Hệ thống IoT sử dụng năng lượng lai gió-mặt trời cho giám sát thời gian thực đường ống nước

I. Tình hình hiện tại và các vấn đề tồn tại

Hiện nay, các công ty cung cấp nước có mạng lưới đường ống nước rộng lớn được đặt dưới lòng đất ở cả khu vực đô thị và nông thôn. Việc theo dõi dữ liệu hoạt động của đường ống theo thời gian thực là cần thiết để điều hành và kiểm soát hiệu quả việc sản xuất và phân phối nước. Do đó, phải thiết lập nhiều trạm theo dõi dữ liệu dọc theo các đường ống. Tuy nhiên, nguồn điện ổn định và đáng tin cậy gần các đường ống hiếm khi có sẵn. Ngay cả khi có điện, việc kéo dây điện chuyên dụng rất tốn kém, dễ bị hư hỏng và đòi hỏi sự phối hợp phức tạp với nhà cung cấp dịch vụ điện cho việc thanh toán tiền điện, tạo ra những thách thức quản lý đáng kể.

Các loại thiết bị theo dõi đường ống khác nhau đã được phát triển, nhưng hầu hết đều có hạn chế đáng kể. Hai phương pháp phổ biến nhất là:

• Thiết bị theo dõi chạy bằng pin năng lượng thấp: Chúng yêu cầu thay pin thường xuyên. Do hạn chế về tiêu thụ điện, tần suất truyền dữ liệu thường giới hạn ở một lần mỗi giờ, điều này không đủ cho hướng dẫn hoạt động theo thời gian thực.

• Thiết bị theo dõi chạy bằng năng lượng mặt trời: Chúng yêu cầu pin dung lượng lớn cần thay thế định kỳ, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu và bảo trì cao.

Do đó, có nhu cầu cấp bách để phát triển một hệ thống theo dõi đường ống nước mới khắc phục những hạn chế này.

II. Giới thiệu về Hệ thống Cung cấp Điện Hybrid Gió-Mặt Trời

Hệ thống hybrid gió-mặt trời là một hệ thống tích hợp sản xuất và sử dụng điện. Nó kết hợp các tấm pin mặt trời và tua-bin gió (chuyển đổi AC sang DC) để tạo ra điện, lưu trữ năng lượng trong các ngân hàng pin. Khi cần điện, bộ chuyển đổi sẽ chuyển đổi điện DC lưu trữ trong pin thành điện AC, cung cấp thông qua các đường dây truyền tải đến tải.

Hệ thống này cho phép đồng thời sản xuất điện từ cả tua-bin gió và mảng pin mặt trời. Các hệ thống hybrid sớm chỉ là sự kết hợp đơn giản giữa tua-bin gió và mô-đun quang điện (PV), thiếu mô hình toán học chi tiết. Do chúng chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng ít tin cậy, các hệ thống sớm thường có tuổi thọ ngắn.

Trong những năm gần đây, khi phạm vi ứng dụng của các hệ thống hybrid mở rộng và yêu cầu về độ tin cậy và hiệu quả kinh tế tăng lên, một số gói phần mềm tiên tiến đã được phát triển trên toàn cầu để mô phỏng hiệu suất của các hệ thống gió, mặt trời và hybrid. Các công cụ này có thể mô phỏng các cấu hình hệ thống khác nhau để xác định các thiết lập tối ưu dựa trên hiệu suất và chi phí cung cấp điện.

Hiện nay, hai phương pháp chính được sử dụng quốc tế để định kích thước cho các hệ thống hybrid là:

• Phương pháp Phù hợp Công suất: Đảm bảo rằng tổng công suất đầu ra của mảng PV và tua-bin gió dưới các điều kiện bức xạ mặt trời và tốc độ gió khác nhau vượt quá công suất tải. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho tối ưu hóa và điều khiển hệ thống.

• Phương pháp Phù hợp Năng lượng: Đảm bảo rằng tổng năng lượng được tạo ra bởi mảng PV và tua-bin gió theo thời gian đáp ứng hoặc vượt quá năng lượng tiêu thụ của tải dưới các điều kiện khác nhau. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho thiết kế công suất hệ thống.

III. Thành phần của Hệ thống Cung cấp Điện Hybrid Gió-Mặt Trời

Hệ thống cung cấp điện hybrid gió-mặt trời主要包括风力涡轮机、太阳能光伏（PV）板、控制器、电池、逆变器和交流/直流负载。系统配置图如附图所示。该系统是一种混合可再生能源解决方案，集成了多种能源——风能、太阳能和电池储能，并结合智能控制技术以优化系统运行。 请注意，原文中包含了一张图片的链接，我将保留该链接而不进行翻译。

Ⅳ.风-光混合电力系统的组成部分

风-光混合电力系统由几个关键组件组成：

• 风力涡轮机：将风能转化为机械能，然后通过发电机转化为电能。这些电能通过控制器为电池充电并通过逆变器供电给负载。

• 太阳能光伏板：利用光伏效应将阳光转化为电能，通过逆变器为电池充电并为负载供电。

• 逆变器系统：包括多个逆变器，将电池组中的直流电转换为标准220V交流电，确保交流负载设备的稳定运行。它还具有自动电压稳定功能，以提高电能质量。

• 控制单元：根据太阳强度、风速和负载变化调整电池状态。它管理直接向直流/交流负载供电以及多余能量在电池中的存储。在发电不足时，它从电池中取电以保持系统连续性。

• 电池组：存储来自风能和太阳能的能量，在能量调节和负载平衡中起着关键作用。它确保在短缺期间持续供电。

风-光混合系统的优势包括由于能量互补而具有更高的稳定性和可靠性，减少了电池容量需求，最小化了对备用发电机的依赖，从而带来更好的经济和社会效益。

Ⅴ.风-光混合系统的特点

• 充分利用风能和太阳能资源，无需外部电源。

• 提供昼夜和季节互补，确保高系统稳定性和成本效益。

• 显著减少维护工作和成本。

• 提供不受自然灾害影响的独立电源。

• 在低电压下安全运行，维护简单。

Ⅵ.风-光混合管道监测系统的组成

该系统主要由两大部分组成：现场站和监控中心。现场站包括：

• 风力涡轮机：将风能转化为电能，用于电池存储并向控制箱供电。

• 太阳能板：将太阳能转化为电能，用于电池存储或直接使用。

• 控制器：管理系统操作，确保最佳充放电周期并防止过充。

• 电池：存储风力涡轮机和太阳能板产生的多余能量，以备短缺时使用。

Ⅶ.实施风-光混合监测站的关键考虑因素

• 风力涡轮机选择：确保平稳运行和美观，最大限度地减少塔架负荷。

• 最优配置设计：根据当地自然资源定制系统容量，以最大化效率。

• 杆强度设计：考虑风力涡轮机和太阳能板的尺寸及安装高度，确保结构完整性。

Ⅷ.关于风-光混合系统的关注点

• 安全问题：系统设计能够承受恶劣天气条件，防止潜在危险。

• 电源可靠性：充足的存储解决方案确保在多变的天气条件下持续供电。

• 成本问题：技术进步降低了成本，使得这些系统在运营和维护费用方面比传统系统更具经济可行性。

本简要总结突出了风-光混合系统在管道监测中的关键方面，包括其组成、优势和常见关注点。 非常抱歉，我在翻译过程中遗漏了一些部分。以下是完整的越南语翻译：

I. Tình hình hiện tại và các vấn đề tồn tại

Hiện nay, các công ty cung cấp nước có mạng lưới đường ống nước rộng lớn được đặt dưới lòng đất ở cả khu vực đô thị và nông thôn. Việc theo dõi dữ liệu hoạt động của đường ống theo thời gian thực là cần thiết để điều hành và kiểm soát hiệu quả việc sản xuất và phân phối nước. Do đó, phải thiết lập nhiều trạm theo dõi dữ liệu dọc theo các đường ống. Tuy nhiên, nguồn điện ổn định và đáng tin cậy gần các đường ống hiếm khi có sẵn. Ngay cả khi có điện, việc kéo dây điện chuyên dụng rất tốn kém, dễ bị hư hỏng và đòi hỏi sự phối hợp phức tạp với nhà cung cấp dịch vụ điện cho việc thanh toán tiền điện, tạo ra những thách thức quản lý đáng kể.

Các loại thiết bị theo dõi đường ống khác nhau đã được phát triển, nhưng hầu hết đều có hạn chế đáng kể. Hai phương pháp phổ biến nhất là:

• Thiết bị theo dõi chạy bằng pin năng lượng thấp: Chúng yêu cầu thay pin thường xuyên. Do hạn chế về tiêu thụ điện, tần suất truyền dữ liệu thường giới hạn ở một lần mỗi giờ, điều này không đủ cho hướng dẫn hoạt động theo thời gian thực.

• Thiết bị theo dõi chạy bằng năng lượng mặt trời: Chúng yêu cầu pin dung lượng lớn cần thay thế định kỳ, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu và bảo trì cao.

Do đó, có nhu cầu cấp bách để phát triển một hệ thống theo dõi đường ống nước mới khắc phục những hạn chế này.

II. Giới thiệu về Hệ thống Cung cấp Điện Hybrid Gió-Mặt Trời

Hệ thống hybrid gió-mặt trời là một hệ thống tích hợp sản xuất và sử dụng điện. Nó kết hợp các tấm pin mặt trời và tua-bin gió (chuyển đổi AC sang DC) để tạo ra điện, lưu trữ năng lượng trong các ngân hàng pin. Khi cần điện, bộ chuyển đổi sẽ chuyển đổi điện DC lưu trữ trong pin thành điện AC, cung cấp thông qua các đường dây truyền tải đến tải.

Hệ thống này cho phép đồng thời sản xuất điện từ cả tua-bin gió và mảng pin mặt trời. Các hệ thống hybrid sớm chỉ là sự kết hợp đơn giản giữa tua-bin gió và mô-đun quang điện (PV), thiếu mô hình toán học chi tiết. Do chúng chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng ít tin cậy, các hệ thống sớm thường có tuổi thọ ngắn.

Trong những năm gần đây, khi phạm vi ứng dụng của các hệ thống hybrid mở rộng và yêu cầu về độ tin cậy và hiệu quả kinh tế tăng lên, một số gói phần mềm tiên tiến đã được phát triển trên toàn cầu để mô phỏng hiệu suất của các hệ thống gió, mặt trời và hybrid. Các công cụ này có thể mô phỏng các cấu hình hệ thống khác nhau để xác định các thiết lập tối ưu dựa trên hiệu suất và chi phí cung cấp điện.

Hiện nay, hai phương pháp chính được sử dụng quốc tế để định kích thước cho các hệ thống hybrid là:

• Phương pháp Phù hợp Công suất: Đảm bảo rằng tổng công suất đầu ra của mảng PV và tua-bin gió dưới các điều kiện bức xạ mặt trời và tốc độ gió khác nhau vượt quá công suất tải. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho tối ưu hóa và điều khiển hệ thống.

• Phương pháp Phù hợp Năng lượng: Đảm bảo rằng tổng năng lượng được tạo ra bởi mảng PV và tua-bin gió theo thời gian đáp ứng hoặc vượt quá năng lượng tiêu thụ của tải dưới các điều kiện khác nhau. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho thiết kế công suất hệ thống.

III. Thành phần của Hệ thống Cung cấp Điện Hybrid Gió-Mặt Trời

Hệ thống cung cấp điện hybrid gió-mặt trời chủ yếu bao gồm tua-bin gió, các tấm pin quang điện (PV), bộ điều khiển, pin, bộ chuyển đổi và tải AC/DC. Sơ đồ cấu hình hệ thống được hiển thị trong hình đính kèm. Đây là một giải pháp năng lượng tái tạo lai kết hợp nhiều nguồn năng lượng - gió, mặt trời và lưu trữ pin - cùng với công nghệ điều khiển thông minh để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.

IV. Thành phần của Hệ thống Cung cấp Điện Hybrid Gió-Mặt Trời

Hệ thống cung cấp điện hybrid gió-mặt trời bao gồm các thành phần chính sau:

• Tua-bin gió: Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học, sau đó được chuyển đổi thành điện năng bởi máy phát điện. Điện này sạc pin thông qua bộ điều khiển và cung cấp cho tải thông qua bộ chuyển đổi.

• Tấm pin PV: Sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, sạc pin và cung cấp cho tải thông qua bộ chuyển đổi.

• Hệ thống bộ chuyển đổi: Gồm nhiều bộ chuyển đổi chuyển đổi điện DC từ ngân hàng pin thành điện AC chuẩn 220V, đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị tải AC. Nó cũng có tính năng ổn định điện áp tự động để cải thiện chất lượng điện.

• Đơn vị điều khiển: Điều chỉnh trạng thái pin dựa trên cường độ ánh sáng mặt trời, tốc độ gió và thay đổi tải. Nó quản lý phân phối điện trực tiếp cho tải DC/AC và lưu trữ năng lượng dư thừa trong pin. Trong trường hợp sản xuất không đủ, nó rút từ pin để duy trì liên tục hệ thống.

• Ngân hàng pin: Lưu trữ năng lượng từ cả nguồn gió và mặt trời, đóng vai trò quan trọng trong điều chỉnh và cân bằng tải. Nó đảm bảo cung cấp điện liên tục trong trường hợp thiếu hụt.

Ưu điểm của hệ thống hybrid gió-mặt trời bao gồm độ ổn định và tin cậy cao hơn do sự bổ sung năng lượng, giảm yêu cầu về dung lượng pin và giảm sự phụ thuộc vào máy phát điện dự phòng, dẫn đến lợi ích kinh tế và xã hội tốt hơn.

V. Đặc điểm của Hệ thống Hybrid Gió-Mặt Trời

• Sử dụng đầy đủ nguồn gió và mặt trời mà không cần nguồn điện bên ngoài.

• Cung cấp sự bổ sung ngày-đêm và theo mùa, đảm bảo độ ổn định cao và hiệu quả kinh tế của hệ thống.

• Giảm đáng kể công việc bảo dưỡng và chi phí.

• Cung cấp nguồn điện độc lập không bị ảnh hưởng bởi thiên tai.

• Hoạt động an toàn ở điện áp thấp với bảo dưỡng đơn giản.

VI. Thành phần của Hệ thống Giám sát Đường Ống Hybrid Gió-Mặt Trời

Hệ thống này bao gồm hai phần chính: trạm hiện trường và trung tâm giám sát. Trạm hiện trường bao gồm:

• Tua-bin gió: Chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng để lưu trữ trong pin và cung cấp cho hộp điều khiển.

• Tấm pin mặt trời: Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng để lưu trữ trong pin hoặc sử dụng trực tiếp.

• Bộ điều khiển: Quản lý hoạt động của hệ thống, đảm bảo chu kỳ sạc/xả tối ưu và bảo vệ chống quá tải.

• Pin: Lưu trữ năng lượng dư thừa được tạo ra bởi tua-bin gió và tấm pin mặt trời để sử dụng trong trường hợp thiếu hụt.

VII. Các Xem Xét Quan Trọng cho Việc Triển Khai Trạm Giám Sát Hybrid Gió-Mặt Trời

• Lựa chọn Tua-bin Gió: Đảm bảo hoạt động mượt mà và thẩm mỹ, giảm tải cho tháp.

• Thiết kế Cấu hình Tối ưu: Tùy chỉnh công suất của hệ thống dựa trên tài nguyên tự nhiên địa phương để tối đa hóa hiệu quả.

• Thiết kế Độ Bền Cột: Đảm bảo độ bền cấu trúc, xem xét kích thước và chiều cao lắp đặt của tua-bin gió và tấm pin mặt trời.

VIII. Giải Quyết Các Vấn Đề về Hệ thống Hybrid Gió-Mặt Trời

• Vấn đề An Toàn: Hệ thống được thiết kế để chịu đựng các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, ngăn chặn các nguy cơ tiềm ẩn.

• Độ Tin Cậy Cung Cấp Điện: Các giải pháp lưu trữ đủ đảm bảo cung cấp điện liên tục bất chấp các điều kiện thời tiết thay đổi.

• Vấn đề Chi Phí: Sự tiến bộ công nghệ đã giảm chi phí, làm cho các hệ thống này trở nên kinh tế với chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn so với các hệ thống truyền thống.

Tóm tắt ngắn gọn này nhấn mạnh các khía cạnh quan trọng của hệ thống hybrid gió-mặt trời cho giám sát đường ống, bao gồm thành phần, ưu điểm và các vấn đề thường gặp.