Il ruolo della maglia di rame espansa nelle pale di generazione di energia

La rete stirata in rame utilizzata nelle pale di generazione di energia (solitamente riferita alle pale delle turbine eoliche o alle strutture a forma di pala nei moduli solari fotovoltaici) svolge un ruolo fondamentale nel garantire la conduttività elettrica, migliorare la stabilità strutturale e ottimizzare l'efficienza della generazione di energia. Le sue funzioni devono essere analizzate in dettaglio in base al tipo di apparecchiatura di generazione di energia (eolica/fotovoltaica). Di seguito è riportata un'interpretazione specifica per ogni scenario:

1. Pale di turbine eoliche: ruoli fondamentali della rete metallica espansa in rame – Protezione contro i fulmini e monitoraggio strutturale

Le pale delle turbine eoliche (per lo più realizzate in materiali compositi in fibra di vetro/carbonio, con una lunghezza fino a decine di metri) sono componenti soggetti a fulmini ad alta quota. In questo scenario, la rete stirata in rame svolge principalmente la duplice funzione di "protezione dai fulmini" e "monitoraggio dello stato di salute". I ruoli specifici sono suddivisi come segue:

1.1 Protezione dai fulmini: creazione di un “percorso conduttivo” all’interno della pala per evitare danni da fulmine

1.1.1 Sostituzione della protezione locale dei tradizionali parafulmini metallici

La protezione tradizionale contro i fulmini a lama si basa sul parafulmine metallico all'estremità della lama. Tuttavia, il corpo principale della lama è realizzato in materiali compositi isolanti. Quando si verifica un fulmine, è probabile che la corrente formi una "tensione a gradino" al suo interno, che può danneggiare la struttura della lama o bruciare il circuito interno. La maglia di rame espanso (solitamente una maglia di rame finemente intrecciata, fissata alla parete interna della lama o incorporata nello strato di materiale composito) può formare una rete conduttiva continua all'interno della lama. Conduce uniformemente la corrente di fulmine ricevuta dal parafulmine all'estremità della lama al sistema di messa a terra alla radice della lama, evitando concentrazioni di corrente che potrebbero danneggiare la lama. Allo stesso tempo, protegge i sensori interni (come i sensori di deformazione e i sensori di temperatura) dai danni causati dai fulmini.

1.1.2 Riduzione del rischio di scintille indotte dai fulmini

Il rame ha un'eccellente conduttività elettrica (con una resistività di soli 1,72×10⁻⁸Ω・m, molto inferiore a quella dell'alluminio e del ferro). Può condurre rapidamente la corrente dei fulmini, ridurre le scintille ad alta temperatura generate dalla corrente che rimane all'interno della lama, evitare di incendiare i materiali compositi della lama (alcuni materiali compositi a base di resina sono infiammabili) e ridurre il rischio per la sicurezza derivante dalla combustione della lama.

1.2 Monitoraggio della salute strutturale: fungere da “elettrodo di rilevamento” o “vettore di trasmissione del segnale”

1.2.1 Assistenza nella trasmissione del segnale dei sensori integrati

Le pale delle turbine eoliche moderne devono monitorare in tempo reale la propria deformazione, vibrazione, temperatura e altri parametri per determinare la presenza di cricche e danni da fatica. Un gran numero di microsensori è impiantato all'interno delle pale. La rete di rame espanso può essere utilizzata come "linea di trasmissione del segnale" dei sensori. La bassa resistenza della rete di rame riduce l'attenuazione dei segnali di monitoraggio durante la trasmissione a lunga distanza, garantendo che il sistema di monitoraggio alla radice della pala possa ricevere con precisione i dati sullo stato di salute della punta e del corpo della pala. Allo stesso tempo, la struttura a maglie della rete di rame può formare una "rete di monitoraggio distribuita" con i sensori, coprendo l'intera area della pala ed evitando punti ciechi nel monitoraggio.

1.2.2 Miglioramento della capacità antistatica dei materiali compositi

Quando la lama ruota ad alta velocità, sfrega contro l'aria generando elettricità statica. Un accumulo eccessivo di elettricità statica può interferire con i segnali dei sensori interni o danneggiare i componenti elettronici. La proprietà conduttiva della rete espansa in rame può condurre l'elettricità statica al sistema di messa a terra in tempo reale, mantenendo l'equilibrio elettrostatico all'interno della lama e garantendo il funzionamento stabile del sistema di monitoraggio e del circuito di controllo.

2. Moduli fotovoltaici solari (strutture a lama): ruoli fondamentali della rete espansa in rame – conduttività e ottimizzazione dell'efficienza di generazione di energia

In alcune apparecchiature solari fotovoltaiche (come i pannelli fotovoltaici flessibili e le unità di generazione di energia "a lama" delle tegole fotovoltaiche), la rete stirata in rame viene utilizzata principalmente per sostituire o supportare i tradizionali elettrodi in pasta d'argento, migliorando l'efficienza conduttiva e la durata strutturale. I ruoli specifici sono i seguenti:

2.1 Miglioramento dell'efficienza di raccolta e trasmissione della corrente

2.1.1 Una “soluzione conduttiva a basso costo” che sostituisce la tradizionale pasta d’argento

Il cuore dei moduli fotovoltaici è la cella in silicio cristallino. Gli elettrodi sono necessari per raccogliere la corrente fotogenerata generata dalla cella. Gli elettrodi tradizionali utilizzano principalmente pasta d'argento (che ha una buona conduttività ma è estremamente costosa). La maglia di rame espanso (con una conduttività vicina a quella dell'argento e un costo pari a circa 1/50 di quello dell'argento) può coprire la superficie della cella attraverso una "struttura a griglia" per formare un'efficiente rete di raccolta della corrente. Le fessure della maglia di rame consentono alla luce di penetrare normalmente (senza bloccare l'area di ricezione della luce della cella) e, allo stesso tempo, le linee della griglia possono raccogliere rapidamente la corrente dispersa in varie parti della cella, riducendo la "perdita di resistenza in serie" durante la trasmissione di corrente e migliorando l'efficienza complessiva di generazione di energia del modulo fotovoltaico.

2.1.2 Adattamento ai requisiti di deformazione dei moduli fotovoltaici flessibili

I pannelli fotovoltaici flessibili (come quelli utilizzati nei tetti curvi e nelle apparecchiature portatili) devono avere caratteristiche di flessibilità. I ​​tradizionali elettrodi in pasta d'argento (fragili e facili da rompere se piegati) non possono essere adattati. Tuttavia, la maglia di rame presenta una buona flessibilità e duttilità, che le consentono di piegarsi in sincronia con la cella flessibile. Dopo la piegatura, mantiene comunque una conduttività stabile, evitando interruzioni nella generazione di energia causate dalla rottura dell'elettrodo.

2.2 Miglioramento della durabilità strutturale dei moduli fotovoltaici

2.2.1 Resistenza alla corrosione ambientale e ai danni meccanici

I moduli fotovoltaici sono esposti all'esterno per lungo tempo (a vento, pioggia, alte temperature e umidità elevata). I tradizionali elettrodi in pasta d'argento sono facilmente corrosi dal vapore acqueo e dal sale (nelle zone costiere), con conseguente diminuzione della conduttività. La rete in rame può migliorare ulteriormente la sua resistenza alla corrosione attraverso la placcatura superficiale (come la stagnatura e la nichelatura). Allo stesso tempo, la struttura della rete in rame può disperdere le sollecitazioni derivanti da impatti meccanici esterni (come l'impatto di grandine e sabbia), evitando la rottura della cella dovuta a eccessive sollecitazioni locali e prolungando la vita utile del modulo fotovoltaico.

2.2.2 Aiutare nella dissipazione del calore e ridurre la perdita di temperatura

I moduli fotovoltaici generano calore a causa dell'assorbimento della luce durante il funzionamento. Temperature eccessivamente elevate causano una "perdita del coefficiente di temperatura" (l'efficienza di generazione di energia delle celle in silicio cristallino diminuisce di circa lo 0,4% - 0,5% per ogni aumento di temperatura di 1 °C). Il rame ha un'eccellente conduttività termica (con una conduttività termica di 401 W/(m・K), molto più alta di quella della pasta d'argento). La rete espansa in rame può essere utilizzata come "canale di dissipazione del calore" per condurre rapidamente il calore generato dalla cella alla superficie del modulo e dissipare il calore tramite convezione dell'aria, riducendo la temperatura di esercizio del modulo e riducendo la perdita di efficienza causata dalla perdita di temperatura.

3. Motivi principali per la scelta del "materiale di rame" per la maglia di rame espansa: adattamento ai requisiti prestazionali delle pale di generazione di energia

Le pale per la generazione di energia elettrica hanno rigorosi requisiti prestazionali per la maglia stirata in rame, e le caratteristiche intrinseche del rame soddisfano perfettamente tali requisiti. I vantaggi specifici sono illustrati nella tabella seguente:

In conclusione, la rete stirata in rame nelle pale di generazione di energia non è un "componente universale", ma svolge un ruolo mirato a seconda del tipo di apparecchiatura (eolica/fotovoltaica). Nelle pale delle turbine eoliche, si concentra su "protezione dai fulmini + monitoraggio delle condizioni" per garantire il funzionamento sicuro dell'apparecchiatura; nei moduli fotovoltaici, si concentra su "conduttività ad alta efficienza + durabilità strutturale" per migliorare l'efficienza e la durata della generazione di energia. L'essenza delle sue funzioni ruota attorno ai tre obiettivi principali di "garantire la sicurezza, la stabilità e l'elevata efficienza delle apparecchiature di generazione di energia", e le caratteristiche del rame sono il supporto chiave per la realizzazione di queste funzioni.