Ролята на медната разширена мрежа в лопатките за производство на енергия

Медната разширена мрежа, използвана в лопатките на вятърни турбини или подобни на лопатки структури в слънчеви фотоволтаични модули, играе ключова роля за осигуряване на електрическа проводимост, повишаване на структурната стабилност и оптимизиране на ефективността на производството на електроенергия. Нейните функции трябва да бъдат анализирани подробно въз основа на вида на оборудването за производство на електроенергия (вятърна енергия/фотоволтаика). Следното е специфично за сценария тълкуване:

1. Лопатки на вятърни турбини: Основни роли на медната разширена мрежа – мълниезащита и структурен мониторинг

Лопатките на вятърните турбини (най-вече изработени от композитни материали от стъклени влакна/въглеродни влакна, с дължина до десетки метри) са компоненти, податливи на удари от мълнии на голяма надморска височина. В този сценарий, медната разширена мрежа изпълнява главно двойните функции на „мълниезащита“ и „мониторинг на здравето“. Конкретните роли са разпределени, както следва:

1.1 Защита от мълния: Изграждане на „проводящ път“ вътре в острието, за да се избегнат щети от мълния

1.1.1 Подмяна на локалната защита на традиционните метални мълниеприемници

Традиционната мълниезащита с лопатка се основава на метален мълниеотвод на върха ѝ. Основното тяло на лопатката обаче е изработено от изолационни композитни материали. При удар от мълния е вероятно токът да образува „стъпково напрежение“ вътре, което може да разруши структурата на лопатката или да изгори вътрешната верига. Медната разширена мрежа (обикновено фина медна тъкана мрежа, прикрепена към вътрешната стена на лопатката или вградена в слоя композитен материал) може да образува непрекъсната проводима мрежа вътре в лопатката. Тя равномерно провежда мълниеотвода, получен от отводителя на върха на лопатката, към заземителната система в основата на лопатката, като избягва концентрация на ток, която може да повреди лопатката. В същото време тя предпазва вътрешните сензори (като сензори за напрежение и температурни сензори) от повреди от мълния.

1.1.2 Намаляване на риска от искри, предизвикани от мълния

Медта има отлична електрическа проводимост (със съпротивление само 1,72 × 10⁻⁸Ω・м, много по-ниско от това на алуминий и желязо). Той може бързо да провежда ток на мълния, да намалява искрите с висока температура, генерирани от тока, пребиваващ вътре в острието, да избягва запалването на композитни материали на острието (някои композитни материали на основата на смола са запалими) и да намалява риска от изгаряне на острието.

1.2 Мониторинг на структурното състояние: Служи като „чувствителен електрод“ или „носител на сигнал“

1.2.1 Подпомагане на предаването на сигнала от вградени сензори

Съвременните лопатки на вятърните турбини трябва да следят собствената си деформация, вибрации, температура и други параметри в реално време, за да определят дали има пукнатини и повреди от умора. Вътре в лопатките са имплантирани голям брой микросензори. Медната разширена мрежа може да се използва като „линия за предаване на сигнала“ на сензорите. Характеристиката на ниското съпротивление на медната мрежа намалява затихването на мониторинговите сигнали по време на предаване на дълги разстояния, като гарантира, че системата за наблюдение в основата на лопатката може да получава точно данни за състоянието на върха на лопатката и тялото ѝ. В същото време, мрежестата структура на медната мрежа може да образува „разпределена мрежа за наблюдение“ със сензорите, покривайки цялата площ на лопатката и избягвайки слепи зони при наблюдение.

1.2.2 Подобряване на антистатичните свойства на композитните материали

Когато лопатката се върти с висока скорост, тя се трие във въздуха, генерирайки статично електричество. Ако се натрупа твърде много статично електричество, това може да повлияе на сигналите на вътрешните сензори или да повреди електронните компоненти. Проводимото свойство на медната разширена мрежа може да отвежда статично електричество към заземителната система в реално време, поддържайки електростатичния баланс вътре в лопатката и осигурявайки стабилна работа на системата за наблюдение и управляващата верига.

2. Слънчеви фотоволтаични модули (структури с форма на острие): Основни роли на медната разширена мрежа – проводимост и оптимизиране на ефективността на производството на енергия

В някои слънчеви фотоволтаични съоръжения (като гъвкави фотоволтаични панели и „лопаткови“ генератори за енергия от фотоволтаични плочки), медната разширена мрежа се използва главно за заместване или подпомагане на традиционните сребърни пастообразни електроди, подобрявайки ефективността на проводимостта и структурната издръжливост. Конкретните роли са следните:

2.1 Подобряване на ефективността на токосъбирането и преноса

2.1.1 „Нискобюджетно проводимо решение“, заместващо традиционната сребърна паста

Ядрото на фотоволтаичните модули е кристалната силициева клетка. Необходими са електроди за събиране на фотогенерирания ток, генериран от клетката. Традиционните електроди използват предимно сребърна паста (която има добра проводимост, но е изключително скъпа). Медната разширена мрежа (с проводимост близка до тази на среброто и цена само около 1/50 от тази на среброто) може да покрие повърхността на клетката чрез „мрежеста структура“, за да образува ефективна мрежа за събиране на ток. Пролуките в мрежата на медната мрежа позволяват на светлината да прониква нормално (без да блокира зоната за приемане на светлина на клетката) и в същото време мрежовите линии могат бързо да събират тока, разпръснат в различни части на клетката, намалявайки „загубата на серийно съпротивление“ по време на пренос на ток и подобрявайки общата ефективност на генериране на енергия от фотоволтаичния модул.

2.1.2 Адаптиране към изискванията за деформация на гъвкави фотоволтаични модули

Гъвкавите фотоволтаични панели (като тези, използвани в извити покриви и преносимо оборудване) трябва да имат характеристики на огъване. Традиционните електроди от сребърна паста (които са крехки и лесно се чупят при огъване) не могат да бъдат адаптирани. Медната мрежа обаче има добра гъвкавост и пластичност, което позволява огъване синхронно с гъвкавата клетка. След огъване тя все още поддържа стабилна проводимост, предотвратявайки прекъсване на производството на енергия, причинено от счупване на електрода.

2.2 Повишаване на структурната издръжливост на фотоволтаичните модули

2.2.1 Устойчивост на корозия от околната среда и механични повреди

Фотоволтаичните модули са изложени на открито за дълго време (вятър, дъжд, висока температура и висока влажност). Традиционните електроди от сребърна паста лесно корозират от водни пари и сол (в крайбрежните райони), което води до намаляване на проводимостта. Медната мрежа може допълнително да подобри устойчивостта си на корозия чрез повърхностно покритие (като калайдисване и никелиране). В същото време, мрежестата структура на медната мрежа може да разсее напрежението от външни механични въздействия (като градушка и удар от пясък), предотвратявайки счупване на клетката поради прекомерно локално напрежение и удължавайки експлоатационния живот на фотоволтаичния модул.

2.2.2 Подпомагане на разсейването на топлината и намаляване на температурните загуби

Фотоволтаичните модули генерират топлина поради поглъщане на светлина по време на работа. Прекалено високите температури ще доведат до „загуба на температурен коефициент“ (ефективността на генериране на енергия от кристалните силициеви клетки намалява с около 0,4% – 0,5% за всяко повишаване на температурата с 1℃). Медта има отлична топлопроводимост (с топлопроводимост от 401 W/(m・K), много по-висока от тази на сребърната паста). Медната разширена мрежа може да се използва като „канал за разсейване на топлината“, за да отведе бързо топлината, генерирана от клетката, към повърхността на модула и да разсее топлината чрез въздушна конвекция, намалявайки работната температура на модула и намалявайки загубата на ефективност, причинена от загуба на температура.

3. Основни причини за избор на „меден материал“ за медна разширена мрежа: Адаптиране към изискванията за производителност на лопатките за генериране на енергия

Лопатките за генериране на енергия имат строги изисквания за производителност на медна разширена мрежа, а присъщите характеристики на медта напълно отговарят на тези изисквания. Специфичните предимства са показани в следващата таблица:

В заключение, медната разширена мрежа в лопатките на генераторите за производство на електроенергия не е „универсален компонент“, а играе целенасочена роля според вида на оборудването (вятърна енергия/фотоволтаика). При лопатките на вятърните турбини тя се фокусира върху „мълниезащита + мониторинг на състоянието“, за да се гарантира безопасната работа на оборудването; при фотоволтаичните модули се фокусира върху „високоефективна проводимост + структурна издръжливост“, за да се подобри ефективността на производството на електроенергия и експлоатационният живот. Същността на нейните функции се върти около трите основни цели: „осигуряване на безопасност, стабилност и висока ефективност на оборудването за производство на електроенергия“, а характеристиките на медния материал са ключовата опора за реализирането на тези функции.