Vloga bakrene ekspandirane mreže v lopaticah za proizvodnjo energije

Bakrena ekspandirana mreža, ki se uporablja v lopaticah za proizvodnjo električne energije (običajno se nanaša na lopatice vetrnih turbin ali lopaticam podobne strukture v sončnih fotovoltaičnih modulih), igra ključno vlogo pri zagotavljanju električne prevodnosti, izboljšanju strukturne stabilnosti in optimizaciji učinkovitosti proizvodnje električne energije. Njene funkcije je treba podrobno analizirati glede na vrsto opreme za proizvodnjo električne energije (vetrna energija/fotovoltaika). Sledi razlaga, specifična za posamezen scenarij:

1. Lopatice vetrnih turbin: ključne vloge bakrene ekspandirane mreže – zaščita pred strelo in strukturni nadzor

Lopatice vetrnih turbin (večinoma izdelane iz kompozitnih materialov iz steklenih vlaken/ogljikovih vlaken, dolžine do več deset metrov) so sestavni deli, ki so nagnjeni k udarom strele na velikih nadmorskih višinah. V tem primeru bakrena ekspandirana mreža opravlja predvsem dvojno funkcijo "zaščite pred strelo" in "spremljanja zdravja". Specifične vloge so razčlenjene na naslednji način:

1.1 Zaščita pred udarom strele: Izgradnja »prevodne poti« znotraj rezila za preprečevanje poškodb zaradi strele

1.1.1 Zamenjava lokalne zaščite tradicionalnih kovinskih strelovodov

Tradicionalna zaščita pred strelo v obliki lopatice se opira na kovinski odvodnik strele na konici lopatice. Vendar pa je glavni del lopatice izdelan iz izolacijskih kompozitnih materialov. Ko pride do udara strele, tok v notranjosti verjetno tvori »korakno napetost«, ki lahko poruši strukturo lopatice ali zažge notranji tokokrog. Bakrena ekspandirana mreža (običajno fina bakrena tkana mreža, pritrjena na notranjo steno lopatice ali vdelana v plast kompozitnega materiala) lahko v lopatici tvori neprekinjeno prevodno mrežo. Enakomerno prevaja tok strele, ki ga prejme odvodnik strele na konici lopatice, do ozemljitvenega sistema na korenu lopatice, s čimer se izogne ​​koncentraciji toka, ki bi lahko poškodovala lopatico. Hkrati ščiti notranje senzorje (kot so senzorji napetosti in temperaturni senzorji) pred poškodbami zaradi strele.

1.1.2 Zmanjšanje tveganja isker, ki jih povzroči strela

Baker ima odlično električno prevodnost (z upornostjo le 1,72 × 10⁻⁸Ω・m, kar je precej manj kot pri aluminiju in železu). Lahko hitro prevaja tok strele, zmanjša iskre pri visokih temperaturah, ki jih povzroča tok, ki ostane znotraj rezila, prepreči vžig kompozitnih materialov rezila (nekateri kompozitni materiali na osnovi smole so vnetljivi) in zmanjša varnostno tveganje zaradi opeklin rezila.

1.2 Spremljanje zdravja konstrukcij: delovanje kot »senzorska elektroda« ali »nosilec prenosa signala«

1.2.1 Pomoč pri prenosu signala vgrajenih senzorjev

Sodobne lopatice vetrnih turbin morajo v realnem času spremljati lastno deformacijo, vibracije, temperaturo in druge parametre, da ugotovijo, ali obstajajo razpoke in poškodbe zaradi utrujenosti. V lopatice je vgrajenih veliko število mikrosenzorjev. Bakrena ekspandirana mreža se lahko uporablja kot "prenosni vod signala" senzorjev. Nizka upornost bakrene mreže zmanjšuje slabljenje nadzornih signalov med prenosom na dolge razdalje, kar zagotavlja, da lahko nadzorni sistem na korenu lopatice natančno sprejema podatke o stanju konice lopatice in telesa lopatice. Hkrati lahko mrežasta struktura bakrene mreže s senzorji tvori "porazdeljeno nadzorno omrežje", ki pokriva celotno območje lopatice in se izogne ​​​​slepim točkam pri nadzoru.

1.2.2 Izboljšanje antistatične sposobnosti kompozitnih materialov

Ko se lopatica vrti z veliko hitrostjo, se drgne ob zrak in ustvarja statično elektriko. Če se nabere preveč statične elektrike, lahko to moti notranje signale senzorjev ali pokvari elektronske komponente. Prevodna lastnost bakrene ekspandirane mreže lahko v realnem času prevaja statično elektriko v ozemljitveni sistem, s čimer vzdržuje elektrostatično ravnovesje znotraj lopatice in zagotavlja stabilno delovanje nadzornega sistema in krmilnega vezja.

2. Sončni fotovoltaični moduli (strukture v obliki lopatic): Ključne vloge bakrene razširjene mreže – prevodnost in optimizacija učinkovitosti proizvodnje energije

V nekaterih sončnih fotovoltaičnih napravah (kot so fleksibilni fotovoltaični paneli in "lopatičaste" enote za proizvodnjo energije iz fotovoltaičnih ploščic) se ekspandirana bakrena mreža uporablja predvsem za zamenjavo ali pomoč tradicionalnim srebrnim pastoznim elektrodam, kar izboljša učinkovitost prevodnosti in strukturno vzdržljivost. Njene specifične vloge so naslednje:

2.1 Izboljšanje učinkovitosti odjema in prenosa toka

2.1.1 »Cenovno ugodna prevodna rešitev«, ki nadomešča tradicionalno srebrno pasto

Jedro fotonapetostnih modulov je kristalna silicijeva celica. Za zbiranje fotogeneriranega toka, ki ga ustvari celica, so potrebne elektrode. Tradicionalne elektrode večinoma uporabljajo srebrno pasto (ki ima dobro prevodnost, vendar je izjemno draga). Bakrena ekspandirana mreža (s prevodnostjo blizu prevodnosti srebra in ceno le približno 1/50 cene srebra) lahko prekrije površino celice s pomočjo "mrežaste strukture" in tvori učinkovito mrežo za zbiranje toka. Mrežaste reže bakrene mreže omogočajo normalno prodiranje svetlobe (brez blokiranja območja celice, ki sprejema svetlobo), hkrati pa lahko mrežne črte hitro zbirajo tok, razpršen v različnih delih celice, kar zmanjša "serijsko izgubo upora" med prenosom toka in izboljša splošno učinkovitost proizvodnje energije fotonapetostnega modula.

2.1.2 Prilagajanje zahtevam glede deformacije fleksibilnih fotovoltaičnih modulov

Fleksibilne fotonapetostne plošče (kot so tiste, ki se uporabljajo v ukrivljenih strehah in prenosni opremi) morajo imeti upogibne lastnosti. Tradicionalnih srebrnih pastoznih elektrod (ki so krhke in se pri upogibanju zlahka zlomijo) ni mogoče prilagoditi. Vendar pa ima bakrena mreža dobro prožnost in duktilnost, ki se lahko upogne sinhrono s fleksibilno celico. Po upogibanju še vedno ohranja stabilno prevodnost, s čimer se prepreči izpad energije zaradi loma elektrode.

2.2 Izboljšanje strukturne trajnosti fotovoltaičnih modulov

2.2.1 Odpornost proti okoljski koroziji in mehanskim poškodbam

Fotovoltaični moduli so dolgo časa izpostavljeni zunanjim vplivom (vetru, dežju, visokim temperaturam in visoki vlažnosti). Tradicionalne srebrne pastne elektrode zlahka korodirajo vodna para in sol (na obalnih območjih), kar povzroči zmanjšanje prevodnosti. Bakrena mreža lahko dodatno izboljša svojo odpornost proti koroziji s površinsko prevleko (kot je kositrjenje in nikljanje). Hkrati lahko mrežasta struktura bakrene mreže razprši napetosti zaradi zunanjih mehanskih vplivov (kot sta toča in udarci peska), s čimer prepreči lom celice zaradi prekomerne lokalne napetosti in podaljša življenjsko dobo fotovoltaičnega modula.

2.2.2 Pomoč pri odvajanju toplote in zmanjševanju temperaturnih izgub

Fotovoltaični moduli med delovanjem zaradi absorpcije svetlobe ustvarjajo toploto. Pretirano visoke temperature vodijo do »izgube temperaturnega koeficienta« (učinkovitost proizvodnje energije kristalnih silicijevih celic se zmanjša za približno 0,4 % – 0,5 % za vsakih 1 ℃ povišanja temperature). Baker ima odlično toplotno prevodnost (s toplotno prevodnostjo 401 W/(m・K), veliko višja kot pri srebrni pasti). Bakrena ekspandirana mreža se lahko uporablja kot "kanal za odvajanje toplote", ki hitro odvaja toploto, ki jo ustvari celica, na površino modula in odvaja toploto z zračno konvekcijo, kar zmanjša obratovalno temperaturo modula in zmanjša izgubo učinkovitosti zaradi izgube temperature.

3. Glavni razlogi za izbiro "bakrenega materiala" za ekspandirano bakreno mrežo: Prilagajanje zahtevam glede zmogljivosti lopatic za proizvodnjo energije

Lopatice za proizvodnjo električne energije imajo stroge zahteve glede zmogljivosti bakrene ekspandirane mreže, inherentne lastnosti bakra pa te zahteve popolnoma izpolnjujejo. Specifične prednosti so prikazane v naslednji tabeli:

Skratka, bakrena ekspandirana mreža v lopaticah za proizvodnjo energije ni "univerzalna komponenta", temveč igra ciljno usmerjeno vlogo glede na vrsto opreme (vetrna energija/fotovoltaika). Pri lopaticah vetrnih turbin se osredotoča na "zaščito pred strelo + spremljanje zdravja", da se zagotovi varno delovanje opreme; pri fotovoltaičnih modulih pa na "visoko učinkovito prevodnost + strukturno vzdržljivost" za izboljšanje učinkovitosti proizvodnje energije in življenjske dobe. Bistvo njenih funkcij se vrti okoli treh ključnih ciljev "zagotavljanja varnosti, stabilnosti in visoke učinkovitosti opreme za proizvodnjo energije", značilnosti bakrenega materiala pa so ključna podpora za uresničitev teh funkcij.