دور شبكة النحاس الموسعة في شفرات توليد الطاقة

تلعب الشبكة النحاسية الموسّعة المستخدمة في شفرات توليد الطاقة (عادةً شفرات توربينات الرياح أو الهياكل الشبيهة بالشفرات في وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية) دورًا أساسيًا في ضمان التوصيل الكهربائي، وتعزيز الاستقرار الهيكلي، وتحسين كفاءة توليد الطاقة. يجب تحليل وظائفها بالتفصيل بناءً على نوع معدات توليد الطاقة (طاقة الرياح/الطاقة الكهروضوئية). وفيما يلي تفسيرٌ خاصٌّ بكل سيناريو:

1. شفرات توربينات الرياح: الأدوار الأساسية للشبكة النحاسية الموسعة - الحماية من الصواعق والمراقبة الهيكلية

شفرات توربينات الرياح (معظمها مصنوع من مواد مركبة من ألياف زجاجية وألياف كربونية، يصل طولها إلى عشرات الأمتار) هي مكونات معرضة للصواعق على ارتفاعات عالية. في هذه الحالة، تؤدي شبكة النحاس الممددة بشكل رئيسي وظيفتين: "الحماية من الصواعق" و"مراقبة السلامة". وتُقسّم هذه الأدوار المحددة إلى:

1.1 الحماية من الصواعق: بناء "مسار موصل" داخل الشفرة لتجنب أضرار الصواعق

1.1.1 استبدال الحماية المحلية لقضبان الصواعق المعدنية التقليدية

تعتمد الحماية التقليدية من الصواعق باستخدام الشفرة على مانع الصواعق المعدني عند طرف الشفرة. ومع ذلك، فإن الهيكل الرئيسي للشفرة مصنوع من مواد مركبة عازلة. عند حدوث صاعقة، من المرجح أن يُشكل التيار "جهدًا متدرجًا" داخلها، مما قد يُسبب تلف هيكل الشفرة أو احتراق الدائرة الداخلية. تُشكل الشبكة النحاسية الموسعة (عادةً شبكة نحاسية دقيقة منسوجة، مُثبتة على الجدار الداخلي للشفرة أو مُدمجة في طبقة المادة المركبة) شبكة موصلة مستمرة داخل الشفرة. تُوصل هذه الشبكة تيار الصواعق الذي يستقبله مانع الصواعق عند طرف الشفرة بالتساوي إلى نظام التأريض عند قاعدة الشفرة، مما يُجنب تركيز التيار الذي قد يُسبب تلفها. وفي الوقت نفسه، تحمي هذه الشبكة المستشعرات الداخلية (مثل مستشعرات الإجهاد ومستشعرات درجة الحرارة) من أضرار الصواعق.

1.1.2 الحد من خطر الشرر الناتج عن الصواعق

يتمتع النحاس بموصلية كهربائية ممتازة (بمقاومة كهربائية تبلغ 1.72×10⁻⁸Ω فقط)・يمكن أن ينقل تيار البرق بسرعة، ويقلل من الشرر عالي الحرارة الناتج عن التيار المتبقي داخل الشفرة، ويتجنب اشتعال المواد المركبة للشفرة (بعض المواد المركبة القائمة على الراتنج قابلة للاشتعال)، ويقلل من مخاطر السلامة الناجمة عن احتراق الشفرة.

1.2 مراقبة صحة الهيكل: بمثابة "قطب استشعار" أو "ناقل إشارة"

1.2.1 المساعدة في نقل إشارة أجهزة الاستشعار المدمجة

تحتاج شفرات توربينات الرياح الحديثة إلى مراقبة تشوهها واهتزازها ودرجة حرارتها وغيرها من العوامل آنيًا لتحديد ما إذا كانت هناك تشققات أو أضرار ناتجة عن التعب. زُرعت العديد من المستشعرات الدقيقة داخل الشفرات. تُستخدم الشبكة النحاسية الموسعة كـ"خط نقل إشارات" للمستشعرات. تُقلل خاصية المقاومة المنخفضة للشبكة النحاسية من ضعف إشارات المراقبة أثناء النقل لمسافات طويلة، مما يضمن تلقي نظام المراقبة في قاعدة الشفرة بيانات حالة طرفها وجسمها بدقة. وفي الوقت نفسه، يُشكل هيكل الشبكة النحاسية "شبكة مراقبة موزعة" مع المستشعرات، تغطي كامل مساحة الشفرة وتتجنب نقاط المراقبة العمياء.

1.2.2 تعزيز القدرة المضادة للكهرباء الساكنة للمواد المركبة

عند دوران الشفرة بسرعة عالية، تحتك بالهواء لتوليد كهرباء ساكنة. في حال تراكم كمية كبيرة منها، قد تتداخل مع إشارات المستشعر الداخلية أو تتلف المكونات الإلكترونية. بفضل خاصية التوصيل الشبكي النحاسي الموسع، يمكن توصيل الكهرباء الساكنة إلى نظام التأريض بشكل فوري، مما يحافظ على توازن الشحنات الكهروستاتيكية داخل الشفرة ويضمن التشغيل المستقر لنظام المراقبة ودائرة التحكم.

2. وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (هياكل على شكل شفرة): الأدوار الأساسية لشبكة النحاس الموسعة - التوصيل وتحسين كفاءة توليد الطاقة

في بعض معدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (مثل الألواح الكهروضوئية المرنة ووحدات توليد الطاقة الشبيهة بالشفرات في البلاط الكهروضوئي)، تُستخدم شبكة النحاس المتمددة بشكل رئيسي لاستبدال أو دعم أقطاب عجينة الفضة التقليدية، مما يُحسّن كفاءة التوصيل ومتانة الهيكل. وتتمثل أدوارها المحددة فيما يلي:

2.1 تحسين كفاءة جمع ونقل التيار

2.1.1 "حل موصل منخفض التكلفة" يحل محل معجون الفضة التقليدي

تُشكّل خلية السيليكون البلورية جوهر الوحدات الكهروضوئية. وتُستخدم أقطاب كهربائية لجمع التيار المولّد ضوئيًا من الخلية. تستخدم الأقطاب الكهربائية التقليدية غالبًا معجون الفضة (الذي يتميز بموصلية جيدة ولكنه باهظ الثمن). تُغطي الشبكة النحاسية الموسعة (بموصلية قريبة من موصلية الفضة، وبتكلفة تُقارب 1/50 فقط من تكلفة الفضة) سطح الخلية عبر "هيكل شبكي" لتكوين شبكة تجميع تيار فعّالة. تسمح فجوات الشبكة النحاسية للضوء بالنفاذ بشكل طبيعي (دون حجب منطقة استقبال الضوء في الخلية)، وفي الوقت نفسه، تجمع خطوط الشبكة التيار المتناثر في أجزاء مختلفة من الخلية بسرعة، مما يُقلل من "فقدان المقاومة المتتالية" أثناء نقل التيار، ويُحسّن الكفاءة الإجمالية لتوليد الطاقة في الوحدة الكهروضوئية.

2.1.2 التكيف مع متطلبات تشوه الوحدات الكهروضوئية المرنة

يجب أن تتمتع الألواح الكهروضوئية المرنة (مثل تلك المستخدمة في الأسقف المنحنية والمعدات المحمولة) بخصائص قابلة للانحناء. لا يمكن تكييف أقطاب عجينة الفضة التقليدية (الهشة وسهلة الكسر عند الانحناء). ومع ذلك، تتميز شبكة النحاس بمرونة وصلابة جيدتين، مما يسمح لها بالانحناء بشكل متزامن مع الخلية المرنة. بعد الانحناء، تحافظ على استقرار توصيلها، مما يمنع انقطاع توليد الطاقة الناتج عن كسر الأقطاب الكهربائية.

2.2 تعزيز المتانة الهيكلية للوحدات الكهروضوئية

2.2.1 مقاومة التآكل البيئي والأضرار الميكانيكية

تتعرض الوحدات الكهروضوئية للعوامل الخارجية لفترات طويلة (الرياح والأمطار ودرجات الحرارة والرطوبة العالية). تتآكل أقطاب عجينة الفضة التقليدية بسهولة بفعل بخار الماء والملح (في المناطق الساحلية)، مما يؤدي إلى انخفاض في الموصلية. يمكن لشبكة النحاس تحسين مقاومتها للتآكل بشكل أكبر من خلال طلاء السطح (مثل طلاء القصدير والنيكل). في الوقت نفسه، يمكن لهيكلها الشبكي تبديد إجهاد الصدمات الميكانيكية الخارجية (مثل صدمات البَرَد والرمال)، مما يمنع الخلية من الكسر بسبب الإجهاد الموضعي المفرط، ويطيل عمر خدمة الوحدة الكهروضوئية.

2.2.2 المساعدة في تبديد الحرارة وتقليل فقدان درجة الحرارة

تُولّد الوحدات الكهروضوئية حرارةً نتيجة امتصاص الضوء أثناء التشغيل. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة جدًا إلى "فقدان معامل درجة الحرارة" (تنخفض كفاءة توليد الطاقة لخلايا السيليكون البلورية بحوالي 0.4% إلى 0.5% لكل زيادة في درجة الحرارة درجة مئوية واحدة). يتميز النحاس بموصلية حرارية ممتازة (بموصلية حرارية تبلغ 401 واط/متر مكعب).・يمكن استخدام الشبكة النحاسية الموسعة كـ "قناة لتبديد الحرارة" لتوصيل الحرارة الناتجة عن الخلية بسرعة إلى سطح الوحدة، وتبديد الحرارة من خلال الحمل الحراري للهواء، مما يقلل من درجة حرارة تشغيل الوحدة ويقلل من فقدان الكفاءة الناجم عن فقدان درجة الحرارة.

3. الأسباب الرئيسية لاختيار "مادة النحاس" لشبكة النحاس الموسعة: التكيف مع متطلبات أداء شفرات توليد الطاقة

تتطلب شفرات توليد الطاقة متطلبات أداء صارمة لشبكة النحاس الموسّعة، وتلبي خصائص النحاس هذه المتطلبات تمامًا. المزايا المحددة موضحة في الجدول التالي:

في الختام، لا تُعدّ الشبكة النحاسية الموسّعة في ريش توليد الطاقة "مكوّنًا عالميًا"، بل تلعب دورًا مُحدّدًا حسب نوع المعدّة (طاقة الرياح/الطاقة الكهروضوئية). ففي ريش توربينات الرياح، تُركّز على "الحماية من الصواعق + مراقبة السلامة" لضمان التشغيل الآمن للمعدّات؛ وفي الوحدات الكهروضوئية، تُركّز على "موصلية عالية الكفاءة + متانة هيكلية" لتحسين كفاءة توليد الطاقة وعمر الخدمة. يتمحور جوهر وظائفها حول الأهداف الثلاثة الأساسية المتمثلة في "ضمان سلامة واستقرار وكفاءة معدات توليد الطاقة"، وتُشكّل خصائص مادة النحاس الدعامة الأساسية لتحقيق هذه الوظائف.