Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная , ветровая , приливная , гидро , биомасса и геотермальная энергия, стали значимыми секторами энергетического рынка. [1] [2] Быстрый рост этих источников в 21 веке был вызван ростом стоимости ископаемого топлива , а также проблемами его воздействия на окружающую среду, что значительно снизило их использование.
Медь играет важную роль в этих системах возобновляемой энергии, [3] [4] [5] [6] [7] в основном для кабелей и труб. Использование меди в системах возобновляемой энергии в среднем в пять раз больше, чем в традиционной генерации электроэнергии, такой как ископаемое топливо и атомные электростанции. [8] Поскольку медь является отличным проводником тепла и электричества среди конструкционных металлов (уступая только серебру), [9] электрические системы, использующие медь, генерируют и передают энергию с высокой эффективностью и минимальным воздействием на окружающую среду.
При выборе электрических проводников планировщики и инженеры объектов учитывают капитальные затраты на материалы и экономию на эксплуатации за счет их эффективности использования электроэнергии в течение срока службы, а также расходы на техническое обслуживание. Медь часто хорошо себя проявляет в этих расчетах. Фактор, называемый «интенсивностью использования меди», является мерой количества меди, необходимого для установки одного мегаватта новой генерирующей мощности.
При планировании нового объекта возобновляемой энергии инженеры и специалисты по спецификации продукции стремятся избежать дефицита поставок выбранных материалов. По данным Геологической службы США , запасы меди в недрах земли увеличились более чем на 700% с 1950 года, с почти 100 миллионов тонн до 720 миллионов тонн в 2017 году, несмотря на то, что мировое использование рафинированной меди за последние 50 лет увеличилось более чем втрое. [10] Ресурсы меди оцениваются более чем в 5000 миллионов тонн. [11] [12]
Дополнительным фактором, увеличивающим предложение меди, является то, что более 30 процентов меди, установленной с 2007 по 2017 год, было получено из переработанных источников. [13] Уровень ее переработки выше, чем у любого другого металла. [14]
Большая часть меди во всем мире используется в электропроводке, включая катушки генераторов и двигателей.
Медь играет большую роль в производстве возобновляемой энергии, чем на обычных тепловых электростанциях с точки зрения тоннажа меди на единицу установленной мощности. [15] Интенсивность использования меди в системах возобновляемой энергии в четыре-шесть раз выше, чем на ископаемом топливе или атомных электростанциях. Так, например, в то время как для традиционной энергетики требуется приблизительно 1 тонна меди на установленный мегаватт (МВт), возобновляемые технологии, такие как ветер и солнце, требуют в четыре-шесть раз больше меди на установленный МВт. Это связано с тем, что медь распространена на гораздо больших территориях, особенно на солнечных и ветровых электростанциях. [16] Силовые и заземляющие кабели должны проходить на большом расстоянии, чтобы подключать компоненты, которые широко рассредоточены, в том числе к системам хранения энергии и к основной электрической сети. [17] [8]
Ветровые и солнечные фотоэлектрические энергетические системы имеют самое высокое содержание меди среди всех технологий возобновляемой энергии. Одна ветряная электростанция может содержать от 2000 до 7000 тонн меди. Фотоэлектрическая солнечная электростанция содержит приблизительно 5,5 тонн меди на мегаватт вырабатываемой энергии. [18] Одна турбина мощностью 660 кВт, по оценкам, содержит около 800 фунтов (350 кг) меди. [19]
Общее количество меди, использованной в возобновляемой и распределенной генерации электроэнергии в 2011 году, оценивается в 272 килотонны (кт). Совокупное использование меди до 2011 года оценивается в 1071 кт.
Медные проводники используются в основных электрических компонентах возобновляемой энергии, таких как турбины , генераторы , трансформаторы , инверторы , электрические кабели , силовая электроника и информационный кабель. Использование меди примерно одинаково в турбинах/генераторах, трансформаторах/инверторах и кабелях. Гораздо меньше меди используется в силовой электронике.
Системы солнечной тепловой энергии отопления и охлаждения используют медь для повышения эффективности тепловой энергии. Медь также используется в качестве специального коррозионно-стойкого материала в системах возобновляемой энергии во влажных, сырых и соленых коррозионных средах.
Медь — это устойчивый материал, который на 100% пригоден для вторичной переработки и имеет более высокий уровень переработки, чем любой другой металл. [18] По окончании срока службы оборудования медь может быть переработана без потери ее полезных свойств.
В фотоэлектрических системах на единицу генерации приходится от одиннадцати до сорока раз больше меди , чем на обычных электростанциях на ископаемом топливе. [24] Использование меди в фотоэлектрических системах в среднем составляет около 4–5 тонн на МВт [25] [8] или выше, если учитывать проводящие ленточные полосы, соединяющие отдельные фотоэлектрические элементы. [22]
Медь используется в:
Медь, использованная в фотоэлектрических системах в 2011 году, оценивалась в 150 кт. Совокупное использование меди в фотоэлектрических системах до 2011 года оценивалось в 350 кт. [22]
Солнечные фотоэлектрические (PV) системы обладают высокой масштабируемостью, начиная от небольших систем на крыше до крупных фотоэлектрических электростанций с мощностью в сотни мегаватт . В жилых системах интенсивность использования меди, по-видимому, линейно масштабируется с мощностью системы генерации электроэнергии. [26] Жилые и общественные системы обычно имеют мощность от 10 кВт до 1 МВт.
Фотоэлектрические элементы группируются в солнечные модули . Эти модули подключаются к панелям, а затем к фотоэлектрическим массивам. В фотоэлектрической системе, подключенной к сети , массивы могут образовывать подполя, из которых электроэнергия собирается и транспортируется к сетевому соединению.
Медные солнечные кабели соединяют модули (кабель модуля), массивы (кабель массива) и подполя (кабель поля). Независимо от того, подключена ли система к сети или нет, электричество, собранное с фотоэлементов, необходимо преобразовать из постоянного тока в переменный и повысить напряжение. Это делается с помощью солнечных инверторов , которые содержат медные обмотки, а также с помощью силовой электроники, содержащей медь.
Фотоэлектрическая промышленность использует несколько различных полупроводниковых материалов для производства солнечных элементов и часто группирует их в технологии первого и второго поколения , в то время как третье поколение включает ряд новых технологий, которые все еще находятся в стадии исследований и разработок. Солнечные элементы обычно преобразуют 20% падающего солнечного света в электричество, что позволяет вырабатывать 100–150 кВт·ч на квадратный метр панели в год. [27]
Традиционная технология кристаллического кремния первого поколения (c-Si) включает монокристаллический кремний и поликристаллический кремний . Чтобы снизить стоимость этой технологии на основе пластин, кремниевые солнечные элементы с медным контактом становятся важной альтернативой серебру как предпочтительному проводниковому материалу. Проблемы с металлизацией солнечных элементов заключаются в создании однородного и качественно высококачественного слоя между кремнием и медью, который будет служить барьером против диффузии меди в полупроводник . Металлизация передней стороны на основе меди в кремниевых солнечных элементах является значительным шагом на пути к снижению стоимости. [28]
Технология второго поколения включает тонкопленочные солнечные элементы . Несмотря на немного меньшую эффективность преобразования , чем у обычной фотоэлектрической технологии, общая стоимость за ватт все равно ниже. Коммерчески значимые тонкопленочные технологии включают медно-индиево-галлиевые селенидные солнечные элементы (CIGS) и фотоэлектрические элементы на основе теллурида кадмия (CdTe), в то время как тандемные элементы на основе аморфного кремния (a-Si) и микроморфного кремния (m-Si) в последние годы постепенно вытесняются.
CIGS, который на самом деле является диселенидом меди (индия-галлия), или Cu(InGa)Se2 , отличается от кремния тем, что является гетеропереходным полупроводником . Он имеет самую высокую эффективность преобразования солнечной энергии (~20%) среди тонкопленочных материалов. [29] Поскольку CIGS сильно поглощает солнечный свет, требуется гораздо более тонкая пленка, чем в случае с другими полупроводниковыми материалами.
Разработан процесс производства фотоэлектрических элементов, позволяющий печатать полупроводники CIGS. Эта технология имеет потенциал для снижения цены за поставленный солнечный ватт.
Монодисперсные нанокристаллы сульфида меди исследуются как альтернативы обычным монокристаллам и тонким пленкам для фотоэлектрических устройств. Эта технология, которая все еще находится в зачаточном состоянии, имеет потенциал для сенсибилизированных красителем солнечных элементов , полностью неорганических солнечных элементов и гибридных нанокристаллических полимерных композитных солнечных элементов. [30]
Системы генерации солнечной энергии охватывают большие площади. Существует множество соединений между модулями и массивами, а также соединений между массивами в подполях и связей с сетью. Солнечные кабели используются для электропроводки солнечных электростанций. [31] Количество задействованных кабелей может быть значительным. Типичные размеры используемых медных кабелей составляют 4–6 мм 2 для кабеля модуля, 6–10 мм 2 для кабеля массива и 30–50 мм 2 для полевого кабеля. [27]
Энергоэффективность и возобновляемая энергия являются двумя столпами устойчивого энергетического будущего. Однако, несмотря на их потенциальную синергию, между этими столпами существует мало связей. Чем эффективнее предоставляются энергетические услуги, тем быстрее возобновляемая энергия может стать эффективным и значительным источником первичной энергии. Чем больше энергии получается из возобновляемых источников, тем меньше требуется энергии ископаемого топлива для обеспечения того же спроса на энергию. [32] Эта связь возобновляемой энергии с энергоэффективностью частично зависит от преимуществ электрической энергоэффективности меди.
Увеличение диаметра медного кабеля повышает его электрическую эффективность (см.: Медный провод и кабель ) . Более толстые кабели снижают резистивные потери (I 2 R) , что влияет на рентабельность инвестиций в фотоэлектрические системы в течение всего срока службы. Для определения того, оправданы ли более высокие первоначальные инвестиции в более толстые кабели, необходимы комплексные оценки затрат, учитывающие дополнительные затраты на материалы, количество солнечного излучения, направляемого на солнечные модули в год (с учетом суточных и сезонных колебаний, субсидий, тарифов, сроков окупаемости и т. д.).
В зависимости от обстоятельств, некоторые проводники в фотоэлектрических системах могут быть указаны либо из меди, либо из алюминия . Как и в случае с другими электропроводящими системами, у каждого из них есть свои преимущества (см.: Медный провод и кабель ) . Медь является предпочтительным материалом, когда высокие характеристики электропроводности и гибкость кабеля имеют первостепенное значение. Кроме того, медь больше подходит для небольших крышных сооружений, в небольших кабельных лотках и при прокладке в стальных или пластиковых трубах. [22]
Кабельные каналы не нужны на небольших электростанциях, где медные кабели имеют сечение менее 25 мм2 . Без воздуховодов затраты на установку при использовании меди ниже, чем при использовании алюминия. [22]
Сети передачи данных используют медь, оптоволокно и/или радиосвязь . Каждый материал имеет свои преимущества и недостатки. Медь надежнее радиосвязей. Затухание сигнала с медными проводами и кабелями можно устранить с помощью усилителей сигнала . [22]
Концентрированная солнечная энергия (CSP), также известная как солнечная тепловая электроэнергия (STE), использует массивы зеркал , которые концентрируют солнечные лучи до температур от 400 0 C до 1000 0 C. [27] Электроэнергия вырабатывается, когда концентрированный свет преобразуется в тепло, которое приводит в действие тепловой двигатель (обычно паровую турбину ), подключенный к электрогенератору.
Система CSP состоит из: 1) концентратора или коллектора, содержащего зеркала , которые отражают солнечное излучение и передают его приемнику; 2) приемника, который поглощает концентрированный солнечный свет и передает тепловую энергию рабочей жидкости (обычно минеральному маслу или, реже, расплавленным солям , металлам , пару или воздуху ); 3) системы транспортировки и хранения, которая передает жидкость из приемника в систему преобразования энергии; и 4) паровой турбины , которая преобразует тепловую энергию в электрическую по требованию.
Медь используется в силовых кабелях , сетях заземления и двигателях для отслеживания и перекачивания жидкостей, а также в главном генераторе и высоковольтных трансформаторах . Обычно на электростанцию мощностью 50 МВт приходится около 200 тонн меди. [21]
Было подсчитано, что потребление меди на концентрированных солнечных тепловых электростанциях составило 2 кт в 2011 году. Совокупное потребление меди на этих станциях к 2011 году оценивалось в 7 кт. [21]
Существует четыре основных типа технологий CSP, каждый из которых содержит разное количество меди: параболоцилиндрические установки, башенные установки, распределенные линейные абсорбционные системы, включая линейные установки Френеля, и тарельчатые установки Стирлинга. [21] Использование меди на этих установках описано здесь.
Параболоцилиндрические установки являются наиболее распространенной технологией CSP, представляя около 94% установленной мощности в Испании. Эти установки собирают солнечную энергию в параболоцилиндрических концентраторах с линейными коллекторными трубками. Теплоносителем обычно является синтетическое масло, которое циркулирует по трубкам на входе/выходе/температурах от 300 °C до 400 °C. Типичная емкость хранения объекта мощностью 50 МВт составляет 7 часов при номинальной мощности. Установка такого размера и емкости хранения может генерировать 160 ГВт-ч/год в таком регионе, как Испания.
В параболических установках медь указывается в области солнечных коллекторов (силовые кабели, сигналы, заземление, электродвигатели); парового цикла (водяные насосы, вентиляторы конденсатора, кабели к точкам потребления, управляющие сигналы и датчики, двигатели), генераторов электроэнергии (генератор переменного тока, трансформатор) и систем хранения (циркуляционные насосы, кабели к точкам потребления). Установка мощностью 50 МВт с 7,5 часами хранения содержит приблизительно 196 тонн меди, из которых 131 500 кг находятся в кабелях и 64 700 кг находятся в различном оборудовании (генераторы, трансформаторы, зеркала и двигатели). Это составляет около 3,9 тонн/МВт или, другими словами, 1,2 тонны/ГВт-ч/год. Установка того же размера без хранения может иметь на 20% меньше меди в солнечном поле и на 10% меньше в электронном оборудовании. Установка мощностью 100 МВт будет иметь на 30% меньше относительного содержания меди на МВт в солнечном поле и на 10% меньше в электронном оборудовании. [21]
Количество меди также варьируется в зависимости от конструкции. Солнечное поле типичной электростанции мощностью 50 МВт с 7-часовой емкостью хранения состоит из 150 контуров и 600 двигателей, в то время как аналогичная установка без хранения использует 100 контуров и 400 двигателей. Моторизованные клапаны для управления массовым расходом в контурах используют больше меди. Зеркала используют небольшое количество меди для обеспечения защиты от гальванической коррозии отражающего серебряного слоя. Изменения в размере установок, размере коллекторов, эффективности теплоносителей также повлияют на объемы материалов. [21]
Башенные электростанции , также называемые центральными башенными электростанциями, могут стать предпочтительной технологией CSP в будущем. Они собирают солнечную энергию, сконцентрированную полем гелиостата в центральном приемнике, установленном наверху башни. Каждый гелиостат отслеживает Солнце по двум осям (азимут и высота). Поэтому требуется два двигателя на единицу.
Медь требуется в гелиостатной сфере (силовые кабели, сигнал, заземление, двигатели), приемниках (системы электрообогрева, сигнальные кабели), системах хранения (циркуляционные насосы, кабели к точкам потребления), выработке электроэнергии (генераторы переменного тока, трансформаторы), паровом цикле (водяные насосы, вентиляторы конденсатора), кабелях к точкам потребления, управляющем сигнале и датчиках, а также двигателях.
Солнечная башня мощностью 50 МВт с 7,5 часами хранения использует около 219 тонн меди. Это соответствует 4,4 тонны меди/МВт или, другими словами, 1,4 тонны/ГВт-ч/год. Из этого количества на кабели приходится около 154 720 кг. На электронное оборудование, такое как генераторы, трансформаторы и двигатели, приходится около 64 620 кг меди. Установка мощностью 100 МВт имеет немного больше меди на МВт в солнечном поле, поскольку эффективность поля гелиостата уменьшается с размером. Установка мощностью 100 МВт будет иметь немного меньше меди на МВт в технологическом оборудовании. [21]
Линейные установки Френеля используют линейные отражатели для концентрации солнечных лучей в поглощающей трубке, подобной установкам с параболическими желобами. Поскольку коэффициент концентрации меньше, чем в установках с параболическими желобами, температура теплоносителя ниже . Вот почему большинство установок используют насыщенный пар в качестве рабочего тела как в солнечном поле, так и в турбине.
Для линейной электростанции Френеля мощностью 50 МВт требуется около 1960 следящих двигателей. Мощность, необходимая для каждого двигателя, намного ниже, чем для параболоцилиндрической электростанции. Линейная электростанция Френеля мощностью 50 МВт без хранилища будет содержать около 127 тонн меди. Это соответствует 2,6 тонны меди/МВт или, другими словами, 1,3 тонны меди/ГВт·ч/год. Из этого количества 69 960 кг меди находятся в кабелях из технологической зоны, солнечного поля, заземления и молниезащиты и управления. Еще 57 300 кг меди находится в оборудовании (трансформаторы, генераторы, двигатели, зеркала, насосы, вентиляторы). [21]
Эти установки являются новой технологией, которая имеет потенциал в качестве решения для децентрализованных приложений. Технология не требует воды для охлаждения в цикле преобразования. Эти установки недиспетчерские. Производство энергии прекращается, когда облака проходят над головой. Проводятся исследования передовых систем хранения и гибридизации.
Самая большая установка Sterling имеет общую мощность 1,5 МВт. Относительно больше меди требуется в солнечной области, чем в других технологиях CSP, поскольку там фактически вырабатывается электричество. На основе существующих установок мощностью 1,5 МВт содержание меди составляет 4 тонны/МВт, или, другими словами, 2,2 тонны меди/ГВт·ч/год. Электростанция мощностью 1,5 МВт имеет около 6060 кг меди в кабелях, индукционных генераторах, приводах, полевых и сетевых трансформаторах, заземлении и молниезащите. [21]
Солнечные водонагреватели могут быть экономически эффективным способом получения горячей воды для домов. Их можно использовать в любом климате. Топливо, которое они используют, солнечный свет, бесплатно. [33]
Солнечные водонагреватели используются более чем в 200 миллионах домохозяйств, а также во многих общественных и коммерческих зданиях по всему миру. [32] Общая установленная мощность солнечных тепловых отопительных и охлаждающих установок в 2010 году составила 185 ГВт тепла. [34]
Мощность солнечного отопления увеличилась на 27% в 2011 году и достигла приблизительно 232 ГВт, не считая подогрева неглазурованных бассейнов. Большая часть солнечной тепловой энергии используется для нагрева воды , но солнечное отопление и охлаждение помещений набирает популярность, особенно в Европе. [32]
Существует два типа систем солнечного нагрева воды: активные, которые имеют циркуляционные насосы и элементы управления, и пассивные, которые не имеют. Пассивные солнечные технологии не требуют работающих электрических или механических элементов. Они включают выбор материалов с благоприятными тепловыми свойствами, проектирование пространств, в которых воздух циркулирует естественным образом, и привязку положения здания к Солнцу. [27]
Медь является важным компонентом солнечных тепловых систем отопления и охлаждения из-за ее высокой теплопроводности , устойчивости к атмосферной и водной коррозии, герметизации и соединения пайкой, а также механической прочности. Медь используется как в приемниках, так и в первичных контурах (трубы и теплообменники для водяных баков). [34] Для пластины абсорбера иногда используют алюминий, поскольку он дешевле, однако при сочетании с медными трубами могут возникнуть проблемы с передачей тепла пластиной абсорбера в трубопровод надлежащим образом. Альтернативным материалом, который в настоящее время используется, является PEX-AL-PEX [35], но могут возникнуть аналогичные проблемы с передачей тепла между пластиной абсорбера и трубами. Один из способов обойти это — просто использовать один и тот же материал как для трубопровода, так и для пластины абсорбера. Этот материал может быть, конечно, медью, но также алюминием или PEX-AL-PEX.
Для жилых помещений используются три типа солнечных тепловых коллекторов : плоские коллекторы , интегральные коллекторы-накопители и солнечные тепловые коллекторы: Вакуумные трубчатые коллекторы ; Они могут быть системами прямой циркуляции (т. е. нагревают воду и подают ее непосредственно в дом для использования) или косвенной циркуляции (т. е. перекачивают теплоноситель через теплообменник, который затем нагревает воду, поступающую в дом). [33]
В вакуумном солнечном водонагревателе с системой косвенной циркуляции вакуумные трубки содержат стеклянную внешнюю трубку и металлическую поглотительную трубку, прикрепленную к ребру. Солнечная тепловая энергия поглощается внутри вакуумных трубок и преобразуется в полезное концентрированное тепло. Медные тепловые трубки передают тепловую энергию из солнечной трубки в медный коллектор. Теплопередающая жидкость (вода или смесь гликоля ) прокачивается через медный коллектор. По мере циркуляции раствора через медный коллектор температура повышается. Вакуумные стеклянные трубки имеют двойной слой. Внешний слой полностью прозрачен, что позволяет солнечной энергии проходить беспрепятственно. Внутренний слой обработан селективным оптическим покрытием , которое поглощает энергию без отражения. Внутренний и внешний слои сплавлены в конце, оставляя пустое пространство между внутренним и внешним слоями. Весь воздух откачивается из пространства между двумя слоями (процесс вакуумирования), тем самым создавая эффект термоса, который останавливает кондуктивную и конвективную передачу тепла, которое в противном случае могло бы выйти в атмосферу. Тепловые потери дополнительно уменьшаются за счет низкой излучательной способности используемого стекла. Внутри стеклянной трубки находится медная тепловая трубка. Это герметичная полая медная трубка, которая содержит небольшое количество фирменной жидкости, которая под низким давлением кипит при очень низкой температуре. Другие компоненты включают солнечный теплообменник и солнечную насосную станцию с насосами и контроллерами. [36] [37] [38] [39] [40]
В ветряной турбине кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию для привода генератора , который в свою очередь вырабатывает электричество . Основные компоненты ветряной электростанции состоят из башни с вращающимися лопастями, содержащей электрогенератор и трансформатор для повышения напряжения для передачи электроэнергии на подстанцию в сети. Кабели и электроника также являются важными компонентами. [27] [41]
Суровые условия эксплуатации ветровых электростанций на море означают, что отдельные компоненты должны быть более прочными и защищенными от коррозии, чем их наземные компоненты. В настоящее время требуются все более длинные соединения с берегом с помощью подводных кабелей среднего и высокого напряжения. Необходимость защиты от коррозии благоприятствует медно-никелевому покрытию как предпочтительному сплаву для башен.
Медь является важным проводником в ветроэнергетике. [42] [43] Ветряные электростанции могут содержать несколько сотен тысяч футов меди [44] весом от 4 до 15 миллионов фунтов, в основном в виде проводов, кабелей, труб, генераторов и повышающих трансформаторов. [25] [45]
Интенсивность использования меди высока, поскольку турбины в ветровых электростанциях разбросаны по большим площадям. [46] В наземных ветровых электростанциях интенсивность использования меди может варьироваться от 5600 до 14900 фунтов на МВт, в зависимости от того, имеют ли повышающие трансформаторы медные или алюминиевые проводники. В оффшорной среде интенсивность использования меди намного выше: приблизительно 21000 фунтов на МВт, что включает подводные кабели на берег. [47] Как в наземной, так и в морской среде для подключения ветровых электростанций к основным электрическим сетям используются дополнительные медные кабели. [45]
Количество меди, использованной для ветровых энергетических систем в 2011 году, оценивалось в 120 кт. Совокупное количество меди, установленной до 2011 года, оценивалось в 714 кт. [23] По состоянию на 2018 год [обновлять], мировое производство ветряных турбин использует 450 000 тонн меди в год. [48]
Для ветровых электростанций с трехступенчатым редуктором с двойным питанием 3 МВт индукционных генераторов требуется около 2,7 т на МВт со стандартными ветряными турбинами. Для ветровых турбин с трансформаторами LV/MV в гондоле требуется 1,85 т на МВт. [49]
Медь в основном используется в обмотках катушек в статорных и роторных частях генераторов (которые преобразуют механическую энергию в электрическую), в высоковольтных и низковольтных кабельных проводниках, включая вертикальный электрический кабель, который соединяет гондолу с основанием ветряной турбины , в катушках трансформаторов (которые повышают низковольтный переменный ток до высоковольтного переменного тока, совместимого с сетью), в редукторах (которые преобразуют медленные обороты в минуту лопастей ротора в более быстрые обороты в минуту) и в электрических системах заземления ветряных электростанций. [46] Медь также может использоваться в гондоле (корпусе ветряной турбины, который опирается на башню, содержащую все основные компоненты), вспомогательных двигателях (двигателях, используемых для вращения гондолы, а также для управления углом лопастей ротора), охлаждающих контурах (конфигурация охлаждения для всей трансмиссии ) и силовой электронике (которая позволяет системам ветряных турбин работать как электростанция). [50]
В катушках ветрогенераторов электрический ток испытывает потери, пропорциональные сопротивлению провода, по которому течет ток. Это сопротивление, называемое потерями в меди , приводит к потере энергии за счет нагрева провода. В ветроэнергетических системах это сопротивление можно уменьшить с помощью более толстого медного провода и системы охлаждения генератора, если это необходимо. [51]
Для кабелей генератора могут быть указаны как медные, так и алюминиевые проводники. [52] Медь имеет более высокую электропроводность и, следовательно, более высокую эффективность использования электроэнергии. Она также выбрана из-за ее безопасности и надежности. Основным соображением при указании алюминия является его более низкая капитальная стоимость. Со временем это преимущество компенсируется более высокими потерями энергии за годы передачи электроэнергии. Решение о том, какой проводник использовать, принимается на этапе планирования проекта, когда команды коммунальных служб обсуждают эти вопросы с производителями турбин и кабелей.
Что касается меди, ее вес в генераторе будет варьироваться в зависимости от типа генератора, номинальной мощности и конфигурации. Ее вес имеет почти линейную зависимость от номинальной мощности.
Генераторы в ветровых турбинах с прямым приводом обычно содержат больше меди, поскольку сам генератор больше из-за отсутствия редуктора. [53]
Генератор в конфигурации с прямым приводом может быть в 3,5–6 раз тяжелее, чем в конфигурации с редуктором, в зависимости от типа генератора. [53]
В ветроэнергетике используются пять различных типов технологий генераторов:
Здесь приводится сводка количества меди в каждом из этих типов генераторов.
Конфигурации прямого привода синхронных машин обычно содержат больше всего меди, но некоторые используют алюминий. [48] Обычные синхронные генераторы (CSG) с прямым приводом имеют самое высокое содержание меди на единицу. Доля CSG увеличится с 2009 по 2020 год, особенно для машин с прямым приводом. DFAG составили большую часть продаж в 2009 году. [53]
Изменение содержания меди в генераторах CSG зависит от того, соединены ли они с одноступенчатыми (тяжелее) или трехступенчатыми (легче) редукторами. Аналогично, разница в содержании меди в генераторах PMSG зависит от того, являются ли турбины среднескоростными, которые тяжелее, или высокоскоростными, которые легче. [53]
Растет спрос на синхронные машины и конфигурации с прямым приводом. CSG прямые и редукторные DFAG будут лидировать в спросе на медь. Ожидается, что наибольший рост спроса будет у прямых PMSG, которые, по прогнозам, составят 7,7% от общего спроса на медь в ветровых энергосистемах в 2015 году. Однако, поскольку постоянные магниты, содержащие редкоземельный элемент неодим, могут не получить глобального распространения, конструкции с прямым приводом синхронных магнитов (DDSM) могут быть более перспективными. [49] Количество меди, необходимое для генератора DDSM мощностью 3 МВт, составляет 12,6 т. [54]
Места с высокоскоростными турбулентными ветрами лучше подходят для ветровых турбин с переменной скоростью вращения с полномасштабными преобразователями мощности из-за большей надежности и доступности, которые они предлагают в таких условиях. Из вариантов ветровых турбин с переменной скоростью вращения в таких местах предпочтительнее PMSG, чем DFAG. В условиях с низкой скоростью ветра и турбулентностью DFAG могут быть предпочтительнее PMSG. [23]
В целом, PMSG лучше справляются с неисправностями, связанными с сетью, и в конечном итоге могут предложить более высокую эффективность, надежность и доступность, чем редукторные аналоги. Этого можно достичь за счет сокращения количества механических компонентов в их конструкции. Однако в настоящее время редукторные ветровые турбины прошли более тщательные полевые испытания и стоят дешевле из-за больших объемов производства. [23]
Текущая тенденция — гибридные установки PMSG с одноступенчатым или двухступенчатым редуктором. Последний ветрогенератор Vestas — с редукторным приводом. Последний ветрогенератор Siemens — гибридный. В среднесрочной перспективе, если стоимость силовой электроники продолжит снижаться, ожидается, что PMSG с прямым приводом станут более привлекательными. [23] В настоящее время разрабатывается технология высокотемпературных сверхпроводников (HTSG). Ожидается, что эти машины смогут достигать большей мощности, чем другие ветрогенераторы. Если оффшорный рынок последует тенденции более крупных агрегатов, оффшор может стать наиболее подходящей нишей для HTSG. [23]
Для турбинной системы мощностью 2 МВт были рассчитаны следующие количества меди для компонентов, отличных от генератора:
Кабели являются вторым по величине компонентом, содержащим медь, после генератора. Система ветряной башни с трансформатором рядом с генератором будет иметь силовые кабели среднего напряжения (MV), идущие сверху вниз башни, затем к точке сбора для нескольких ветряных башен и далее к сетевой подстанции или напрямую к подстанции. Сборка башни будет включать в себя жгуты проводов и контрольные/сигнальные кабели, в то время как силовые кабели низкого напряжения (LV) требуются для питания рабочих частей по всей системе. [27]
Для ветряной турбины мощностью 2 МВт вертикальный кабель может весить от 1000 до 1500 кг меди в зависимости от его типа. Медь является доминирующим материалом в подземных кабелях. [53]
Медь жизненно важна для электрической системы заземления ветровых электростанций. Системы заземления могут быть полностью медными (сплошные или многожильные медные провода и медные шины), часто с американским калибром 4/0, но, возможно, даже 250 тысяч круговых мил [56] или из стали, плакированной медью, что является более дешевой альтернативой. [57]
Мачты турбины притягивают удары молнии , поэтому им требуются системы молниезащиты . Когда молния ударяет в лопасть турбины, ток проходит вдоль лопасти, через ступицу лопасти в гондоле ( корпус редуктора / генератора) и вниз по мачте к системе заземления. Лопасть включает в себя медный проводник большого сечения, который проходит по ее длине и позволяет току проходить по лопасти без вредных эффектов нагрева. Гондола защищена молниеотводом, часто медным. Система заземления у основания мачты состоит из толстого медного кольцевого проводника, соединенного с основанием или расположенного в пределах метра от основания. Кольцо прикреплено к двум диаметрально противоположным точкам на основании мачты. Медные провода выходят наружу из кольца и подключаются к медным заземляющим электродам. Заземляющие кольца на турбинах ветряных электростанций соединены между собой, что обеспечивает сетевую систему с чрезвычайно малым совокупным сопротивлением. [43]
Твердый медный провод традиционно использовался для заземления и молниезащитного оборудования из-за его превосходной электропроводности . Однако производители переходят на менее дорогие биметаллические медные или алюминиевые заземляющие провода и кабели. [58] Изучается медная проволока. Текущие недостатки медной проволоки включают в себя более низкую проводимость, размер, вес, гибкость и токопроводящую способность.
После генераторов и кабеля, небольшое количество меди используется в оставшемся оборудовании. Во вспомогательных двигателях рыскания и тангажа привод рыскания использует комбинацию асинхронных двигателей и многоступенчатых планетарных редукторов с небольшим количеством меди. Силовая электроника имеет минимальное количество меди по сравнению с другим оборудованием. По мере увеличения мощности турбины номинальные характеристики преобразователя также увеличиваются от низкого напряжения (<1 кВ) до среднего напряжения (1–5 кВ). Большинство ветряных турбин имеют преобразователи полной мощности , которые имеют ту же номинальную мощность , что и генератор , за исключением DFAG, у которого преобразователь мощности составляет 30% от номинальной мощности генератора. Наконец, небольшое количество меди используется в воздушно-масляных и водоохлаждаемых контурах на редукторах или генераторах. [53]
Медный силовой кабель класса 5 используется исключительно от генератора через петлю и внутреннюю стену башни. Это связано с его способностью выдерживать нагрузку от 15 000 циклов кручения в течение 20 лет срока службы. [59]
Сверхпроводящие материалы испытываются внутри и снаружи ветряных турбин. Они предлагают более высокую электрическую эффективность, способность переносить более высокие токи и меньший вес. Однако эти материалы в настоящее время намного дороже меди. [53]
Количество меди в оффшорных ветровых электростанциях увеличивается с расстоянием до побережья. Использование меди в оффшорных ветровых турбинах составляет порядка 10,5 тонн на МВт. [60] Оффшорная ветровая электростанция Borkum 2 использует 5800 тонн для 400 МВт, 200-километрового соединения с внешней сетью, или приблизительно 14,5 тонн меди на МВт. Оффшорная ветровая электростанция Horns Rev использует 8,75 тонн меди на МВт для передачи 160 МВт на 21 километр в сеть. [61]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )