Úloha medenej expandovanej sieťoviny v lopatkách na výrobu energie

Medené expandované pletivo používané v lopatkách na výrobu elektrickej energie (zvyčajne označované ako lopatky veterných turbín alebo lopatkové štruktúry v solárnych fotovoltaických moduloch) zohráva kľúčovú úlohu pri zabezpečovaní elektrickej vodivosti, zvyšovaní štrukturálnej stability a optimalizácii účinnosti výroby energie. Jeho funkcie je potrebné podrobne analyzovať na základe typu zariadenia na výrobu energie (veterná energia/fotovoltaika). Nasleduje výklad špecifický pre scenár:

1. Lopatky veterných turbín: Hlavné úlohy medenej expandovanej siete – ochrana pred bleskom a monitorovanie konštrukcií

Lopatky veterných turbín (väčšinou vyrobené z kompozitných materiálov zo sklenených a uhlíkových vlákien s dĺžkou až desiatok metrov) sú komponenty náchylné na údery blesku vo vysokých nadmorských výškach. V tomto scenári medená expandovaná sieťovina plní hlavne dvojitú funkciu „ochrany pred bleskom“ a „monitorovania stavu“. Konkrétne úlohy sú rozdelené takto:

1.1 Ochrana pred úderom blesku: Vytvorenie „vodivej dráhy“ vo vnútri čepele, aby sa predišlo poškodeniu bleskom

1.1.1 Výmena lokálnej ochrany tradičných kovových bleskozvodov

Tradičná ochrana čepele pred bleskom sa spolieha na kovovú bleskoistku na špičke čepele. Hlavné telo čepele je však vyrobené z izolačných kompozitných materiálov. Keď dôjde k úderu blesku, prúd pravdepodobne vytvorí „krokové napätie“ vo vnútri, ktoré môže narušiť štruktúru čepele alebo spáliť vnútorný obvod. Medená expandovaná sieťka (zvyčajne jemná medená tkaná sieť, pripevnená k vnútornej stene čepele alebo vložená do vrstvy kompozitného materiálu) môže tvoriť súvislú vodivú sieť vo vnútri čepele. Rovnomerne vedie bleskový prúd prijatý zvodičom hrotu čepele do uzemňovacieho systému v koreni čepele, čím sa zabráni koncentrácii prúdu, ktorá by mohla poškodiť čepeľ. Zároveň chráni vnútorné snímače (ako sú snímače napätia a snímače teploty) pred poškodením bleskom.

1.1.2 Zníženie rizika iskier spôsobených bleskom

Meď má vynikajúcu elektrickú vodivosť (s odporom iba 1,72 × 10⁻⁸Ω・m, oveľa nižšie ako u hliníka a železa). Dokáže rýchlo viesť bleskový prúd, znížiť iskry pri vysokých teplotách generované prúdom zostávajúcim vo vnútri čepele, zabrániť vznieteniu kompozitných materiálov čepele (niektoré kompozitné materiály na báze živice sú horľavé) a znížiť bezpečnostné riziko spálenia čepele.

1.2 Monitorovanie stavu konštrukcie: Slúži ako „snímacia elektróda“ alebo „nosič prenosu signálu“

1.2.1 Pomoc pri prenose signálu zo vstavaných senzorov

Lopatky moderných veterných turbín musia v reálnom čase monitorovať svoju vlastnú deformáciu, vibrácie, teplotu a ďalšie parametre, aby sa zistilo, či existujú praskliny a poškodenia spôsobené únavou. Vo vnútri lopatiek je implantované veľké množstvo mikrosenzorov. Medené expandované pletivo môže byť použité ako „vedenie prenosu signálu“ snímačov. Nízkoodporová charakteristika medenej sieťoviny znižuje útlm monitorovacích signálov počas prenosu na dlhé vzdialenosti, čím zaisťuje, že monitorovací systém na koreni čepele môže presne prijímať zdravotné údaje hrotu čepele a tela čepele. Sieťová štruktúra medeného pletiva môže zároveň so senzormi tvoriť „distribuovanú monitorovaciu sieť“, ktorá pokrýva celú plochu čepele a zabraňuje monitorovaniu slepých miest.

1.2.2 Zlepšenie antistatickej schopnosti kompozitných materiálov

Keď sa lopatka otáča vysokou rýchlosťou, trenie sa o vzduch a vytvára statickú elektrinu. Ak sa nahromadí príliš veľa statickej elektriny, môže to rušiť signály vnútorných senzorov alebo poškodiť elektronické súčiastky. Vodivá vlastnosť medenej expandovanej siete dokáže v reálnom čase viesť statickú elektrinu do uzemňovacieho systému, čím udržiava elektrostatickú rovnováhu vo vnútri lopatky a zabezpečuje stabilnú prevádzku monitorovacieho systému a riadiaceho obvodu.

2. Solárne fotovoltaické moduly (čepelovité štruktúry): Hlavné úlohy medenej expandovanej siete – vodivosť a optimalizácia účinnosti výroby energie

V niektorých solárnych fotovoltaických zariadeniach (ako sú flexibilné fotovoltaické panely a „čepeľové“ energetické jednotky fotovoltaických dlaždíc) sa medená expandovaná sieťovina používa hlavne na nahradenie alebo podporu tradičných strieborných pastových elektród, čím sa zlepšuje účinnosť vodivosti a štrukturálna trvanlivosť. Konkrétne úlohy sú nasledovné:

2.1 Zlepšenie účinnosti odberu a prenosu prúdu

2.1.1 „Lacné vodivé riešenie“ nahrádzajúce tradičnú striebornú pastu

Jadrom fotovoltaických modulov je kryštalický kremíkový článok. Elektródy sú potrebné na zber fotogenerovaného prúdu generovaného článkom. Tradičné elektródy väčšinou používajú striebornú pastu (ktorá má dobrú vodivosť, ale je extrémne drahá). Medená expandovaná sieťka (s vodivosťou blízkou vodivosti striebra a cenou len asi 1/50 ceny striebra) môže pokryť povrch článku cez „mriežkovú štruktúru“ a vytvoriť tak účinnú sieť zberu prúdu. Mriežkové medzery medenej siete umožňujú svetlu normálne prenikať (bez blokovania oblasti prijímania svetla článku) a zároveň môžu mriežkové vedenia rýchlo zhromažďovať prúd rozptýlený v rôznych častiach článku, čím sa znižuje „strata sériového odporu“ počas prenosu prúdu a zlepšuje sa celková účinnosť výroby energie fotovoltaického modulu.

2.1.2 Prispôsobenie sa požiadavkám na deformáciu flexibilných fotovoltaických modulov

Flexibilné fotovoltaické panely (ako napríklad panely používané v zakrivených strechách a prenosných zariadeniach) musia mať ohybné vlastnosti. Tradičné elektródy zo striebornej pasty (ktoré sú krehké a pri ohnutí sa ľahko zlomia) nie je možné prispôsobiť. Medená sieť má však dobrú flexibilitu a ťažnosť, ktorá sa môže ohýbať synchrónne s flexibilnou bunkou. Po ohnutí si stále zachováva stabilnú vodivosť, čím sa zabráni poruche výroby energie spôsobenej zlomením elektródy.

2.2 Zvýšenie štrukturálnej odolnosti fotovoltaických modulov

2.2.1 Odolnosť voči korózii a mechanickému poškodeniu vplyvom prostredia

Fotovoltické moduly sú dlhodobo vystavené vonkajšiemu prostrediu (vetru, dažďu, vysokej teplote a vysokej vlhkosti). Tradičné elektródy zo striebornej pasty ľahko korodujú vodnou parou a soľou (v pobrežných oblastiach), čo vedie k zníženiu vodivosti. Medené pletivo môže ďalej zlepšiť svoju odolnosť proti korózii povrchovým pokovovaním (ako je pocínovanie a poniklovanie). Sieťová štruktúra medenej sieťoviny zároveň dokáže rozptýliť napätie vonkajších mechanických vplyvov (ako sú krupobitie a piesok), čím sa zabráni rozbitiu článku v dôsledku nadmerného lokálneho namáhania a predĺži sa životnosť fotovoltaického modulu.

2.2.2 Pomoc pri odvode tepla a znižovaní teplotných strát

Fotovoltaické moduly počas prevádzky generujú teplo v dôsledku absorpcie svetla. Príliš vysoké teploty vedú k „strate teplotného koeficientu“ (účinnosť výroby energie kryštalických kremíkových článkov sa znižuje približne o 0,4 % – 0,5 % na každé zvýšenie teploty o 1 ℃). Meď má vynikajúcu tepelnú vodivosť (s tepelnou vodivosťou 401 W/(m・K), oveľa vyššia ako u striebornej pasty). Medená expandovaná sieťovina sa môže použiť ako „kanál na odvod tepla“ na rýchle vedenie tepla generovaného článkom na povrch modulu a rozptyľovanie tepla konvekciou vzduchu, čím sa znižuje prevádzková teplota modulu a znižuje sa strata účinnosti spôsobená stratou teploty.

3. Hlavné dôvody pre výber „medeného materiálu“ pre medenú expandovanú sieťovinu: Prispôsobenie sa výkonnostným požiadavkám lopatiek na výrobu energie

Lopatky na výrobu energie majú prísne výkonnostné požiadavky na medené expandované pletivo a inherentné vlastnosti medi tieto požiadavky dokonale spĺňajú. Konkrétne výhody sú uvedené v nasledujúcej tabuľke:

Záverom možno povedať, že medená expandovaná sieťovina v lopatkách na výrobu energie nie je „univerzálnym komponentom“, ale zohráva cielenú úlohu podľa typu zariadenia (veterná energia/fotovoltaika). V lopatkách veterných turbín sa zameriava na „ochranu pred bleskom + monitorovanie stavu“, aby sa zabezpečila bezpečná prevádzka zariadenia; vo fotovoltaických moduloch sa zameriava na „vysokoúčinnú vodivosť + štrukturálnu odolnosť“, aby sa zlepšila účinnosť výroby energie a životnosť. Podstata jej funkcií sa točí okolo troch základných cieľov: „zabezpečenie bezpečnosti, stability a vysokej účinnosti zariadení na výrobu energie“ a vlastnosti medeného materiálu sú kľúčovou podporou pre realizáciu týchto funkcií.