Role měděné expandované sítě v lopatkách pro výrobu energie

Měděná expandovaná síťovina používaná v lopatkách pro výrobu energie (obvykle se tím myslí lopatky větrných turbín nebo lopatkovité struktury v solárních fotovoltaických modulech) hraje klíčovou roli v zajištění elektrické vodivosti, zvyšování strukturální stability a optimalizaci účinnosti výroby energie. Její funkce je třeba podrobně analyzovat na základě typu zařízení pro výrobu energie (větrná energie/fotovoltaika). Následuje interpretace specifická pro daný scénář:

1. Lopatky větrných turbín: Klíčové role měděné expandované sítě – Ochrana před bleskem a monitorování struktur

Lopatky větrných turbín (většinou vyrobené z kompozitních materiálů ze skleněných a uhlíkových vláken, o délce až desítek metrů) jsou komponenty náchylné k úderům blesku ve vysokých nadmořských výškách. V tomto scénáři měděná expandovaná síťovina plní především dvojí funkci „ochrany před bleskem“ a „monitorování stavu“. Konkrétní role jsou rozděleny následovně:

1.1 Ochrana před úderem blesku: Vytvoření „vodivé cesty“ uvnitř lopatky, aby se zabránilo poškození bleskem

1.1.1 Výměna lokální ochrany tradičních kovových hromosvodů

Tradiční ochrana před bleskem v podobě lopatky se spoléhá na kovovou bleskojistku na špičce lopatky. Hlavní těleso lopatky je však vyrobeno z izolačních kompozitních materiálů. Při úderu blesku proud pravděpodobně vytvoří uvnitř „krokové napětí“, které může narušit strukturu lopatky nebo spálit vnitřní obvod. Měděná expandovaná síťovina (obvykle jemná měděná tkaná síťovina, připevněná k vnitřní stěně lopatky nebo zabudovaná do vrstvy kompozitního materiálu) může uvnitř lopatky vytvořit souvislou vodivou síť. Rovnoměrně vede bleskový proud přijatý bleskojistkou na špičce lopatky k uzemňovacímu systému v patě lopatky, čímž zabraňuje koncentraci proudu, která by mohla lopatku poškodit. Zároveň chrání vnitřní senzory (jako jsou senzory napětí a teplotní senzory) před poškozením bleskem.

1.1.2 Snížení rizika jisker způsobených bleskem

Měď má vynikající elektrickou vodivost (s rezistivitou pouze 1,72×10⁻⁸Ω・m, což je mnohem méně než u hliníku a železa). Dokáže rychle vést bleskový proud, omezit jiskry s vysokou teplotou generované proudem procházejícím uvnitř lopatky, zabránit vznícení kompozitních materiálů lopatky (některé kompozitní materiály na bázi pryskyřice jsou hořlavé) a snížit bezpečnostní riziko spálení lopatky.

1.2 Monitorování stavu konstrukce: Slouží jako „snímací elektroda“ nebo „nosič signálu“

1.2.1 Pomoc při přenosu signálu vestavěných senzorů

Moderní lopatky větrných turbín musí v reálném čase monitorovat svou vlastní deformaci, vibrace, teplotu a další parametry, aby se zjistilo, zda se na nich vyskytují praskliny a únavová poškození. Uvnitř lopatek je implantováno velké množství mikrosenzorů. Měděná expandovaná síťovina může být použita jako „vodič přenosu signálu“ senzorů. Nízký odpor měděné sítě snižuje útlum monitorovacích signálů během přenosu na velké vzdálenosti, což zajišťuje, že monitorovací systém v kořeni lopatky může přesně přijímat data o stavu špičky lopatky a těla lopatky. Zároveň síťová struktura měděné sítě může se senzory tvořit „distribuovanou monitorovací síť“, která pokrývá celou plochu lopatky a zabraňuje monitorovacím slepým místům.

1.2.2 Zlepšení antistatických vlastností kompozitních materiálů

Když se lopatka otáčí vysokou rychlostí, tře se o vzduch a vytváří statickou elektřinu. Pokud se nahromadí příliš mnoho statické elektřiny, může to rušit signály vnitřních senzorů nebo poškodit elektronické součástky. Vodivá vlastnost měděné expandované sítě může v reálném čase vést statickou elektřinu do uzemňovacího systému, čímž udržuje elektrostatickou rovnováhu uvnitř lopatky a zajišťuje stabilní provoz monitorovacího systému a řídicího obvodu.

2. Solární fotovoltaické moduly (čepelovité struktury): Klíčové role měděné expandované sítě – vodivost a optimalizace účinnosti výroby energie

V některých solárních fotovoltaických zařízeních (jako jsou flexibilní fotovoltaické panely a „čepelovité“ energetické jednotky z fotovoltaických dlaždic) se měděná expandovaná síťovina používá hlavně k nahrazení nebo podpoře tradičních stříbrných pastových elektrod, čímž se zlepšuje účinnost vodivosti a strukturální trvanlivost. Konkrétní role jsou následující:

2.1 Zlepšení účinnosti sběru a přenosu proudu

2.1.1 „Nejlevnější vodivé řešení“ nahrazující tradiční stříbrnou pastu

Jádrem fotovoltaických modulů je krystalický křemíkový článek. Pro sběr fotogenerovaného proudu generovaného článkem jsou potřeba elektrody. Tradiční elektrody většinou používají stříbrnou pastu (která má dobrou vodivost, ale je extrémně drahá). Měděná expandovaná síťovina (s vodivostí blízkou vodivosti stříbra a cenou pouze asi 1/50 ceny stříbra) může pokrýt povrch článku prostřednictvím „mřížkové struktury“ a vytvořit tak efektivní síť pro sběr proudu. Mřížkové mezery měděné sítě umožňují normální pronikání světla (aniž by blokovaly oblast článku pro příjem světla) a zároveň mřížkové čáry mohou rychle sbírat proud rozptýlený v různých částech článku, čímž se snižuje „ztráta sériového odporu“ během přenosu proudu a zlepšuje se celková účinnost výroby energie fotovoltaickým modulem.

2.1.2 Přizpůsobení požadavkům na deformaci flexibilních fotovoltaických modulů

Flexibilní fotovoltaické panely (například ty, které se používají v zakřivených střechách a přenosných zařízeních) musí mít ohýbatelné vlastnosti. Tradiční stříbrné pastové elektrody (které jsou křehké a při ohýbání se snadno zlomí) nelze adaptovat. Měděná síťovina má však dobrou flexibilitu a tažnost, takže se může ohýbat synchronně s flexibilním článkem. Po ohnutí si stále zachovává stabilní vodivost, čímž se zabrání selhání výroby energie způsobenému zlomením elektrody.

2.2 Zvýšení strukturální odolnosti fotovoltaických modulů

2.2.1 Odolnost proti korozi vlivů prostředí a mechanickému poškození

Fotovoltaické moduly jsou dlouhodobě vystaveny venkovnímu prostředí (větru, dešti, vysokým teplotám a vysoké vlhkosti). Tradiční stříbrné pastové elektrody snadno korodují v důsledku koroze vlivem vodní páry a soli (v pobřežních oblastech), což vede ke snížení vodivosti. Měděná síťovina může dále zlepšit svou odolnost proti korozi povrchovým pokovováním (například cínováním a niklováním). Zároveň síťová struktura měděné síťoviny dokáže rozptýlit namáhání vnějších mechanických nárazů (například kroupy a nárazy písku), čímž zabrání prasknutí článku v důsledku nadměrného lokálního namáhání a prodlouží životnost fotovoltaického modulu.

2.2.2 Pomoc při odvodu tepla a snižování teplotních ztrát

Fotovoltaické moduly během provozu generují teplo v důsledku absorpce světla. Příliš vysoké teploty vedou ke „ztrátě teplotního koeficientu“ (účinnost výroby energie krystalických křemíkových článků se snižuje přibližně o 0,4 % – 0,5 % na každý 1 °C zvýšení teploty). Měď má vynikající tepelnou vodivost (s tepelnou vodivostí 401 W/(m・K), mnohem vyšší než u stříbrné pasty). Měděná expandovaná síťovina může být použita jako „kanál pro odvod tepla“ pro rychlé odvedení tepla generovaného článkem na povrch modulu a odvedení tepla konvekcí vzduchu, čímž se snižuje provozní teplota modulu a snižuje se ztráta účinnosti způsobená teplotní ztrátou.

3. Hlavní důvody pro výběr „měděného materiálu“ pro měděnou expandovanou síťovinu: Přizpůsobení se výkonnostním požadavkům lopatek pro výrobu energie

Lopatky pro výrobu energie mají přísné výkonnostní požadavky na měděnou expandovanou síťovinu a inherentní vlastnosti mědi tyto požadavky dokonale splňují. Konkrétní výhody jsou uvedeny v následující tabulce:

Závěrem lze říci, že měděná expandovaná síťovina v lopatkách pro výrobu energie není „univerzální součástí“, ale hraje cílenou roli v závislosti na typu zařízení (větrná energie/fotovoltaika). U lopatek větrných turbín se zaměřuje na „ochranu před bleskem + monitorování stavu“, aby byl zajištěn bezpečný provoz zařízení; u fotovoltaických modulů se zaměřuje na „vysoce účinnou vodivost + strukturální odolnost“, aby se zlepšila účinnost výroby energie a životnost. Podstata jejích funkcí se točí kolem tří hlavních cílů: „zajištění bezpečnosti, stability a vysoké účinnosti zařízení pro výrobu energie“ a vlastnosti měděného materiálu jsou klíčovou oporou pro realizaci těchto funkcí.