התפקיד של חומרים מתקדמים בהפצת אובדן חשמל בקווי חשמל

הבנת אובדן חשמל בקווי חשמל

הפסדים חשמליים בקווי חשמל הם אתגר בסיסי בתמסורת אנרגיה, חשבונאות עבור כ 5 עד 10% של חשמל המיוצר ברחבי העולם.הפסדים אלה נובעים מתופעות פיזיות מרובות, עם הפסדים מנוגדים (I2R) להיות הדומיננטי ביותר. כאשר זרם זרם דרך מנצח, אלקטרונים מתנגשים עם רטטים של אטומיים, המרת אנרגיה חשמלית לתוך חום.ההפסד הוא פרופורציה של ההתנגדות הנוכחית והנוכחית של המוליכים, כלומר, אפילו ירידה משמעותית ברמות ההתנגדות הנוכחית של עמידות גבוהה בעצימות באפקטיביות הנוכחית.

מעבר להתחממות התנגדות, אפקט העור הופך משמעותי בתדרים גבוהים יותר או במוליכים גדולים: שינוי הזרם נוטה לזרום ליד פני השטח, עלייה יעילה של התנגדות קורונה, המתרחש כאשר השדה החשמלי סביב מנצח מארגן אוויר, גורם גם אובדן אנרגיה וגם רעש חד משמעי, במיוחד במתחים גבוהים מעל 230 ליטרים של חומרים, מכווצים זרם מגנטיים וגרם לצריכת דלקים ארוכים רק כדי להפחית את הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הלחצים הכלכליים.

חומרי מנצחת, בעודם מוכחים ויעילים, יש גבולות פיזיים טעונים גבוהה, אבל הוא צפוף ויקר, מה שהופך אותו לא כלכלי עבור אורכו של אורכו.אלומיניום, עם כ 61% מההתנהגות של נחושת לסעיף אבל רק 30% של משקלו, הוא תקן עבור קווי מעל פני השטח.עם זאת, הכוח התחתון של אלומיניום דורש ליבה של פלדה-inforces (AC) כדי להתמודד עם עומסי של חומרים מכניים מתקדמים יותר מאשר מכשולים של תפקודים.

חומרים מוליכים ומגבלותיהם

במשך יותר ממאה שנים, קווי השידור התבססו על שתי מתכות עיקריות: נחושת ואלומיניום. קופר מוליכות יוצאת דופן (5.96 × 107 S/m ב-20 מעלות צלזיוס) הופכת אותו אידיאלי עבור יישומים מיוחדים כמו כבלים תת-קרקעיים ואוטובוסים, אבל העלות החומרית הגבוהה שלו והגבלת משקל נרחב יותר על פני השטח (50 × 107/m) היא עמוד השדרה של גבוה, בדרך כלל, מתגבש חום, חום, בעוד שברשות פלדה, מחזיק את האלומיניום הנוכחי.

מגבלה נוספת היא מצמרר – ההארכה ההדרגתית של אלומיניום תחת מתח מתמשך.לאורך זמן, מצמרר מקטין את המתח וההבהרה של המנצח מקרקע, הגדלת הסיכונים הבטיחות ודורש תחזוקה יקרה.ההתרחבות הארומית משתבשת בין פלדה לאלומיניום עלולה גם לגרום ללחץ פנימי ומיקרו-cracking.יתר על מנת להגביל את הטמפרטורה התפעולית של מוליכים אלומיניום קונבנציונליים הוא סביב 90–100 מעלות צלזיוס, מעל לשחיקה, אשר יכול גם לטמפרטורות גבוהות יותר, אשר יכולות לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר.

אפילו המוליכים הקונבנציונליים הטובים ביותר חווים הפסדים מנוגדים שיכולים להגיע 2–4% ל-100 ק"מ של קו שידור של 1,000 ק"מ, זה 20–40% אנרגיה מתפזרת כחום.התתת מקורות אנרגיה מתחדשים לעתים קרובות דורש כוח נעים מאזורים מרוחקים לטעון מרכזי מרחקים גדולים.ללא פריצות דרך יעילות מוליך, אובדן קו הופך לנטל כלכלי חמור וחסכוני.

חומרים מתקדמים להפחתה

Superconductors (HTS)

מוליכים סופר-טמפרטורה גבוהה הם בין החומרים המבטיחים ביותר עבור ליד אפס אובדן חשמל שידור.גלו ב-1986, תרכובות כגון YBCO (התחמוצת ברזל ברויום נחושת) ו BSCCO (BSCCO (BSCCO) (Bsmuth סטרנטיום סידן נחושת חד-חמצני) מציגות אפס התנגדות חשמלית בטמפרטורות מעל נקודה מרתיחה של חנקן נוזלי (K).

בפועל, כבלי כוח HTS מורכבים ממספר שכבות: ליבה של קלטות סופר-מוליכים, מערכת בידוד דיאלקטרי ניו יורק, ערוץ חנקן נוזלי לקירור, ומעיל בידוד תרמי למזער חום בתוקפנות.הדחיסות הנוכחית הקריטית של קלטות HTS מודרנית מאמתה יותר מ-1,000 / 2, המאפשרת לשאת שלוש עד עשר פעמים את הכוח של כבלים קונבנציונליים של אותה צומת דרכים, כולל , לדוגמה, קיבולת של קיבולת של 30 מעלות צלזיוס, כולל , כולל קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של 30.

חיסול של הפסדים מנוגדים הוא היתרון הכותרת, אבל כבלי HTS גם להפחית את אובדן כוח תגובתי ויכולים לעזור לייצב מתח רשת בשל תכונותיהם המעמיקות.הם הם חסרי סובלנות מטבע: אם הזרם עולה על הגבול הקריטי, המעבר החומרי למצב התנגדות (כמו גם לחץ כימי) כי מגבילים את זרמי השבר ללא פגיעה בכבל.

פחמן ננופס וגביע

צינורות פחמן (CNTs) ו גרפן מושכים עניין אינטנסיבי בגלל המאפיינים החשמליים והמכניים יוצאי הדופן שלהם. nanotubes פחמן חד-בסיסי יחיד יכול לשאת באופן תיאורטי את המשקעים הנוכחיים עד 1000 פעמים גבוה יותר מאשר נחושת, בעוד שהם רק אחד-שישה המשקל שלהם.

מימוש מעשי של CNT מוליך היה מאתגר. nanotube בודדים חייב להיות מקבץ לתוך כבלים מאקרוסקופיים או חוטים.זה לעתים קרובות תוצאה של התנגדות מגע בין-tube גבוהה כי מדרגות את ההתנהלות הכוללת.עם זאת, ההתקדמות האחרונה בשיטות ייבוש-Spining מדחיסות ספציפית CNT מייצרת סיבים רצופים 106 / m - דומה מתכות על בסיס משקל 1.2 / ננומטרה של פחמן / , 000 מוליכים קדימה , 000 , 000 מוליכים , 000 , 000 מוליכים מוליכים מוליכים מוליכים מוליכים מוליכים , 000 , 000 מוליכים מוליכים .

Graphene, שכבת פחמן חד-אטומית, מראה אפילו ניידות גבוהה יותר (200,000 ס"מ2 / V)) השימוש שלה בכבלי חשמל הוא עדיין nascent, אם כי המוליכים המורכבים מבוססי גרפן הופקו על ידי הוספת כמויות קטנות של גרפים לייצור גרפים כדי נחושת או אלומיניום.הגרף לספק מסלולים נוספים להפחית את הגבול דגנים, לפזר את הגדלות גבוהה יותר של גרפים על ידי גרפים באיכות גבוהה יותר, כולל 10 אחוזים של גרפים.

אלומיניום מתקדם Alloys

לא כל החומרים המתקדמים דורשים כימיה אקזוטית.שיפור ⁇ אלומיניום הגבירו בהתמדה את ההתנהלות והעוצמה של מולטי מולף (99.5% טהור) יש מוליכות של כ-61.2% IACS (International Annealed Copper Standard Standard) על ידי הוספת כמויות קטנות של zaconium, ברזל, או אלמנטים נדירים של אדמה, ⁇ s כמו AL3 (Al-Zr) להשיג יציבות תרמית עד 210 מעלות צלזיוס ביעילות, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר ויותר, 000 יעיל יותר ויותר, 000 יעיל יותר ויותר, 000 יעיל יותר ויותר יעיל יותר ויותר, 000 סגסוגת של מגנטיות (C) עבור פונקציות אלה פועל על ידי פונקציות ליבות רגיל (p) עם סגסוגת של מגנטיות גבוהה יותר ויותר מורכב יותר ויותר מורכב יותר ויותר מורכב יותר ויותר יעיל יותר ויותר) עבור מגנטיות (p) עבור מגנטיות גבוהה יותר ויותר יעיל יותר ויותר מורכב יותר ויותר יעיל יותר ויותר יעיל יותר ויותר יעיל יותר ויותר יעיל יותר ויותר מורכב יותר ויותר מורכב יותר ויותר מורכב יותר ויותר מורכב יותר ויותר נמוך של מגנטיות (p) עבור סגסוגת של מגנטיתיקים (p) עבור סגסוגת של מגנטיות (LS) עבור סגסוגת של מגנטיות צלזיוס) עבור מגנטיות (p

משפחה נוספת, 6000 סגסוגת סדרה (אל-מאג-סי), מציעים כוח גבוה (עד 300 MPa) אבל מוליכות נמוכה (כ 53% IACS) עם זאת, טיפולים תרמו-מכאניים יכולים לשפר את ההתנהגויות ללא כוח הקרבה.המפתח הוא להדוף הפסדיכימות גבוהות של חלקיקים Mg2Si אשר מחזקים את המבנה תוך השארת אלומיניום ממטרה יחסית, אם כי הם מאפשרים מעברים גבוהים יותר של שטח מכניים של 62% משטחים גבוהים יותר של שטח בינוניים של שטח בינוניים, אם כי הם נמצאים במרחק של אלומיניום גבוה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, אם כי הם בעלי טווח גבוה יותר, אם כי הם נמצאים במרחק של 2, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת של שטח אלומיניום, עם סגסוגת גבוהה יותר, עם סגסוגת של שטח של שטח של שטח של 3502S, עם סגסוגת גבוהה יותר, 000 גבוה יותר, 000 אלומיניום, 000 דונם של שטח אלומיניום, 000 סגסוגת

Metal Matrix Composites ו-Nanocomposites

שילוב מתכות עם קרמיקה או פחמן חיזוקים מניבים מוליכים מורכבים המציעים תכונות ייחודיות.דוגמה אחת זמינה מסחרית היא פלדה-מכוד אלומיניום-החלד (ACSR / TW) עם חוטים מלכודקלידיים, אשר אורז חומר מוליכים יותר לתוך קוטר נתון. יותר מתקדם הם מברק מתכת מורכב (MMCs) שבו אלומיניום הוא מחדור לתוך preform של סיבים גבוהים של סיבים מתקדמים כגון סיליקון C פועל יותר כמו סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון עופרת סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון עופרת עופרת סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון אטומי עופרת טוב יותר עופרת , 000 עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת אטומית , 000 עופרת עופרת עופרת , 000 עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת טובה יותר סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון

תרכובות מבוססות קופר המשלבות צינורות פחמן או גרפן נחקרות כדי להתגבר על המשקל הכבד ועלות גבוהה של נחושת טהורה. Copper-CNT מורכב על ידי אלקטרודה או ניצוץ פלזמה מחטא מראה 20-40% גבוה יותר מאשר נחושת טהורה בשל היערכות מועדפת של CNTs וצמצום עמידות הגבול. בנוסף, CNTs משפר התנהגות תרמית, ומאפשר את המוליכים במהירות גבוהה יותר, אך ורק כדי להיות מתקדמים יותר, אך ורק לתקני חום, כך, כך, כמו שיפור גבוה יותר, אך ורק לתפקוד גבוה יותר.

Ceramic and Composite Insulators

בעוד תשומת לב רבה מתמקדת במוליכים, צמצום ההפסדים גם מסתמכ על שיפור בידוד. porcelain המסורתית או זכוכית insulators יכול לפתח זרמי דליפות עקב זיהום, לחות, משטח סדקing. Composite insulators שנעשו מסיליקון גומי או epoxy פולימרים לשפוך עם מסגרת הגנה גבוהה יותר, 000 עמידת גומי חזק יותר יש תכונות הידרופוביות מעולה, צמצום פני השטח רטובה וסיכון נוסף.

השפעה על כוח Transmission Efficiency

שילוב של חומרים מתקדמים לרשתות חשמל מניב שיפורים ניכרים ביעילות שידור.לדוגמה, רטרופיכת קו 230 kV קיים עם HT LS אלומיניום-zirconium מוליך יכול להגדיל את האמפיריות ב 50-100% תוך צמצום הפסדי I2R על ידי 15 עד 41% באותו עומס הנוכחי. מעל 100 ק"מ נושאת 1,000 A, המתורגמת לחיסכון שנתי של כמה מיליוני קילו-בייט, לא יכול להפחית את ה- 10.

מולטי פחמן מבוססי צינורות, למרות עדיין בשלב המעבדה, יש פוטנציאל תיאורטי לקצץ הפסדים על ידי יותר מ-50% בהשוואה נחושת ביישומים עתירי משקל גבוה, משקלם הנמוך מאפשר גם טווחים ארוכים יותר בין מגדלים, צמצום יסודות ועלויות ימין של כבישים.בכבלי ייצוא רוח offshore, שבו משקל וירידה הם קריטיים, מנצח CNT-composite יכול לשדר כוח עם 30% פחות התנגדות והפסדים מתקדמים יותר של רשתות אורת תאים סטנדרטיים מתקדמים, אך לא בוצעו במעבדות ברמה גבוהה יותר.

⁇ מתקדמות כבר יש שיא מוכח של מסלולים ביפן, ארצות הברית, ובאירופה יש להתקין מאות קילומטרים של HTLS מולטי HTLS (למשל, ACCR, ACSS) על קווים מחוסנים, השגת שדרוגים קיבולת ללא מגדלי חדש.המצמצמצומצם נמוך יותר בטמפרטורה גבוהה משפרת את הנקה, צמצום הפסדי קורונה והתערבות.

אתגרים וסיכויים עתידיים

למרות ההבטחה שלהם, חומרים מתקדמים עומדים בפני מכשולים משמעותיים לפרריסה נרחבת.מוליכים על-טבעיים בטמפרטורה גבוהה דורשים קירור מתמשך 77 K, דורש מערכות קירור Cryogenic כי לצרוך כוח ולהוסיף עלויות תחזוקה עבור משאבות ו ניטור.עבור כבל 1 ק"מ HTS, ראש מבועת יכול להסתלק 20-30% של חיסכון האובדן הנגדי.

פחמן nanotube ומוליכים גרפן מתמודדים עם קשיים בסינטתזות דרוגנית. שיטות הייצור הנוכחיות מניבות סיבים עם מוליכות רק 5-15% של מקסימום תיאורטי עקב פגמים, זיהומים, קשרים בין רשתות עניות של סיבוב תעשייתי של CNT yarn מתמשך נשאר יקר, עלות בערך 500-1000 ל- גרם.

⁇ אלומיניום מתקדם ומטאפורות מתכת הם יותר בוגר אבל עדיין פנים עלות פרמיות עלות.אל3-type HTLS מולות 2-3 פעמים יותר מטר מאשר ACSR קונבנציונלי. עבור שירותים רבים, המקרה העסקי תלוי להימנע מבנייה חדשה או deferring substation שדרוגים. מחזור חיים ניתוח מראה כי יכולת מוגבלת, פרמיה הוא לעתים קרובות התאושש בתוך 2-5 שנים מוכר על ידי אובדן כוח איטי, למרות זאת, עם זאת, עם זאת, על ידי ירידה של חומרים איטי של אובדן איכות חיים.

מחזור וסילוק חיים גם משנה. Copper ואלומיניום הם מאוד מיחזור, אבל מורכב כי לערבב מתכות עם קרמיקה או סיבי פחמן קשה להפריד. Superconductors מכילים אלמנטים נדירים של אדמה כמו ytrium ו barium, אשר יש עלויות סביבתיות בכריית. Efforts כדי לשחזר את קלטות HTS הם בדרך אך עדיין לא מסחרי עבור כל החומרים האלה, שילוב עם תשתיות קיימות, יש צורך למערכות הגנה סטנדרטיות, הגנה סטנדרטית, מערכות הגנה סטנדרטיות.

למרות האתגרים הללו, תכנית הפיתוח המתקדמת של החברה חיובית.ממשלה ותעשייה למחקר מוליכים מתקדם גדלה.תוכנית הפיתוח המתקדמת של משרד האנרגיה של מחלקת האנרגיה של החברה כוללת מענקים ספציפיים לכבלי חשמל מורכבים ומוליכים מבוססי פחמן.תוכנית Horizon אירופה של הנציבות האירופית מממנת פרויקטים כמו SUPERTAPE ו- CONDUCT-CX לפיתוח חומרים מתקדמים, כגון תוכנית השידור המתקדמת של PowerHDC, אשר מספקת את המוצרים מתקדמים (המרכזים מתקדמים) של חברת פיתוח חומרים מתקדמים של חברת פיתוח ביצועים מתקדמים של חברת החשמל (RDC) ו-HDC) ו-CX-CX לפיתוח חומרים מתקדמים (RDC) ו-CX לפיתוח חומרים מתקדמים, אשר מספקים, אשר מספקים, כמו תוכנית הפיתוח של ניהול חומרים מתקדמים של ניהול חומרים מתקדמים של ניהול חומרים מתקדמים של ניהול חומרים מתקדמים (RDC, אשר מספקים, אשר מספקים, כגון תוכניות מחקר מתקדם של ניהול ביצועים מתקדמים של טכנולוגיות מתקדמות של טכנולוגיות מתקדמות של ניהול ביצועים מתקדמים של ניהול ביצועים מתקדמים (RDC) ו-CX (RDC, אשר מספקים, אשר מספקים, אשר ממימון מתקדם של טכנולוגיות מתקדמות של ניהול חומרים מתקדמים של טכנולוגיות מתקדמות של ניהול ביצועים מתקדמים של מערכות הפעלה מתקדמת של ניהול ביצועים מתקדמים של מערכות הפעלה מתקדמת של ניהול ביצועים מתקדמים של ניהול ביצועים מתקדמים של חברת פיתוח טכנולוגיות מתקדמות

במבט קדימה, אנו יכולים לצפות מערכות היברידיות המשלבות חומרים מתקדמים רבים: אלומיניום-CNT מורכב עבור מולכים מעל פני הראש, כבלי HTS עבור עזיבה של מזון תת-קרקעי, ו instoators insulators קרמיקה-composite כדי להפחית את הדליפה. Machine Learning and Computingal Materialss מדע הם מאיץ גילוי של ⁇ חדשים ותרכובות על-עליות גבוהה מזוהה כמה חדש ללא פגע, אך ורקמות חשמליות גבוהה עם ירידה משמעותית, עם כוח שלילי, עם סגסוגת חשמל סגסוגת גבוהה חסכונית אפסית, אך ורקמות, אך ורקמות גבוהה סגסוגת חשמל חסכונית אפסית, אך ורק עם סגסוגת ללא שינוי יעיל של חשמל סגסוגת ללא ספק חסכונית גבוהה , עם סגסוגת גבוהה סגסוגת ללא ספק חסכונית גבוהה סגסוגת ללא ספק , עם סגסוגת ללא השפעה חסכונית גבוהה חסכונית, עם , עם חסכונית גבוהה , עם סגסוגת חשמל סגסוגת ללא צורך גבוה סגסוגת ללא ספק סגסוגת ללא ספק חסכונית גבוהה סגסוגת חשמל סגסוגת ללא ספק סגסוגת ללא צורך גבוה סגסוגת ללא צורך, עם סגסוגת ללא ספק חסכונית גבוהה סגסוגת ללא ספק חסכונית גבוהה סגסוגת ללא ספק

מסקנה

חומרים מתקדמים מוכנים לשחק תפקיד מרכזי בהפחתת אובדן חשמלי בקווי חשמל, ובכך להגדיל את היעילות והקיימות של רשתות חשמל.ממול מוליכים על-טבעיים כי לחסל הפסדים מנוגדים לפחמן צינורות פחמן ושיפור ⁇ אלומיניום כי להעלות את היכולת הנוכחית ולהפחית את הסאג, חידושים אלה להתמודד עם מגבלות ארוכות טווח של מנצחים קונבנציונליים.