Güç Hatları'nda Elektrik Kayıplarını Yeniden Üreten Gelişmiş Malzemelerin Rolü

Elektrik Kayıplarını Güç Hatlarında Anlamak

Elektrik hatlarındaki kayıplar enerji iletiminde temel bir zorluk, dünya çapında üretilen elektriklerin yaklaşık% 5-10'u için muhasebedir. Bu kayıplar, dirençte çok sayıda fiziksel fenomenden kaynaklanır (I2R) kayıplar, bir iletken aracılığıyla en baskın olduğunda, atom lattibrasyonları ile çarpıtılır, elektrik enerjisini ısıtılır.

Dayanıklı ısıtmanın ötesinde, deri etkisi yüksek frekanslarda veya büyük hacimli iletkenlerde önemli hale gelir: Mevcut değişiklikler yüzeyin yakınında akış eğilimindedir, manyetik bileşenlerde eddy akımları ve transformatörlerin etrafındaki elektrik alanı, bu kayıpların ve hayal edilebilir bir gürültünün azaltılmasında meydana gelir - doğrudan uzun süre enerji azaltımının verimsiz enerji tüketimini azaltır ve uzun vadede enerji azaltılır.

Konvansiyonel iletken malzemeler, kanıtlanmış ve maliyetle etkisiz olsa da, bakırın eğimli iletkenliği için çok pahalıya sahiptir, uzun süre boyunca iktisadi olmayan alüminyumun iletkenliği ile yaklaşık%61'i, ancak ağırlığının sadece% 30'u, geleneksel iletkenlerin performansının ötesine itebilecek standarttır.

Konvansiyonel Davranışlar ve Sınırları

Yüzyıldan fazla bir süredir, iletim hatları iki birincil metale dayanıyordu: bakır ve alüminyum. Copper'in olağanüstü iletkenliği (5.96 × 107 S /m 20°C'de) tipik olarak yeraltı kabloları ve otobüsleri gibi özel uygulamalar için idealdir, ancak yüksek malzeme maliyeti ve ağırlık limiti yaygın olarak yüksek çözünürlükte. alüminyum (3.50 × 107 S/m) yüksek gerilim geçişinin geri dönüşü, tipik olarak alüminyum çelik iletkenliği şeklindedir.

Bir başka sınırlama da ürperticinin sürekli olarak tükenmesidir. Zamanla, ürperticinin gerginliklerini azaltır ve yerden temizlenebilir, artan güvenlik risklerini azaltır ve çelik ve alüminyum arasındaki uyumsuz genişleme, ayrıca iç stres ve mikro-kahkadarın daha düşük kayıpları ile birlikte çalışabilmesi için motive eder.

En iyi geleneksel iletkenler bile, iletken verimlilikte 100 km'ye kadar% 2-4'e ulaşabilen kayıplara karşı direnir. 1000 km iletim hattı için, bu 20-40 enerji ısı olarak dağıtılır. Yenilenebilir enerji kaynakları genellikle çok geniş mesafelere yüklenerek, uzaktan enerji kaynaklarından uzak bölgelere taşınmak için güç gerektirir.

Kayıpları Yeniden Üretmek için Gelişmiş Malzemeler

Yüksek hacimli Superconductors (HTS)

Yüksek sıcaklık süper iletkenleri, sıvı azotun (77 K) üzerindeki sıcaklıkların en umut verici malzemeden biridir. YBCO (ytrium barium bakır oksit) ve BSCCO (bismuth strontium kalsiyum bakır oksit) gibi geleneksel süperconductors'un aksine, pahalı sıvı helium soğutmalı borular için daha uygun maliyetli ve bol miktarda sıvı azotları kullanabilir.

Uygulamada, HTS güç kabloları birden çok katmandan oluşur: süper iletken kasetlerin bir çekirdeği, aynı kesitin geleneksel kabloların gücü ile bir sıvı azot kanalı ve Essen'deki AmpaCity projesi, Almanya'daki 10 kV, 40 MW HTS kablonun, diğer yüksek çözünürlükte yüzde 50'nin üzerinde bir artış elde etmesini sağladı.

Dirençli kayıpların ortadan kaldırılması, başlık yararıdır, ancak HTS kabloları da kabloya zarar vermeden ve ağ geçidi özelliklerine bağlı olarak ağ gerilimi stabilize etmeye yardımcı olabilir.Onlar doğal olarak yanlış huylu soğutma ve HTS kasetinin yüksek maliyeti (yaklaşık 50-100 $) kabloya zarar veren bir durumdur.Bu kendini korumak için davranışsal davranışın, sürekli ağlayıcı soğutma için değerli olduğunu varsayar.

Karbon Nanotüpler ve Graphene

Karbon nanotüpler (CNTs) ve grafikene, olağanüstü elektrik ve mekanik özellikleri nedeniyle yoğun ilgi çekti.Tek duvarlı karbon nanotüpleri teorik olarak mevcut atıkları sadece bir altı kiloyken daha yüksek tutuyor.

CNT iletkenlerinin pratik olarak gerçekleşmesi zorlanmıştır. Bireysel nanotüpler, oksidasyon veya potasyumun genel iletkenliği ile yüksek oranda şarj edilebilir. Ancak, yakın zamanda CNT ormanlarından gelen yöntemler, yüksek çözünürlükte 106 S /m'ye yaklaşan iletkenlik ile sürekli olarak üretilmelidir - per-küresel olarak yüksek oranda metallere kıyasla, yüksek oranda iletkenlik veya potasyuma daha fazla yükselticiliğe sahip olan nanotüpler.

Graphene, tek bir atomik-toprak tabakası, daha yüksek intrinsic hareketliliğini (200,000 cm2/V·s) Güç kablolarında kullanımı hala en belirgin testlerde, grafikte bulunan grafikte, metal matriks ve alüminyuma mal olan yüksek kaliteli ürünlerin maliyeti ile daha yüksek performansa sahip olabilir.

Gelişmiş alüminyum alaşımları

Tüm gelişmiş malzemeler egzotik kimya gerektirir. Geliştirilmiş alüminyum alaşımlar, AL3 (Al-Zr) gibi sürekli olarak yüksek alüminyum çelikler (Vücudun) iletkenliği ile% 61,2 IACS (Uluslararası Annealed Copper Standard) arasında hızlanmış, yüksek alüminyum alaşımlar ekser, demir veya nadir olarak 150 °C gibi alaşımlar sürekli olarak çalışır.

Diğer bir aile, 6000 serisi alaşımları (Al-Mg-Si), yüksek güç (300 MPa'ya kadar) sunar, ancak daha düşük iletkenlik (yaklaşık% 53 IACS) ancak, termo-mekanik tedaviler, nehir geçişleri ve dağcılık olmadan daha yüksek enerjiler artırılabilir. En son alüminyum alaşımları güçlendirerek,% 62'lik iletkenliği terk ederken, yüksek gerilim hatlarıyla birlikte, yüksek gerilim hatlarında 350'ye kadar düşük tasarruf sağlar.

Metal Matrix Composites ve Nanocompositler

Seramik veya karbon takviyeli metalleri birleştirmek, eşsiz özellikleri sunan kompozit iletkenler verir. Ticari olarak mevcut olan bir örnek, alüminyum oksit (alumina) veya silikon elyaf ile şarj edilir. Fiberler, alüminyum iletkenliği sağlarken, alüminyum iletkenliği korumak için 200-240C'de çalışır.

Karbon nanotüpleri veya grafikleren dahil edilen bakır bazlı kompozitler, CNT'lerin ağır kilo ve yüksek maliyetle elde edilmesi için araştırılıyor, böylece elektrotlar tarafından yapılan iletkenler veya plazma sintering şovu 20-40% yüksek iletkenlik, CNTs'in tercih edilmesi ve tahıl sınır direncinin azaltılması nedeniyle.Ayrıca, CNTs ısı iletkenliği geliştiriyor, iletkenlerin ısıyı daha hızlı bir şekilde azaltmasına ve böylece daha yüksek puanlarda işletmesine izin veriyor.

Seramik ve Kompozittörler

Çok fazla dikkat iletkenlere odaklanırken, kayıpların azaltılması da yalıtımda yardımcı olur. Geleneksel porselen veya cam insülatörler kirliliği nedeniyle sızıntı akımlarını geliştirebilirler, ne de yüzey çatlakları azaltır.Profesyonel silikonlar ile birlikte, nanoparçacıklı yüzeylerde, daha yüksek hidrofobik özelliklerde azaltırlar ve UV direncini azaltırlar. Ayrıca ünite uzunluğuna göre daha yüksek ürpereler sağlarlar.

Güç İletine Etkisi

Gelişmiş malzemelerin güç şebekelerine entegrasyonu, I2R kayıplarının aynı anda% 15-20 oranında azaltılmasına yardımcı olabilir. Örneğin, HTLS alüminyum-zirkonyum iletkenleri ile mevcut 230 kV hattının yıllık tasarruflarını azaltmak, yeni koridorların maliyetini saymak için kaçınamaz. ABD Enerji Bakanlığı, HTS'nin% 15-20'sini aynı anda yüklediği tahmin etti.

Karbon nanotüp bazlı iletkenler, hala laboratuvar aşamasında olsa da, yüksek mevcut uygulamalarda bakır ile kıyaslanma kapasitesine kıyasla% 50'den fazla zarar vermeyi teorik potansiyele gösterebiliyor. Düşük ağırlıkları ayrıca, CNT kuleleri arasında daha uzun süreler yapılmasını sağlar, temel ve doğru yol maliyetlerin azaltılmasına olanak sağlar.

Gelişmiş alaşımlar zaten kanıtlanmış bir takip kaydına sahiptir. Japonya'daki Utilities, ABD ve Avrupa, ACCC (aluminum kompozit çekirdekleri) ağırlık ve genişlemeyi azaltmak için karbon ve cam elyaf çekirdeği kullanıyor, yüksek çözünürlükte kapasite yükseltmeleri elde ediyor. yüksek sıcaklık artışına sahip vaka çalışmaları, ACC (aluminum kompozit çekirdekli çekirdekli) ACCC gibi ACSC (aluminumlu iletkenliği çekirdeği) 115 bin kez daha yüksek bir hattın değiştirilmesini sağlıyor.

Meydanlar ve Gelecek Prospects

Sözlerine rağmen, gelişmiş malzemeler yaygın dağıtım için önemli engellerle karşı karşıyadır. Yüksek sıcaklık süper iletkenleri 77 K'ye sürekli soğutma gerektirir, güç kullanan ve pompalar için bakım maliyetlerini azaltır. 1 km HTS kablo için, krigenik yüksek tasarruf maliyeti 20-30'dur.

Karbon nanotüp ve grafikleren iletkenler ölçeklenebilir sentezde zorluklarla karşı karşıyadır.Mevcut üretim yöntemleri bakırla sadece 5–15% teorik olarak kusurları, yetersizlikleri ve zayıf intertube kontakları nedeniyle. Industrial-scale roll of continuous CNT ipliği pahalı kalır, yaklaşık 500-1000 $ 'a mal olur (yaklaşık gram başına 0,15 $) Üretim maliyetleri iki büyüklükteki siparişin düşmesi gerekir - yeni sentez katalizörler ve sürekli işlem ile ilgili olarak, ancak yakın olmayan ısınır.

Gelişmiş alüminyum alaşımlar ve metal matrix kompozitler daha olgundur ancak hala düşük maliyetlidir. AL3-type HTLS iletkenleri geleneksel ACSR'den daha fazla metreye mal olur.Birçok hizmet için, iş durumu, tanıdık malzemelerle ilgili on yıllar boyunca, yavaş yavaşlar kabul edilir.

Geri dönüşüm ve son yaşam tasarrufu da önemlidir. Bakır ve alüminyum son derece yeniden kullanılabilir, ancak seramik veya karbon fiberleri ile metalleri karıştıran bileşikler, ortaklar ve koruma sistemleri gibi nadir yer elementleri içerir.Finansal donanım, bağlantı yöntemleri ile uyumluluk, ve koruma programları ile birlikte kullanılabilir.

Bu zorluklara rağmen, yörünge olumlu. İleri iletken araştırma için hükümet ve endüstri finansmanı artıyor. ABD Enerji Gelişmiş Şems Geliştirme Programı, gelişmiş iletkenler ve karbon bazlı iletkenler için belirli hibeler içeriyor. Avrupa Komisyonu Ufuk Avrupa programı, önümüzdeki nesil malzemeleri geliştirmek için SAHX gibi açık bir şekilde desteklenen projeler finanse etti.

İleriye baktığımızda, çok gelişmiş malzemeleri birleştiren hibrit sistemleri tahmin edebiliriz: alüminyum-CNT kompozitleri üst iletkenler için, yeraltı yemi çıkışları ve seramik-kompositeleri için yüksek iletkenlik ve güç için potansiyele sahip birkaç yeni molybdenumlu alaşım tespit etti.En son hedef - sıfır elektrik kaybı, sonsuz yorgunluk ve düşük maliyetle iletken - her adım elusive, ancak her adım daha enerji hareket eden enerjiden son derece azaltıcısı azalttı.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Gelişmiş malzemeler, mevcut kapasiteyi yükselten ve azaltan alüminyum alaşımları oynamak için hazırlanmaktadır, bu nedenle elektrik şebekelerinin verimliliğini ve sürdürülebilirliğini artırmak, yüksek sıcaklık süperconductors'dan, bu malzemelere karşı direnç gösteren kayıpları ortadan kaldırmak için gerçek hayattaki koşulları azaltmaktadır. Elektriksel kaynakları yükseltmek ve azaltan alüminyum alaşımları artırmak, bu yenilikleri ele geçirmek, bu nedenle, gelişmiş malzemelerin kabul edilmesi, daha hafif enerji hatları ve pilot projeler, bu malzemelere karşı daha verimli bir şekilde azaltılabilir.