Yenilenebilir enerjide bakır - Copper in renewable energy

Güneş , rüzgar , gelgit , hidro , biyokütle ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları enerji piyasasının önemli sektörleri haline geldi. 21. yüzyılda bu kaynaklardan hızlı büyüme maliyetini artırarak istendiğinde edilmiş fosil yakıtlar ve bunların çevresel etki konularında önemli ölçüde düşürdü kullanımlarını.

Bakır , bu yenilenebilir enerji sistemlerinde önemli bir rol oynar. Bakır kullanımı, fosil yakıtlar ve nükleer santraller gibi geleneksel enerji üretimine göre yenilenebilir enerji sistemlerinde ortalama beş kat daha fazla . Bakır, mühendislik metalleri arasında mükemmel bir termal ve elektriksel iletken olduğundan (yalnızca gümüşten sonra ikinci), bakır kullanan güç sistemleri, yüksek verimlilikle ve minimum çevresel etkilerle enerji üretir ve iletir.

Elektrik iletkenlerini seçerken, tesis planlayıcıları ve mühendisler, kullanım ömürleri boyunca elektrik enerjisi verimlilikleri ve bakım maliyetleri nedeniyle operasyonel tasarruflara karşı malzemelerin sermaye yatırım maliyetlerini hesaba katarlar. Bakır bu hesaplamalarda genellikle iyi performans gösterir. "Bakır kullanım yoğunluğu" olarak adlandırılan ilgili faktörlerden biri, bir megavatlık yeni güç üretme kapasitesi kurmak için gereken bakır miktarının bir ölçüsüdür.

Yeni bir yenilenebilir enerji tesisi planlarken, mühendisler ve ürün belirleyicileri, seçilen iletken malzemelerin tedarik sıkıntısından kaçınmaya çalışırlar. Amerika Birleşik Devletleri Jeoloji Araştırması'na göre, son 50 yılda dünya rafine kullanımının üç kattan fazla artmasına rağmen, yer altı bakır rezervleri 1950'den bu yana% 700'den fazla arttı, bugün neredeyse 100 milyon tondan 720 milyon tona çıktı. Bakır kaynaklarının 5.000 milyon tonu aştığı tahmin edilmektedir. Yıllık arzı destekleyen şey, son on yılda kurulan bakırın yüzde 30'undan fazlasının geri dönüştürülmüş kaynaklardan gelmesidir.

Yenilenebilir enerji sistemlerinin sürdürülebilirliği ile ilgili olarak, bakırın yüksek elektrik ve ısıl iletkenliğine ek olarak, geri dönüşüm oranının diğer metallerden daha yüksek olduğunu belirtmekte fayda var.

Bu makale, çeşitli yenilenebilir enerji üretim sistemlerinde bakırın rolünü tartışmaktadır.

Yenilenebilir enerji üretiminde bakır kullanımına genel bakış

Bakır, yenilenebilir enerji üretiminde , kurulu güç birimi başına bakır tonajı açısından geleneksel termik santrallere göre daha büyük bir rol oynamaktadır . Yenilenebilir enerji sistemlerinin bakır kullanım yoğunluğu, fosil yakıt veya nükleer santrallere göre dört ila altı kat daha fazladır. Örneğin, geleneksel güç kurulu megawatt (MW) başına yaklaşık 1 ton bakır gerektirirken, rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir teknolojiler, kurulu MW başına dört ila altı kat daha fazla bakır gerektirir. Bunun nedeni, bakırın özellikle güneş ve rüzgar enerjisi santrallerinde çok daha geniş arazi alanlarına yayılması ve enerji depolama sistemleri ve enerji depolama sistemleri dahil olmak üzere geniş çapta dağılmış bileşenleri bağlamak için uzun süreli güç ve topraklama kablolarına ihtiyaç duyulmasıdır. ana elektrik şebekesi.

Rüzgar ve güneş fotovoltaik enerji sistemleri, tüm yenilenebilir enerji teknolojileri arasında en yüksek bakır içeriğine sahiptir. Tek bir rüzgar çiftliği 4 milyon ila 15 milyon pound bakır içerebilir. Bir fotovoltaik güneş enerjisi santrali, her megawatt enerji üretimi başına yaklaşık 5,5 ton bakır içerir. Tek bir 660 kW türbinin yaklaşık 800 pound bakır içerdiği tahmin edilmektedir.

2011 yılında yenilenebilir enerjiye dayalı ve dağıtılmış elektrik üretiminde kullanılan toplam bakır miktarı 272 kiloton (kt) olarak tahmin edilmiştir. 2011 yılı boyunca kümülatif bakır kullanımı 1.071 kt olarak tahmin edilmiştir.

Yenilenebilir enerji üretiminde bakır kullanımı
2011'de kurulu güç 2011 yılına kadar kümülatif kurulu güç 2011'de bakır kullanımı 2011 yılına kadar kümülatif bakır kullanımı
Gigawatt (GW) Gigawatt (GW) Kiloton (kt) Kiloton (kt)
Fotovoltaik 30 70 150 350
Güneş termal elektrik 0.46 1.76 2 7
Rüzgar 40 238 120 714
Her üç teknoloji için toplam 272 1071

Bakır iletkenler, türbinler , jeneratörler , transformatörler , invertörler , elektrik kabloları , güç elektroniği ve bilgi kablosu gibi önemli elektrik yenilenebilir enerji bileşenlerinde kullanılır . Bakır kullanımı türbinlerde / jeneratörlerde, transformatörlerde / invertörlerde ve kablolarda yaklaşık olarak aynıdır. Güç elektroniğinde çok daha az bakır kullanılır.

Solar termal ısıtma ve soğutma enerji sistemleri , termal enerji verimliliği avantajları için bakıra güvenir. Bakır ayrıca ıslak, nemli ve tuzlu aşındırıcı ortamlarda yenilenebilir enerji sistemlerinde özel bir korozyona dayanıklı malzeme olarak kullanılır .

Bakır,% 100 geri dönüştürülebilir, sürdürülebilir bir malzemedir. Bakırın geri dönüşüm oranı diğer metallerden daha yüksektir. Yenilenebilir enerji santralinin veya elektrik veya termik bileşenlerinin kullanım ömrü sonunda bakır, faydalı özelliklerini kaybetmeden geri dönüştürülebilir.

Solar fotovoltaik enerji üretimi

Fotovoltaik sistemlerde , geleneksel fosil yakıt tesislerine göre üretim birimi başına on bir ila kırk kat daha fazla bakır vardır . Bakırın fotovoltaik sistemlerde kullanımı, tek tek PV hücrelerini birbirine bağlayan iletken şerit şeritler düşünüldüğünde, MW başına ortalama 4-5 ton veya daha yüksektir.

Bakır şu alanlarda kullanılır:

  • fotovoltaik modülleri birbirine bağlayan küçük teller
  • elektrot toprak mandallarında, yatay plakalarda, çıplak kablolarda ve tellerde topraklama ızgaraları
  • Fotovoltaik modülleri invertörlere bağlayan DC kabloları
  • İnvertörleri ölçüm sistemlerine ve koruma kabinlerine bağlayan alçak gerilim AC kabloları
  • yüksek voltajlı AC kabloları
  • iletişim kabloları
  • invertörler / güç elektroniği
  • kurdeleler
  • trafo sargıları.

Fotovoltaik sistemlerde 2011 yılında kullanılan bakırın 150 kt olduğu tahmin edilmiştir. Fotovoltaik sistemlerde 2011 yılı boyunca kümülatif bakır kullanımı 350 kt olarak tahmin edilmiştir.

Fotovoltaik sistem konfigürasyonları

Güneş fotovoltaik (PV) sistemleri , küçük çatı sistemlerinden yüzlerce megawatt kapasiteli büyük fotovoltaik güç istasyonlarına kadar oldukça ölçeklenebilir . Konut sistemlerinde, bakır yoğunluğu, elektrik üretim sisteminin kapasitesi ile doğrusal olarak ölçeklenebilir görünmektedir. Konut ve topluluk tabanlı sistemler genellikle 10 kW ile 1 MW arasında kapasiteye sahiptir.

PV hücreleri, güneş modüllerinde birlikte gruplanmıştır . Bu modüller panellere ve ardından PV dizilerine bağlanır. In şebekeye bağlı fotovoltaik enerji sisteminin , diziler elektrik toplanmış ve şebeke bağlantısını doğru taşınır olan alt alanları oluşturabilir.

Bakır güneş kabloları modülleri (modül kablosu), dizileri (dizi kablosu) ve alt alanları (alan kablosu) bağlar. Bir sistem PV hücrelerinden toplanan ızgara ya da değil, elektriğe bağlı olup olmadığını den dönüştürülmesi gereken DC için AC ve voltaj hızlandırdı. Bu, bakır sargılar içeren güneş invertörlerinin yanı sıra bakır içeren güç elektroniği ile yapılır.

Güneş hücreleri

Fotovoltaik endüstrisi birkaç farklı kullanır yarı iletken malzemelerin üretimi için güneş pilleri üçüncü nesil araştırma ve geliştirme aşamasında olan gelişmekte olan teknolojilerin bir dizi içerir ederken ve genellikle birinci ve ikinci nesil teknolojilere içine gruplar onları. Güneş pilleri tipik olarak gelen güneş ışığının% 20'sini elektriğe dönüştürerek, panelin metrekare başına yılda 100-150 kWh üretilmesine olanak tanır.

Geleneksel birinci nesil kristal silikon (c-Si) teknolojisi, monokristal silikon ve polikristalin silikon içerir . Bu gofret bazlı teknolojinin maliyetlerini düşürmek için, bakır temaslı silikon güneş pilleri , tercih edilen iletken malzeme olarak gümüşe önemli bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır . Güneş pili metalizasyonu ile ilgili zorluklar, yarı iletkene bakır difüzyonuna karşı bir bariyer görevi görecek şekilde silikon ve bakır arasında homojen ve niteliksel olarak yüksek değerli bir katmanın yaratılmasında yatmaktadır . Silikon güneş pillerinde bakır bazlı ön yüz metalizasyonu, daha düşük maliyete doğru önemli bir adımdır.

İkinci nesil teknoloji, ince film güneş pillerini içerir . Geleneksel PV teknolojisinden biraz daha düşük bir dönüşüm verimliliğine sahip olmasına rağmen , watt başına toplam maliyet hala daha düşüktür. Ticari olarak önemli ince film teknolojileri arasında bakır indiyum galyum selenid güneş pilleri (CIGS) ve kadmiyum tellürid fotovoltaikleri (CdTe) bulunurken, amorf silikon (a-Si) ve mikromorf silikon (m-Si) tandem hücreleri son yıllarda yavaş yavaş geride bırakılıyor.

Aslında (indiyum-galyum) diselenid, bakır CIGS, ya da Cu (InGa) Se 2 , bir olmasıyla silikon farklıdır hetero yarı iletken . İnce film malzemeler arasında en yüksek güneş enerjisi dönüşüm verimliliğine (~% 20) sahiptir. CIGS güneş ışığını güçlü bir şekilde emdiğinden, diğer yarı iletken malzemelerden çok daha ince bir film gerekir.

CIGS yarı iletkenlerinin yazdırılmasını mümkün kılan bir fotovoltaik hücre üretim süreci geliştirilmiştir. Bu teknoloji, teslim edilen solar watt başına fiyatı düşürme potansiyeline sahiptir.

Bakır, CIGS güneş pillerindeki bileşenlerden biri iken, hücrenin bakır içeriği aslında küçüktür: MW kapasite başına yaklaşık 50 kg bakır.

Fotovoltaik cihazlar için geleneksel tek kristallere ve ince filmlere alternatif olarak tek dağılmış bakır sülfür nanokristalleri araştırılmaktadır. Henüz emekleme aşamasında olan bu teknoloji, boyaya duyarlı güneş pilleri , tamamen inorganik güneş pilleri ve hibrit nano kristal -polimer kompozit güneş pilleri için potansiyele sahiptir .

Kablolar

Güneş enerjisi üretim sistemleri geniş alanları kapsamaktadır. Modüller ve diziler arasında birçok bağlantı ve alt alanlardaki diziler arasında bağlantılar ve ağa bağlantılar vardır. Güneş enerjisi kabloları, güneş enerjisi santrallerinin kablolanması için kullanılır. İlgili kablolama miktarı önemli olabilir. Kullanılan bakır kabloların tipik çapları, modül kablosu için 4–6 mm 2 , dizi kablosu için 6–10 mm 2 ve saha kablosu için 30–50 mm 2'dir .

Enerji verimliliği ve sistem tasarımı hususları

Enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji, sürdürülebilir bir enerji geleceğinin iki ayağıdır. Bununla birlikte, potansiyel sinerjilerine rağmen bu sütunlarla çok az bağlantı vardır. Enerji hizmetleri ne kadar verimli bir şekilde sunulursa, yenilenebilir enerji o kadar hızlı birincil enerjinin etkili ve önemli bir katkısı olabilir. Yenilenebilir kaynaklardan ne kadar fazla enerji elde edilirse, aynı enerji talebini sağlamak için o kadar az fosil yakıt enerjisi gerekir. Yenilenebilir enerjinin enerji verimliliği ile bu bağlantısı kısmen bakırın elektrik enerjisi verimliliği faydalarına dayanmaktadır.

Artan çapı bakır kablonun elektrik artar enerji verimliliğini (: bakınız bakır tel ve kablo ) . Daha kalın kablolar direnç (I 2 R) kaybını azaltır , bu da PV sistemi yatırımlarının ömür boyu karlılığını etkiler. Daha kalın kablolar için daha yüksek ilk yatırımların olup olmadığını belirlemek için karmaşık maliyet değerlendirmeleri, malzemeler için ekstra maliyetler, yıllık güneş modüllerine yönlendirilen güneş radyasyonu miktarı (günlük ve mevsimsel değişimler, sübvansiyonlar, tarifeler, geri ödeme süreleri vb.) Gereklidir. haklı.

Koşullara bağlı olarak, PV sistemlerindeki bazı iletkenler bakır veya alüminyum ile belirtilebilir . Diğer elektriksel iletken sistemlerde olduğu gibi, her birinin avantajları vardır (bakınız: Bakır tel ve kablo ) . Kablonun yüksek elektriksel iletkenlik özellikleri ve esnekliği çok önemli olduğunda bakır tercih edilen malzemedir. Ayrıca bakır, küçük çatı tesislerinde, daha küçük kablo tavalarında ve çelik veya plastik borularda kanalizasyon yaparken daha uygundur .

Kablo kanal bakır kablolar 25mm daha az olan küçük güç tesislerinde gerekli değildir 2 . Kanal çalışması olmadan, bakır ile montaj maliyetleri alüminyuma göre daha düşüktür.

Veri iletişim ağları bakır, optik fiber ve / veya radyo bağlantılarına dayanır . Her malzemenin avantajları ve dezavantajları vardır. Bakır, radyo bağlantılarından daha güvenilirdir. Bakır teller ve kablolarla sinyal zayıflaması, sinyal amplifikatörleri ile çözülebilir .

Yoğunlaştırılmış güneş termal gücü

Güneş ısıl elektriği (STE) olarak da bilinen konsantre güneş enerjisi (CSP), güneş ışınlarını 400 0 C ile 1000 0 C arasındaki sıcaklıklara yoğunlaştıran ayna dizilerini kullanır.Elektrik gücü, konsantre ışık ısıya dönüştürüldüğünde üretilir. bir elektrik jeneratörüne bağlı bir ısı motorunu (genellikle bir buhar türbini ) çalıştıran.

Bir CSP sistemi şunlardan oluşur: 1) güneş radyasyonunu yansıtan ve alıcıya ileten aynalar içeren bir toplayıcı veya toplayıcı ; 2) konsantre güneş ışığını emen ve ısı enerjisini bir çalışma akışkanına (genellikle bir mineral yağ veya daha nadiren erimiş tuzlar , metaller , buhar veya hava ) aktaran bir alıcı ; 3) sıvıyı alıcıdan güç dönüştürme sistemine geçiren bir taşıma ve depolama sistemi; ve 4) ısıl gücü isteğe bağlı olarak elektriğe dönüştüren bir buhar türbini .

Bakır, saha güç kablolarında , topraklama ağlarında ve akışkanları izlemek ve pompalamak için motorlarda , ayrıca ana jeneratör ve yüksek gerilim transformatörlerinde kullanılır . Tipik olarak, 50 MW'lık bir enerji santrali için yaklaşık 200 ton bakır vardır.

Konsantre güneş termik santrallerinde bakır kullanımının 2011 yılında 2 kt olduğu tahmin edilmektedir. Bu tesislerde 2011 yılı boyunca kümülatif bakır kullanımı 7 kt olarak tahmin edilmiştir.

Her biri farklı miktarda bakır içeren dört ana CSP teknolojisi türü vardır: parabolik oluklu tesisler, kule tesisleri, doğrusal Fresnel tesisleri dahil olmak üzere dağıtılmış doğrusal soğurucu sistemler ve çanak Stirling tesisleri. Bu tesislerde bakır kullanımı burada anlatılmaktadır.

Parabolik oluklu bitkiler

Parabolik oluklu tesisler, İspanya'da kurulu gücün yaklaşık% 94'ünü temsil eden en yaygın CSP teknolojisidir. Bu tesisler, lineer kollektör tüpleri ile parabolik oluklu yoğunlaştırıcılarda güneş enerjisini toplar. Isı transfer sıvıları tipik olarak 300 ° C ila 400 ° C giriş çıkışında / sıcaklıklarında borularda dolaşan sentetik yağlardır. 50 MW'lık bir tesisin tipik depolama kapasitesi, nominal güçte 7 saattir. Bu büyüklükte ve depolama kapasitesindeki bir tesis, İspanya gibi bir bölgede 160 GWh / yıl üretebilir.

Parabolik oluklu tesislerde bakır, güneş kollektörü alanında belirtilir (güç kabloları, sinyaller, topraklama, elektrik motorları); buhar döngüsü (su pompaları, kondenser fanları, tüketim noktalarına kablo tesisatı, kontrol sinyali ve sensörler, motorlar), elektrik jeneratörleri (alternatör, transformatör) ve depolama sistemleri (sirkülasyon pompaları, tüketim noktalarına kablolar). 7.5 saatlik depolamaya sahip 50 MW'lık bir santral, 131.500 kg'ı kablolarda ve 64.700 kg'ı çeşitli ekipmanlarda (jeneratörler, transformatörler, aynalar ve motorlar) olmak üzere yaklaşık 196 ton bakır içermektedir. Bu yaklaşık 3,9 ton / MW veya başka bir deyişle 1,2 ton / GWh / yıl anlamına gelir. Aynı büyüklükteki deposu olmayan bir tesis, güneş alanında% 20 daha az bakıra ve elektronik ekipmanda% 10 daha az bakıra sahip olabilir. 100 MW'lık bir santral, güneş alanında MW başına% 30 daha az bağıl bakır içeriğine ve elektronik ekipmanda% 10 daha az nispi bakır içeriğine sahip olacaktır.

Bakır miktarları da tasarıma göre değişiklik göstermektedir. 7 saatlik depolama kapasitesine sahip tipik bir 50 MW enerji santralinin güneş alanı 150 döngü ve 600 motordan oluşurken, deposu olmayan benzer bir santral 100 döngü ve 400 motor kullanır. Döngülerdeki kütle akış kontrolü için motorlu valfler daha fazla bakıra ihtiyaç duyar. Aynalar , yansıtıcı gümüş tabakaya galvanik korozyon koruması sağlamak için az miktarda bakır kullanır . Tesislerin boyutundaki, kollektör boyutundaki, ısı transfer akışkanlarının verimliliğindeki değişiklikler de malzeme hacimlerini etkileyecektir.

Kule bitkileri

Kule bitkiler ayrıca merkezi kule enerji santralleri olarak adlandırılan, gelecekte tercih edilen CSP teknolojisi hale gelebilir. Kulenin tepesine monte edilmiş merkezi bir alıcıda heliostat alanı tarafından konsantre edilen güneş enerjisini toplarlar . Her bir heliostat, Güneş'i iki eksen (azimut ve yükseklik) boyunca izler. Bu nedenle, birim başına iki motor gereklidir.

Bakır, heliostat alanında (güç kabloları, sinyal, topraklama, motorlar), alıcı (izleme ısıtma, sinyal kabloları), depolama sistemi (sirkülasyon pompaları, tüketim noktalarına kablolar), elektrik üretimi (alternatör, trafo), buhar döngüsü ( su pompaları, kondenser fanları), tüketim noktalarına kablolama, kontrol sinyali ve sensörler ve motorlar.

7.5 saatlik depolamaya sahip 50 MW'lık bir güneş kulesi tesisinde yaklaşık 219 ton bakır kullanılmaktadır. Bu, 4.4 ton bakır / MW veya başka bir deyişle 1.4 ton / GWh / yıl anlamına gelir. Bu miktarın yaklaşık 154.720 kg'ı kablolardır. Jeneratörler, transformatörler ve motorlar gibi elektronik ekipman, yaklaşık 64.620 kg bakır içerir. 100 MW'lık bir santral, güneş enerjisi alanında MW başına biraz daha fazla bakıra sahiptir çünkü heliostat alanının verimliliği boyutla birlikte azalır. 100 MW'lık bir santral, proses ekipmanında MW başına biraz daha az bakıra sahip olacaktır.

Doğrusal Fresnel tesisleri

Doğrusal Fresnel bitkileri, güneş ışınlarını parabolik oluklu bitkilere benzer bir soğurucu tüpte yoğunlaştırmak için doğrusal reflektörler kullanır. Konsantrasyon faktörü parabolik oluklu tesislere göre daha düşük olduğu için ısı transfer sıvısının sıcaklığı daha düşüktür. Bu nedenle çoğu bitki , hem güneş enerjisi alanında hem de türbinde çalışma sıvısı olarak doymuş buharı kullanır .

50 MW'lık bir doğrusal Fresnel enerji santrali, yaklaşık 1.960 izleme motoru gerektirir. Her motor için gereken güç, parabolik oluklu sistemden çok daha düşüktür. Depolaması olmayan 50 MW'lık bir lineer Fresnel tesisi yaklaşık 127 ton bakır içerecektir. Bu 2.6 ton bakır / MW veya başka bir deyişle 1.3 ton bakır / GWh / yıl anlamına gelir. Bu miktarın 69.960 kg'ı bakır, proses alanı, güneş alanı, topraklama ve yıldırımdan korunma ve kontrollerden gelen kablolarda bulunmaktadır. 57.300 kg bakır da ekipmanda (transformatörler, jeneratörler, motorlar, aynalar, pompalar, fanlar) bulunmaktadır.

Çanak Stirling bitkileri

Bu tesisler, merkezi olmayan uygulamalar için bir çözüm potansiyeline sahip, gelişmekte olan bir teknolojidir. Teknoloji, dönüştürme döngüsünde soğutma için su gerektirmez. Bu bitkiler gönderilemez. Bulutlar yukarıdan geçtiğinde enerji üretimi durur. Gelişmiş depolama ve hibridizasyon sistemleri üzerine araştırmalar yapılmaktadır.

En büyük çanak Sterling kurulumu toplam 1,5 MW güce sahiptir. Güneş enerjisi alanında diğer CSP teknolojilerine göre nispeten daha fazla bakıra ihtiyaç vardır çünkü elektrik aslında orada üretilir. Mevcut 1,5 MW tesislere göre, bakır içeriği 4 ton / MW veya başka bir deyişle 2,2 ton bakır / GWh / yıl'dır. 1,5 MW'lık bir enerji santralinde kablolarda, endüksiyon jeneratörlerinde, sürücülerinde, alan ve şebeke transformatörlerinde, topraklama ve yıldırımdan korunmada yaklaşık 6.060 kg bakır bulunur.

Güneş enerjili su ısıtıcıları (güneş enerjili kullanım sıcak su sistemleri)

Güneş enerjili su ısıtıcıları , evler için sıcak su üretmenin uygun maliyetli bir yolu olabilir. Her iklimde kullanılabilirler. Kullandıkları yakıt olan güneş ışığı bedava.

Güneş enerjili sıcak su kollektörleri, 200 milyondan fazla hanenin yanı sıra dünya çapında birçok kamu ve ticari bina tarafından kullanılmaktadır. 2010 yılında güneş enerjisi ısıtma ve soğutma ünitelerinin toplam kurulu gücü 185 GW-termal idi.

Güneş enerjisi ısıtma kapasitesi 2011 yılında tahmini olarak% 27 artarak, sırsız yüzme havuzu ısıtması hariç olmak üzere yaklaşık 232 GWth'ye ulaşmıştır. Güneş termallerinin çoğu su ısıtmak için kullanılıyor, ancak güneş enerjili alan ısıtma ve soğutma, özellikle Avrupa'da giderek artıyor.

İki tür güneş enerjili su ısıtma sistemi vardır: devridaim pompaları ve kontrolleri olan aktif ve olmayan pasif. Pasif güneş teknikleri, elektriksel veya mekanik elemanların çalışmasını gerektirmez. Bunlar, uygun termal özelliklere sahip malzemelerin seçimini, havayı doğal olarak dolaştıran alanların tasarlanmasını ve bir binanın konumunu Güneş'e atıfta bulunulmasını içerir.

Bakır, yüksek ısı iletkenliği , atmosferik ve su korozyonuna karşı direnci, lehimleme ile sızdırmazlık ve birleştirme ve mekanik mukavemeti nedeniyle güneş ısıl ısıtma ve soğutma sistemlerinin önemli bir bileşenidir . Bakır hem alıcılarda hem de birincil devrelerde (su depoları için borular ve ısı eşanjörleri) kullanılır. İçin abzorbe edici plakanın daha ucuz olduğu gibi alüminyum bazen kullanılır, ancak bakır boru ile birleştirildiğinde, emici plaka uygun bir boru ısısını transfer etmek için açısından sorunlar olabilir. Halihazırda kullanılan alternatif bir malzeme PEX-AL-PEX'tir ancak emici plaka ile borular arasında ısı transferinde de benzer sorunlar olabilir. Bunu aşmanın bir yolu, aynı malzemeyi hem borular hem de soğurucu plaka için kullanmaktır. Bu malzeme elbette bakır olabileceği gibi alüminyum veya PEX-AL-PEX de olabilir.

Konut uygulamaları için üç tip güneş termal kolektörü kullanılır: düz plakalı kollektörler , entegre kollektör deposu ve güneş termal kolektörü: Boşaltılmış tüp kollektörleri ; Doğrudan sirkülasyon (yani, suyu ısıtır ve kullanım için doğrudan eve getirir) veya dolaylı sirkülasyon (yani, bir ısı eşanjörü aracılığıyla bir transfer sıvısını ısıtır, ardından eve akan suyu ısıtır) sistemleri olabilirler.

Dolaylı sirkülasyon sistemine sahip bir boşaltılmış tüplü güneş enerjili sıcak su ısıtıcısında, boşaltılmış tüpler bir cam dış tüp ve bir kanata bağlı metal soğurucu tüp içerir. Termal güneş enerjisi, boşaltılmış tüpler içinde emilir ve kullanılabilir konsantre ısıya dönüştürülür. Bakır ısı boruları, termal enerjiyi güneş tüpünün içinden bir bakır başlığa aktarır. Bakır başlıktan bir termal transfer sıvısı (su veya glikol karışımı) pompalanır. Çözelti bakır başlık boyunca dolaşırken sıcaklık yükselir. Boşaltılan cam tüpler çift katmanlıdır. Dış katman, güneş enerjisinin engellenmeden geçmesine izin vermek için tamamen şeffaftır. İç katman, enerjiyi yansıma olmadan emen seçici bir optik kaplama ile işlenir . İç ve dış katmanlar sonunda kaynaşarak iç ve dış katmanlar arasında boş bir boşluk bırakır. Tüm hava iki katman arasındaki boşluktan dışarı pompalanır (tahliye işlemi), böylece atmosfere kaçabilecek iletken ve konvektif ısı transferini durduran termos etkisi yaratılır. Isı kaybı, kullanılan camın düşük emisyonuyla daha da azaltılır. Cam tüpün içinde bakır ısı borusu bulunur. Düşük basınç altında çok düşük bir sıcaklıkta kaynayan az miktarda tescilli sıvı içeren sızdırmaz içi boş bir bakır tüptür. Diğer bileşenler arasında bir güneş enerjili ısı eşanjörü tankı ve pompalar ve kontrolörler içeren bir güneş enerjisi pompa istasyonu bulunmaktadır.

Rüzgar

Bir rüzgar türbininde , rüzgarın kinetik enerjisi bir jeneratörü çalıştırmak için mekanik enerjiye dönüştürülür ve bu da elektrik üretir . Bir rüzgar enerjisi sisteminin temel bileşenleri, bir elektrik jeneratörü içeren döner kanatlı bir kuleden ve şebekedeki bir trafo merkezine elektrik iletimi için voltajı yükseltmek için bir transformatörden oluşur. Kablolama ve elektronik de önemli bileşenlerdir.

Açık deniz rüzgar çiftliklerinin zorlu ortamı , tek tek bileşenlerin karadaki bileşenlerine göre daha sağlam ve korozyona karşı korumalı olması gerektiği anlamına gelir. Şu anda, deniz altı OG ve YG kablolarıyla kıyıya giderek daha uzun bağlantılar gereklidir. Korozyon korumasına duyulan ihtiyaç , kuleler için tercih edilen alaşım olarak bakır nikel kaplamayı desteklemektedir .

Bakır, rüzgar enerjisi üretiminde önemli bir iletkendir. Rüzgar çiftlikleri, çoğunlukla kablolama, kablo, borular, jeneratörler ve yükseltici transformatörlerde 4 milyon ila 15 milyon pound ağırlığında birkaç yüz bin fit bakır içerebilir.

Rüzgar üretim çiftliklerindeki türbinler geniş alanlara yayıldığı için bakır kullanım yoğunluğu yüksektir. Kara tabanlı rüzgar çiftliklerinde, yükseltici transformatörlerin bakır veya alüminyum iletkenlere sahip olmasına bağlı olarak, bakır yoğunluğu MW başına 5.600 ila 14.900 pound arasında değişebilir. Açık deniz ortamında, bakır yoğunluğu çok daha yüksektir: kıyıya denizaltı kablolarını içeren MW başına yaklaşık 21.000 pound. Hem kara hem de açık deniz ortamlarında, rüzgar çiftliklerini ana elektrik şebekelerine bağlamak için ek bakır kablolar kullanılır.

2011 yılında rüzgar enerjisi sistemlerinde kullanılan bakır miktarı 120 kt olarak tahmin edilmiştir. 2011 yılı boyunca kurulan kümülatif bakır miktarı 714 kt olarak tahmin edilmiştir. 2018 itibariyle, küresel rüzgar türbini üretimi yılda 450.000 ton bakır kullanmaktadır.

Üç kademeli dişli kutusu çift beslemeli 3 MW endüksiyon jeneratörlerine sahip rüzgar çiftlikleri için, standart rüzgar türbinlerinde MW başına yaklaşık 2,7 t gereklidir. Motor bölümünde AG / OG transformatörlü rüzgar türbinleri için MW başına 1,85 t gereklidir.

Bakır öncelikle bobin sarımları kullanılan stator ve rotor bölümleri jeneratörler (elektrik enerjisi mekanik enerji dönüştürme), yüksek gerilim ve alçak gerilim bağlayan dikey elektrik kablosu içeren kablo iletkenleri motor yeri tabanına rüzgar türbini , transformatör bobinlerinde (düşük voltajlı AC'yi şebekeyle uyumlu yüksek voltajlı AC'ye yükseltir), dişli kutularında (rotor kanatlarının dakika başına yavaş devirlerini daha hızlı devire dönüştüren) ve rüzgar çiftliği elektrik topraklama sistemlerinde. Bakır ayrıca makine dairesinde (tüm ana bileşenleri içeren kule üzerinde duran rüzgar türbininin yuvası), yardımcı motorlarda (motorları döndürmek ve rotor kanatlarının açısını kontrol etmek için kullanılan motorlar), soğutma devrelerinde kullanılabilir. (tüm aktarma organları için soğutma konfigürasyonu ) ve güç elektroniği (rüzgar türbini sistemlerinin bir elektrik santrali gibi çalışmasını sağlayan).

Rüzgar jeneratörlerinin bobinlerinde elektrik akımı, akımı taşıyan telin direnci ile orantılı kayıplardan muzdariptir. Bakır kayıpları olarak adlandırılan bu direnç, telin ısınmasıyla enerji kaybına neden olur. Rüzgar enerjisi sistemlerinde bu direnç daha kalın bakır tel ve gerekirse jeneratör için bir soğutma sistemi ile azaltılabilir.

Jeneratörlerde bakır

Jeneratör kabloları için bakır veya alüminyum iletkenler belirtilebilir. Bakır daha yüksek elektrik iletkenliğine ve dolayısıyla daha yüksek elektrik enerjisi verimliliğine sahiptir. Aynı zamanda güvenliği ve güvenilirliği için de seçilmiştir. Alüminyumun belirlenmesindeki ana husus, daha düşük sermaye maliyetidir. Zamanla, bu fayda, yıllarca güç aktarımı sırasında daha yüksek enerji kayıpları ile dengelenir. Hangi iletkenin kullanılacağına karar verilmesi, bir projenin planlama aşamasında, hizmet ekipleri bu konuları türbin ve kablo üreticileri ile tartışırken belirlenir.

Bakır ile ilgili olarak, bir jeneratördeki ağırlığı, jeneratör tipine, güç değerine ve konfigürasyona göre değişecektir . Ağırlığı, güç oranıyla neredeyse doğrusal bir ilişkiye sahiptir.

İçinde Jeneratörler Doğrudan bağlı rüzgar türbinlerinin jeneratör kendisi vites kutusu olmaması nedeniyle büyük olduğu için genellikle, daha fazla bakır içerir.

Doğrudan tahrik konfigürasyonundaki bir jeneratör, jeneratör tipine bağlı olarak dişli konfigürasyondakinden 3,5 kat ila 6 kat daha ağır olabilir.

Rüzgar üretiminde beş farklı tipte jeneratör teknolojisi kullanılmaktadır:

  1. çift ​​beslemeli asenkron jeneratörler (DFAG)
  2. geleneksel asenkron jeneratörler (CAG)
  3. geleneksel senkron jeneratörler (CSG)
  4. kalıcı mıknatıslı senkron jeneratörler (PMSG)
  5. yüksek sıcaklık süper iletken jeneratörleri (HTSG)

Bu jeneratör tiplerinin her birindeki bakır miktarı burada özetlenmiştir.

Çok megavatlık rüzgar santrallerinde rüzgar türbini jeneratörü teknolojilerinde bakır
Teknoloji Ortalama bakır içeriği (kg / MW) Notlar
Çift beslemeli asenkron jeneratör (DFAG) 650 Dişli; Avrupa'daki en yaygın rüzgar jeneratörü (2009'da% 70; 2015'e kadar güçlü talep, ardından yüksek bakım ve servis maliyeti ve şebeke uyumluluğu için güç düzeltme ekipmanına duyulan ihtiyaç, önümüzdeki on yıl içinde bunları daha az popüler hale getireceğinden nötr).
Geleneksel asenkron jeneratörler (CAG) 390 Dişli; 2015 yılına kadar nötr talep; 2020 yılına kadar önemsiz hale gelecek.
Geleneksel senkron jeneratörler (CSG) 330–4000 Dişli ve doğrudan; 2020 yılına kadar daha popüler hale gelebilir.
Kalıcı mıknatıslı senkron jeneratörler (PMSG) 600–2150 Pazarın 2015 yılına kadar gelişmesi bekleniyor.
Yüksek sıcaklık süper iletken jeneratörleri (HTSG) 325 Gelişimin başlangıç ​​aşaması. Bu makinelerin diğer WTG'lerden daha fazla güce ulaşması bekleniyor. Offshore, en uygun niş uygulaması olabilir.

Senkron tip makinelerin doğrudan tahrikli konfigürasyonları genellikle en fazla bakırı içerir, ancak bazıları alüminyum kullanır. Geleneksel senkron jeneratörler (CSG) doğrudan tahrikli makineler, birim başına en yüksek bakır içeriğine sahiptir. CSG'lerin payı, özellikle doğrudan tahrikli makineler için 2009'dan 2020'ye artacak. DFAG'ler 2009 yılında en fazla birim satışı gerçekleştirdi.

CSG jeneratörlerinin bakır içeriğindeki değişim, bunların tek aşamalı (daha ağır) veya üç aşamalı (daha hafif) dişli kutuları ile birleştirilip birleştirilmediğine bağlıdır. Benzer şekilde, PMSG jeneratörlerinde bakır içeriğindeki fark, türbinlerin orta hızlı, daha ağır mı yoksa daha hafif olan yüksek hızlı türbinler mi olduğuna bağlıdır.

Senkron makineler ve doğrudan tahrikli konfigürasyonlar için artan talep var. CSG direkt ve dişli DFAG'ler bakır talebini yönlendirecektir. Talepte en yüksek büyümenin, 2015 yılında rüzgar enerjisi sistemlerinde bakır için toplam talebin% 7,7'sini oluşturacağı tahmin edilen doğrudan PMSG'ler olması bekleniyor. Ancak, nadir toprak elementi neodimyum içeren kalıcı mıknatıslar bunu yapamayabilir. küresel olarak yükselmek için, doğrudan sürücülü senkron mıknatıs (DDSM) tasarımları daha umut verici olabilir. 3 MW DDSM jeneratör için gerekli bakır miktarı 12.6 t'dir.

Yüksek hızlı türbülanslı rüzgarlara sahip yerler, bu tür koşullarda sundukları daha yüksek güvenilirlik ve kullanılabilirlik nedeniyle, tam ölçekli güç dönüştürücülere sahip değişken hızlı rüzgar türbini jeneratörleri için daha uygundur. Değişken hızlı rüzgar türbini seçeneklerinden PMSG'ler, bu tür yerlerde DFAG'lara tercih edilebilir. Düşük rüzgar hızı ve türbülanslı koşullarda, DFAG'ler PMSG'lere tercih edilebilir.

Genel olarak, PMSG'ler şebeke ile ilgili arızalarla daha iyi ilgilenir ve sonunda dişli muadillerine göre daha yüksek verimlilik, güvenilirlik ve kullanılabilirlik sunabilirler. Bu, tasarımlarındaki mekanik bileşenlerin sayısını azaltarak sağlanabilir. Ancak şu anda, dişli rüzgar türbini jeneratörleri daha kapsamlı bir şekilde sahada test edilmiştir ve üretilen daha büyük hacimler nedeniyle daha ucuzdur.

Mevcut trend, tek kademeli veya iki kademeli şanzımanlı PMSG hibrit kurulumları içindir. Vestas'ın en yeni rüzgar türbini jeneratörü dişli tahriktir . Siemens'in en yeni rüzgar türbini jeneratörü bir hibrittir. Orta vadede, güç elektroniğinin maliyeti düşmeye devam ederse, doğrudan tahrikli PMSG'nin daha çekici hale gelmesi bekleniyor. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri (HTSG) teknolojisi şu anda geliştirme aşamasındadır. Bu makinelerin diğer rüzgar türbini jeneratörlerine göre daha fazla güce ulaşması bekleniyor. Açık deniz pazarı daha büyük birim makinelerin eğilimini takip ederse, açık deniz HTSG'ler için en uygun alan olabilir.

Diğer bileşenlerde bakır

2 MW türbin sistemi için, jeneratör dışındaki bileşenler için aşağıdaki bakır miktarları tahmin edilmiştir:

Diğer Bileşen Türlerine Göre Bakır İçeriği, 2 MW türbin
Bileşen Ortalama Cu içeriği (kg)
Yardımcı motorlar (eğim ve sapma tahrikleri) 75
Motor bölümünün diğer kısımları <50
Dikey kablolar 1500
Güç elektroniği (dönüştürücü) 150
Soğutma devreleri <10
Topraklama ve yıldırımdan korunma 750

Kablolama, jeneratörden sonra ikinci en büyük bakır içeren bileşendir. Jeneratörün yanında trafo bulunan bir rüzgar kulesi sistemi, kulenin tepesinden dibine, daha sonra birkaç rüzgar kulesi için bir toplama noktasına ve şebeke trafo merkezine giden orta gerilim (MV) güç kablolarına sahip olacaktır. veya doğrudan trafo merkezine. Kule tertibatı, kablo demetlerini ve kontrol / sinyal kablolarını içerirken, sistem boyunca çalışan parçalara güç sağlamak için düşük voltajlı (LV) güç kabloları gerekir.

2 MW rüzgar türbini için dikey kablo, türüne bağlı olarak 1.000-1.500 kg bakır arasında değişebilir. Bakır yer altı kablolarında baskın malzemedir.

Topraklama sistemlerinde bakır

Bakır, rüzgar türbini çiftlikleri için elektrik topraklama sistemi için hayati önem taşır . Topraklama sistemleri, ya tamamen bakır (katı ya da telli bakır teller ve bakır baralar), genellikle 4/0 Amerikan gösterge derecesine sahip, ancak muhtemelen 250 bin dairesel mil kadar büyük ya da daha düşük maliyetli bir alternatif olan bakır kaplı çelik olabilir.

Türbin direkleri yıldırım çarpmalarını çeker , bu nedenle yıldırımdan korunma sistemleri gerektirirler . Şimşek bir türbin kanadına çarptığında, akım kanat boyunca, motor bölümündeki kanat göbeğinden ( dişli kutusu / jeneratör muhafazası) geçer ve direğin aşağısında bir topraklama sistemine geçer. Bıçak, uzunluğu boyunca uzanan ve akımın bıçak boyunca zararlı ısıtma etkileri olmadan geçmesine izin veren büyük bir enine kesitli bakır iletken içerir. Makine dairesi, genellikle bakır olan bir yıldırım iletkeni ile korunmaktadır. Direğin tabanındaki topraklama sistemi, tabana bağlanan veya tabanın bir metre yakınında bulunan kalın bir bakır halka iletkenden oluşur. Halka, direk tabanı üzerinde birbirine taban tabana zıt iki noktaya tutturulmuştur. Bakır uçlar halkadan dışa doğru uzanır ve bakır topraklama elektrotlarına bağlanır. Rüzgar çiftliklerindeki türbinlerdeki topraklama halkaları birbirine bağlıdır ve son derece küçük toplam dirence sahip ağ bağlantılı bir sistem sağlar.

Katı bakır tel , mükemmel elektrik iletkenliği nedeniyle geleneksel olarak topraklama ve yıldırım ekipmanı için kullanılmıştır . Bununla birlikte, üreticiler daha ucuz bi-metal bakır kaplama veya alüminyum topraklama telleri ve kablolarına doğru ilerliyor. Bakır kaplama teli araştırılıyor. Bakır kaplı telin mevcut dezavantajları arasında düşük iletkenlik, boyut, ağırlık, esneklik ve akım taşıma kapasitesi bulunmaktadır.

Diğer ekipmanlarda bakır

Jeneratör ve kablodan sonra kalan ekipmanda az miktarda bakır kullanılır. Yalpalama ve eğim yardımcı motorlarında, sapma tahriki , asenkron motorların ve az miktarda bakır içeren çok kademeli planet dişli kutularının bir kombinasyonunu kullanır . Güç elektroniği , diğer ekipmanlara kıyasla minimum miktarda bakır içerir. Türbin kapasiteleri arttıkça, dönüştürücü değerleri de düşük voltajdan (<1 kV) orta voltaja (1-5 kV) yükselir. Çoğu rüzgar türbini , jeneratör oranının% 30'u olan bir güç dönüştürücüsüne sahip DFAG dışında, jeneratörle aynı güç derecesine sahip tam güç dönüştürücülere sahiptir. Son olarak, dişli kutuları veya jeneratörler üzerindeki hava / yağ ve su soğutmalı devrelerde az miktarda bakır kullanılır.

Sınıf 5 bakır güç kabloları, jeneratörden döngü ve kule iç duvarı boyunca özel olarak kullanılır. Bunun nedeni, 20 yıllık hizmet ömrü boyunca 15.000 burulma döngüsünden kaynaklanan gerilime dayanabilmesidir.

Rüzgar türbinlerinin içinde ve dışında süper iletken malzemeler test edilmektedir. Daha yüksek elektrik verimliliği, daha yüksek akımları taşıma yeteneği ve daha hafif ağırlıklar sunarlar. Ancak bu malzemeler şu anda bakırdan çok daha pahalıdır.

Açık deniz rüzgar çiftliklerinde bakır

Açık deniz rüzgar santrallerindeki bakır miktarı, kıyıya olan uzaklıkla artar. Açık deniz rüzgar türbinlerinde bakır kullanımı MW başına 10,5 ton civarındadır. Borkum 2 deniz rüzgar parkı , bir 400 MW 5.800 t, dış şebekeye 200 kilometrelik bir bağlantı veya MW başına bakır yaklaşık 14.5 t kullanır. Kornalar Rev açık deniz rüzgar parkı şebekeye verici 160 MW 21 kilometre MW başına bakır 8.75 ton kullanır.

Referanslar