічні досягнення знизили вартість, роблячи ці системи економічно придатними з нижчими витратами на експлуатацію та обслуговування порівняно з традиційними системами.
Цей скорочений огляд висвітлює ключові аспекти гібридних вітрово-сонячних систем для моніторингу трубопроводів, включаючи їх склад, переваги та типові питання.
