Vaskvõrgu roll elektritootmise labades

Elektritootmise labades kasutatav vaskvõrk (tavaliselt viitab see tuuleturbiini labadele või päikesepaneelide moodulite labataolistele struktuuridele) mängib olulist rolli elektrijuhtivuse tagamisel, struktuuri stabiilsuse parandamisel ja elektritootmise efektiivsuse optimeerimisel. Selle funktsioone tuleb üksikasjalikult analüüsida, lähtudes elektritootmisseadme tüübist (tuuleenergia/fotogalvaanika). Järgnev on stsenaariumispetsiifiline tõlgendus:

1. Tuuleturbiini labad: vaskvõrgu põhirollid – piksekaitse ja konstruktsioonide jälgimine

Tuuleturbiinide labad (enamasti valmistatud klaaskiust/süsinikkiust komposiitmaterjalidest, mille pikkus on kuni kümneid meetreid) on komponendid, mis on suurel kõrgusel välgulöökidele vastuvõtlikud. Sellisel juhul täidab vaskvõrk peamiselt kahetist funktsiooni: „piksekaitse“ ja „seisundi jälgimine“. Konkreetsed rollid jagunevad järgmiselt:

1.1 Pikselöögi kaitse: piksekahjustuste vältimiseks tera sisse „juhtiva tee” loomine

1.1.1 Traditsiooniliste metallpiksevardade lokaalse kaitse asendamine

Traditsiooniline tera piksekaitse tugineb tera otsas asuvale metallist piksepiirikule. Tera põhiosa on aga valmistatud isoleerivatest komposiitmaterjalidest. Pikselöögi korral võib vool tekitada tera sisse "astmelise pinge", mis võib tera konstruktsiooni purustada või sisemise vooluringi läbi põletada. Vaskvõrk (tavaliselt peen vaskvõrk, mis on kinnitatud tera siseseinale või põimitud komposiitmaterjali kihti) võib tera sisse moodustada pideva juhtiva võrgu. See juhib tera otsapiirikusse jõudva välguvoolu ühtlaselt tera juure maandussüsteemi, vältides voolu kontsentratsiooni, mis võib tera purustada. Samal ajal kaitseb see sisemisi andureid (näiteks pingeandureid ja temperatuuriandureid) piksekahjustuste eest.

1.1.2 Pikselöögist põhjustatud sädemete ohu vähendamine

Vasel on suurepärane elektrijuhtivus (takistus on vaid 1,72 × 10⁻⁸Ω・m, palju madalam kui alumiiniumil ja raual). See juhib välguvoolu kiiresti, vähendab tera sees püsinud voolu tekitatud kõrgel temperatuuril tekkivaid sädemeid, hoiab ära tera komposiitmaterjalide süttimise (mõned vaigupõhised komposiitmaterjalid on tuleohtlikud) ja vähendab tera põlemisest tulenevat ohutusriski.

1.2 Struktuurilise seisundi jälgimine: toimib „andurielektroodina” või „signaaliülekandekandjana”

1.2.1 Sisseehitatud andurite signaaliülekande abistamine

Kaasaegsed tuuleturbiinilabad peavad reaalajas jälgima oma deformatsiooni, vibratsiooni, temperatuuri ja muid parameetreid, et teha kindlaks, kas esineb pragusid ja väsimuskahjustusi. Labade sisse on implanteeritud suur hulk mikrosensoreid. Vaskvõrku saab kasutada andurite "signaaliülekandeliinina". Vaskvõrgu madal takistus vähendab jälgimissignaalide sumbumist pikamaaülekande ajal, tagades, et laba juures olev jälgimissüsteem saab täpselt vastu võtta laba otsa ja laba korpuse terviseandmeid. Samal ajal saab vaskvõrgu struktuur moodustada anduritega "hajutatud jälgimisvõrgu", mis katab kogu laba ala ja väldib jälgimise pimealasid.

1.2.2 Komposiitmaterjalide antistaatilise võime suurendamine

Kui laba pöörleb suurel kiirusel, hõõrub see õhu vastu, tekitades staatilist elektrit. Kui staatilist elektrit koguneb liiga palju, võib see häirida sisemiste andurite signaale või rikkuda elektroonikakomponente. Vaskvõrgu juhtivus suudab staatilist elektrit reaalajas maandussüsteemi juhtida, säilitades laba sees elektrostaatilise tasakaalu ja tagades jälgimissüsteemi ja juhtimisahela stabiilse töö.

2. Päikesepaneelide moodulid (labakujulised struktuurid): vaskvõrgu põhirollid – juhtivus ja energiatootmise efektiivsuse optimeerimine

Mõnedes päikesepaneelide seadmetes (näiteks painduvates fotogalvaanilistes paneelides ja fotogalvaaniliste plaatide „labakujulistes” energiatootmisüksustes) kasutatakse vaskvõrku peamiselt traditsiooniliste hõbepastaelektroodide asendamiseks või abistamiseks, parandades juhtivuse efektiivsust ja konstruktsiooni vastupidavust. Konkreetsed rollid on järgmised:

2.1 Voolu kogumise ja edastamise efektiivsuse parandamine

2.1.1 Traditsioonilise hõbepasta asendav „odava hinnaga juhtiv lahendus”

Fotogalvaaniliste moodulite tuum on kristallilisest ränist element. Elektroodid on vajalikud elemendi tekitatud fotogenereeritud voolu kogumiseks. Traditsioonilistes elektroodides kasutatakse enamasti hõbepastat (millel on hea juhtivus, kuid mis on äärmiselt kallis). Vaskvõrk (mille juhtivus on lähedane hõbeda omale ja mille hind on vaid umbes 1/50 hõbeda omast) võib katta elemendi pinna "võrestruktuuri" abil, moodustades tõhusa voolukogumisvõrgu. Vaskvõrgu võreavahed lasevad valgusel normaalselt läbi tungida (ilma elemendi valgust vastuvõtvat ala blokeerimata) ja samal ajal saavad võrejooned kiiresti koguda elemendi erinevates osades hajutatud voolu, vähendades vooluülekande ajal tekkivat "järjestikuse takistuse kadu" ja parandades fotogalvaanilise mooduli üldist energiatootmise efektiivsust.

2.1.2 Paindlike fotogalvaaniliste moodulite deformatsiooninõuetega kohanemine

Paindlikud fotogalvaanilised paneelid (näiteks need, mida kasutatakse kõverate katuste ja kaasaskantavate seadmete puhul) peavad olema painduvusomadustega. Traditsioonilised hõbepastaelektroodid (mis on haprad ja painutamisel kergesti purunevad) ei ole kohandatavad. Vaskvõrgul on aga hea painduvus ja venivus ning see suudab painduva elemendiga sünkroonselt painduda. Pärast painutamist säilitab see siiski stabiilse juhtivuse, vältides elektroodi purunemisest tingitud elektrikatkestusi.

2.2 Fotogalvaaniliste moodulite konstruktsiooni vastupidavuse suurendamine

2.2.1 Keskkonnakorrosioonile ja mehaanilistele kahjustustele vastupidavus

Fotogalvaanilised moodulid puutuvad pikka aega kokku välistingimustega (tuule, vihma, kõrge temperatuuri ja kõrge õhuniiskusega). Traditsioonilised hõbepastaelektroodid korrodeeruvad kergesti veeauru ja soola (rannikualadel) tõttu, mille tulemuseks on juhtivuse vähenemine. Vaskvõrgu korrosioonikindlust saab veelgi parandada pinnakattega (näiteks tinatamise ja nikeldamise) abil. Samal ajal suudab vaskvõrgu struktuur hajutada väliste mehaaniliste mõjude (näiteks rahe ja liiva löögi) pinget, vältides elemendi purunemist liigse lokaalse pinge tõttu ja pikendades fotogalvaanilise mooduli kasutusiga.

2.2.2 Soojuse hajumise abistamine ja temperatuurikadude vähendamine

Fotogalvaanilised moodulid tekitavad töötamise ajal valguse neeldumise tõttu soojust. Liiga kõrged temperatuurid põhjustavad „temperatuurikoefitsiendi kadu“ (kristallilise räni elementide energiatootmise efektiivsus väheneb iga 1 ℃ temperatuuri tõusu kohta umbes 0,4–0,5%). Vasel on suurepärane soojusjuhtivus (soojusjuhtivusega 401 W/(m・K), palju kõrgem kui hõbepastal). Vaskvõrku saab kasutada „soojuse hajumise kanalina“, et juhtida elemendi tekitatud soojus kiiresti mooduli pinnale ja hajutada soojust õhukonvektsiooni teel, vähendades mooduli töötemperatuuri ja vähendades temperatuurikaotusest tingitud efektiivsuskadu.

3. Vaskmaterjali valimise peamised põhjused vaskvõrgu jaoks: kohandamine elektritootmislabade jõudlusnõuetega

Elektrigeneraatorite labadel on vaskvõrgust laiendatud võrgule ranged jõudlusnõuded ja vase omadused vastavad neile nõuetele ideaalselt. Konkreetsed eelised on toodud järgmises tabelis:

Kokkuvõtteks võib öelda, et elektritootmislabades kasutatav vaskvõrk ei ole „universaalne komponent“, vaid sellel on seadme tüübist (tuuleenergia/fotogalvaanika) olenevalt sihipärane roll. Tuuleturbiinilabade puhul keskendub see „piksekaitsele + tervise jälgimisele“, et tagada seadmete ohutu töö; fotogalvaaniliste moodulite puhul keskendub see „kõrge efektiivsusega juhtivusele + konstruktsiooni vastupidavusele“, et parandada elektritootmise efektiivsust ja kasutusiga. Selle funktsioonide põhiolemus keerleb ümber kolme põhieesmärgi: „tagada elektritootmisseadmete ohutus, stabiilsus ja kõrge efektiivsus“ ning vaskmaterjali omadused on nende funktsioonide realiseerimise peamiseks toeks.