חידושים בחומרים מוליכים לצמצום אובדן ההעברה בקווי חשמל

הגדלה צריכה להעברת כוח יעילה

הציוויליזציה המודרנית תלויה במשלוח אמין של חשמל מתחנות כוח לבתים, עסקים ומתקני תעשייה.עם זאת, תהליך זה רחוק מלהיות יעיל לחלוטין.כפי שחשמל זורם דרך קווי שידור, חלק מהאנרגיה מתפזרת כחום בשל ההתנגדות החשמלית הטבועית של חומר המוליכים.התעברה והפצה של כ-6-10% מכלל החשמל שנוצר בעולם, המייצגת מיליארדי דולרים באנרגיה מבוזבזת מדי שנה.

הבנת הפיזיקה של אובדן ההקצאה

כדי להעריך את החשיבות של חידושים בחומרים מוליכים, חיוני להבין את המנגנונים הבסיסיים מאחורי אובדן השידור.מקור עיקרי של פיזור אנרגיה בקווי חשמל הוא FLT:0 Joule חימום irFLT:1, הידוע גם כהתנגדות או הפסד I2R. זה קורה כי כל המוליכים הקונבנציונאליים יש מידה מסוימת של התנגדות חשמלית.

גורמים רבים משפיעים על גודל ההפסדים האלה:

• (ב) [ה]הבאה: [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]]], [ה], [ה], [ה]]]], [ה'], [ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה']'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'['[']'['[ה
• (ב) שטח שטח שטח:0Cross-מחלקה: 1 (FalveLT:1) הגדל את קוטרו של מנצח מקטין את התנגדותו, אך מוסיף משקל ועלויות.
• (ב) ל-0 (ה-Length of the Broadcasting line: FIRLT:1) לקווים ארוכים יותר יש התנגדות כוללת גבוהה יותר, מה שהופך שידור למרחקים ארוכים לאתגר מסוים.
• (FLT:0) תדירות הזרם:FIRLT:1 במערכות AC, אפקט העור גורם לזרם להתמקד ליד פני השטח של המנצח בתדרים גבוהים יותר, ביעילות הגדלת ההתנגדות.
• (ב) טמפרטורות:0 (Operating טמפרטורה: 1) רוב המתכות מציגות התנגדות מוגברת בטמפרטורות גבוהות, יצירת לולאה משוב שיכול להחמיר את ההפסדים תחת עומס כבד.

אסטרטגיות לצמצום ההפסדים, לכן, הן מורידות את ההתנגדות הפנימית של חומר המוליכים, אופטימיזציה לגיאומטריה המנצחת, או חומרים מתפתחים שיכולים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר ללא השפלה משמעותית.

חומרים מוליכים מסורתיים: Capabilities ו- Constraints

במשך יותר ממאה שנה, שני חומרים עיקריים שלטו בעולם של העברת חשמל מעל פני השטח:0copperFLT:1 ו-FLT:2aluminumFLT 3: לכל אחד יש יתרונות נפרדים ומסחריים אשר עיצבו את תפקידם בהתאמה לרשת.

תגית: Copper Conductors

קופר יש את ההתנגדות החשמלית הנמוכה ביותר של כל מתכת משומשת, בערך 1.68 × 10-8 ⁇ m ב 20 מעלות צלזיוס. זה התנהגות מעולה פירושה כי קווי נחושת יכולים לשאת כמות מסוימת של הפסדים מנוגדים נמוכים יותר מאשר קווי אלומיניום של אותו סעיף חוצה-תחילה. קואפר מציע גם חוזק גבוה פי עשרות והתנגדות קורוזיונית מעולה.

אלומיניום

אלומיניום יש התנגדות של כ 2.65 × 10-8 ⁇ m ב 20 מעלות צלזיוס, בערך 60% גבוה יותר מאשר נחושת. כדי להשיג את אותה התנהגות, מנצח אלומיניום חייב להיות שטח חצי שטח גדול יותר 60% מאשר מנצח נחושת.עם זאת, אלומיניום הוא בערך 70% יותר קל מאשר נחושת, מה שהופך את זה הרבה יותר קל לשאת על מגדלי לטווח ארוך.

טכנולוגיות מתקדמות וטכנולוגיות מתקדמות

דור חדש של חומרים מוליכים מתחיל לאתגר את הדומיננטיות של נחושת מסורתית ואלומיניום.החידושים האלה שואפים לדחוף מעבר לגבולות הבסיסיים המוטלים על ידי התנגדות של מתכות טהורות, המציעים את הפוטנציאל להפסדים נמוכים באופן דרמטי, צפיפות נוכחית גבוהה יותר, או לפעול בתנאים קיצוניים.

סופר-מוליכים מתח גבוה

Superconductors מייצגים את היציאה הקיצונית ביותר מטכנולוגיית המוליכים המקובלת.תחת טמפרטורה קריטית, חומרים מסוימים מציגים אפס התנגדות חשמלית, כלומר זרמים נוכחיים ללא אובדן אנרגיה מחום Joule.גילוי של מוליכות סופר-טמפרטורות גבוהות (HTS) בשנות ה-80 העלו את האפשרות של כבלי חשמל מעשיים שיכולים לשאת זרמים עצומים ללא הפסדים מנוגדים.

חומרים מודרניים HTS, כגון FLT:0 , 000 של אלומיניום בריום נחושת חד תחמוצת (YBCO) LT 1 ו FLT:2bismuth סטרינטיום סידן נחושת (BSCCO) MPEGFLT 3, להפוך מוליכים על פני טמפרטורות מעל נקודה רתיחה של חנקן נוזלי (K, או 196C).

אתגרים מרכזיים לאימוץ HTS כוללים את העלות של הקלטת העל-העל עצמה, אשר נשאר גבוה משמעותית מהמוליכים קונבנציונליים, האנרגיה והציוד הדרושים ל קירור מתמשך, ואת הטבע השברירי של חומרים קרמיקה, אשר מסבך ייצור וטיפול.

קידוד NANOtube Conductors

צינורות פחמן (CNTs) הם מולקולות צילינליות המורכבות לחלוטין מאטומי פחמן מסודרים בלחיצות hexagonal.בהתאם ל chirality שלהם, CNTs יכול להתנהג כמו מתכות או מוליכים למחצה. Metallic CNTs להציג תחבורה אלקטרונים בליסטי, כלומר אלקטרונים יכולים לנסוע דרך הצינור ללא פיזור, וכתוצאה מכך מודלים נמוכים מאוד.

מימוש מעשי של המוליכים מבוססי CNT הוכיח מאתגר.שיטות הייצור הנוכחיות מניבות תערובת של ננוtube מתכתי וחצץ למחצה, והשגת ההיערכות והדחיסות הנדרשת בחוט מאקרוסקופ נשאר קשה.עם זאת, התקדמות משמעותית נעשתה. חוקרים הוכיחו סיבי CNT עם מוליכות מתקרבת לזה של נחושת, וכמה חברות פועלות כדי לשיווק חוטים מבוססי CNT עבור איפה משקל קריטי, כמו כלי רכב חשמליים.

גרפן-Enhanced Conductors

Graphene, שכבת פחמן אטומית אחת, יש תכונות אלקטרוניות יוצאות דופן, כולל רבויות נושא כי הרבה מעבר לאלה של כל מתכת.הוספת כמויות קטנות של גרפן לחומרים ניידים מסורתיים צמח כאסטרטגיה מבטיחה לשיפור ביצועים.למשל, גרפן-קופר מורכב יכול להציג התנהגות משופרת וכוח מכני בהשוואה נחושת טהורה, תוך התנגדות גם אלקטרומיקולציה ו- mash; תופעה שמובילה לכישלון מתכתי גבוה מתחת לדחיסות דקה.

מחקרים הראו כי שילוב של מעט כמו 0.1-1.0% גרפן על ידי משקל לתוך ממטריקס נחושת יכול להפחית את התנגדותו של המסובייק על ידי כמה אחוזים. בעוד רווחים אלה עשויים להיראות צנוע, הם מתרגמים לחסכון משמעותי באנרגיה כאשר הם מוחלים על פני אלפי קילומטרים של קווי שידור ברשת לאומית.אתגרים כוללים השגת פיזור אחיד של גרפן בתוך ממטריקס מתכת ושליטה בממשק גרפיט, אשר יכול להציג את הפיזור הזנחה.

Metal Alloys ו-Comosite Conductors

בעוד מתכות טהורות מציעים תכונות צפויות, ⁇ מספקת מסלול להתאים ביצועים עבור יישומי שידור ספציפיים. כמה סגסוגת חדשנית ורכיבים פותחו או נמצאים תחת חקירה פעילה.

(FLT:0) סגסוגת Aluminum-zirconiumסגסוגתssveFLT:1 משמש במוליכים נמוך טמפרהture Low-Sag (HTLS) , המוליכים אלה יכולים לפעול באופן רציף בטמפרטורות של 150-210 מעלות צלזיוס, גבוה משמעותית ממגבלת 75-95 מעלות צלזיוס של ACSR.הטמפרטורה התפעולית הגבוהה יותר מאפשרת למוליכים הנוכחי ללא סורגת יתר, אשר הוא בעל ערך עבור השידור הקיים ללא תחליף גם כן.

(FLT:0) Copper-niobium microcompositesveFLT:1 מיוצרים על ידי עיוות פלסטיק חמור של תערובת נחושת-niobium, וכתוצאה מכך מבנה של filaments niobium קנס מוטבע במריצה נחושת.חומרים אלה משלבים כוח גבוה עם מוליכות מעולה, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים כוח מותקפים ומגנטים גבוהים, בעוד לא כלכלי עבור ביצועים בקנה מידה גדול, הם מפגינים את הפוטנציאל של מוליכים כדי לשפר את המשתנים כדי לשפר את הפוטנציאל של כוח.

פרויקטים אמיתיים ופרויקטי טייס

המעבר ממחקר מעבדה ליישום רשת מעשי הוא צעד קריטי עבור כל טכנולוגיה חדשה של מנצח.כמה פרויקטים בולטים ממחישים את המצב הנוכחי של פריסה.

פרויקט ה-FLT:0(AMPACITY ProjectFLT:1 בניו יורק, הושלם בשנת 2008, היה ההתקנה הראשונה של כבל סופר-מחדש בתעשיית הכלים המסחרית. כבל של 350 מטר עשוי מדור שני HTS החליף שלושה כבלים מלאים שמן קונבנציונליים, הגדלת יכולת הכוח ב-30% תוך צמצום ההפסדים.

בדרום קוריאה, KEPCO (Korea Electric Power Corporation) פיילוט מערכת כבלים 22.9 kV HTS כחלק מיוזמות הרשת החכם שלה.הפרויקט נועד להפגין את האמינות ואת יכולתה הכלכלית של כבלים על-ידי מוליכים-על לרשתות הפצה עירונית.

כמה כלי רכב כבר HTLS מוליך כאמצעי יעיל עבור הגדלת יכולת קו.לא ספק, ה- ACFLT:0 American Electric PowerFLT:1 מערכת השתמשה בליבת מוליד אלומיניום (ACCC) על קווי שידור מרובים. כבל ACCC משתמש הליבה המורכבת פחמן במקום ליבה, צמצום משקל וחבל תרמי תוך מתן טמפרטורה גבוהה יותר.

השלכות כלכליות וסביבתיות

אימוץ חומרים מוליכים מתקדמים יש השלכות כלכליות וסביבתיות ישירות.פחתת אובדן שידור אומר כי פחות חשמל צריך להיות מיוצר כדי לענות על הביקוש נתון, צמצום צריכת דלק פליטות הקשורות פליטות. עבור תחנת כוח טיפוסית של פחם, כל ירידה של נקודות אחוז בהפסדי שידור יכול להפחית פליטות CO2 על ידי מיליוני טונות מדי שנה ברשת גדולה.

מנקודת מבט של תועלת, המקרה העסקי עבור מוליכים מתקדמים תלוי האיזון בין עלויות ייצור גבוהות יותר לבין עלויות ההתקנה ואת החיסכון לטווח ארוך מהפסדים מופחתים וקיבולת מוגברת. במקרים רבים, HTLS מציעים תשלום מהיר יותר מאשר בניית קווי שידור חדשים, כי הם יכולים להיות מותקנים על מגדלים קיימים עם שינויים מינימליים.

אתגרים ומקורות מחקר

למרות התקדמות משמעותית, כמה מכשולים מונעים אימוץ נרחב של חומרים מוליכים מתקדמים.עלויות על טייפ מוליכים על גבי סדר של 50-100 דולר לקילואמפ-מטר, בהשוואה ל-5-10 דולר ל-Kloamp-meter עבור תהליכי ייצור קונבנציונליים של CNT ו-Gemenes עדיין לא בוגרים מספיק כדי להשיג את השילוב של ביצועים גבוהים ועלויות נמוכות הנדרשת עבור פריסה בקנה מידה רשת.

אמינות וארוכותיות הן גם חששות קריטיים.תשתית העברת חשמל צפויה לפעול במשך 30-50 שנים תחת חשיפה למזג אוויר, רכיבה על אופניים טמפרטורה, לחץ מכני, ולחצים חשמליים.ההתנהגות ארוכת הטווח של מנצחים מורכבים, במיוחד אלה המשלבים ננו-חומרים, עדיין לא מובנת לחלוטין.מקבעים בדיקות הזדקנות וניסויים שדה נמשכים לבניית אמון.

שילוב עם תשתיות רשת קיימות מציג אתגר נוסף.כבלים של Superconducting דורשים מערכות קירור מבוכות, הפסקות וציוד ניטור שאינם מוכרים לרוב מהנדסי השירות.פיתוח סטנדרטים, אנשי הדרכה, ולהבטיח יכולת הדדית עם ציוד קונבנציונלי יהיה חיוני לאימוץ חלק.

כיוונים עתידיים כוללים חקר (FLT:0 ציטולוגי סמימטאלמברלי: 1), שיעור של חומרים קוונטיים שיכולים להציג ניידות גבוהה מאוד ונכסים תחבורה יוצא דופן.חומרים אלה נשארים בשלב המחקר המוקדם, אך בסופו של דבר יכול לספק פלטפורמה חדשה לחלוטין עבור מוליכים בעלי נמוכה.בנוסף, ממשיך לשפר את יכולת המשאיות הנוכחית של חוטי HTS, צמצום הפסדי AC במוליכים על פני השטח, ורמות ייצור תעשייתיות יכולות ייצור.

הדרך קדימה למודרניזציה גריידית

האבולוציה של חומרים מוליכים היא מאפשרת מפתח של מודרניזציה ברשת. כמו מקורות אנרגיה מתחדשת כגון רוח ושמש להיות חלק גדול יותר של הדור תערובת, היכולת להעביר כוח ביעילות על פני מרחקים ארוכים הופכת אפילו יותר חשוב.

מוליכים מתקדמים יכולים גם לתמוך בפיתוח של זרם ישיר גבוה (HVDC) שידור הנוכחי (HVDC) אשר תומך יותר ויותר עבור קישורים למרחקים ארוכים וצוללות כי זה מבטל את אובדן הכוח תגובתי ובעיות יציבות הקשורות קווי AC. מערכות HVDC יכול ליהנות ממוליכים עם התנגדות נמוכה DC והפסדים מופחתים של כלולה, אזורים שבהם חומרים חדשים עשויים להציע יתרונות.

מסקנה

חידושים בחומרים מוליכים מעצבים מחדש את הנוף הטכני והכלכלי של העברת חשמל.מההבטחה אפס-התנגדות של מוליכים בעלי-על בטמפרטורה גבוהה ליתרונות המכניים והרמיאומטיים של תרכובות מתקדמות והפוטנציאל המתעורר של ננו-חומרים פחמן, תיק מגוון של טכנולוגיות עומד בפיתוח.כל גישה נושאת את מערך המסחר שלה בין עלות, ביצועים, אמינות, ואמינות, בעוד שעדיין לא זמין ל-Frepericrepericreativesualatives, בתנאי שעדיין יש תחליף לאפשרויות יעילות יותר, לטווח ארוך יותר, לטווח ארוך של אנרגיה, לטווח ארוך יותר, הוא קבוע, אשר מופעלות, לטווח ארוך יותר, הוא יותר, הוא תנאי, אשר עומדות יותר, אשר מופעלות יותר, כמו גם כן, הוא קבוע של חומרים מתקדמים יותר, והתרחבות, בתנאי שמשתנים, לטווח ארוך יותר, בתנאי שמשתנים, לטווח ארוך יותר, לטווח ארוך יותר, לטווח ארוך יותר, לטווח ארוך יותר, בתנאי שמשתנים, בתנאי שמשתנים, לטווח ארוך יותר, לטווח ארוך יותר, בתנאי שמשתנים, בתנאי שמשתנים, בתנאי שמשתנים, בתנאי שמשתנים, לטווח ארוך יותר, הוא תנאי יעיל יותר, הוא תנאי תחבורה יעילה יותר, לטווח ארוך יותר, הוא קבוע של מערכות נחושת, בתנאי שמשתנים, בתנאי ש

עבור שירותים וקובעי מדיניות, האתגר הוא לנווט את הנוף הזה של טכנולוגיות מתפתחות, תמיכה במחקר ופיתוח תוך ביצוע השקעות אסטרטגיות בפרויקטים של הפגנה שיכולים להאיץ את הדרך לבשלות מסחרית.התגמולים הפוטנציאליים הם משמעותיים: עלויות חשמל נמוכות, השפעה סביבתית מופחתת, ורשת כוח חזקה וגמישה יותר המסוגלת לתמוך במעבר האנרגיה של המאה העשרים ואחת.