انتقال انرژی با نانوفناوری

محسن معصومی: صنعت سیم و کابل یکی از مهم‌ترین بخش‌های موجود در توزیع و انتقال انرژی الکتریکی است. با توجه به گران بودن نرخ سیم و کابل این بخش یکی از پرهزینه‌ترین بخش‌ها چه در اجرا و چه در تعمیرات به شمار می‌رود.

از این رو، بررسی و رفع چالش‌های این بخش می‌تواند موجب صرفه‌جویی اقتصادی زیادی در هزینه‌ها شود. فناوری نانو به عنوان یک رویکرد جدید می‌تواند بخشی از چالش‌های موجود در صنعت سیم و کابل را ر‌فع کند. این فناوری را می‌توان‌ در بخش پوشش و روکش‌های کابل‌ها به کار برد چراکه موجب افزایش طول عمر و بالا رفتن مقاومت در برابر خوردگی و پوسیدگی می‌شود. فناوری نانو می‌تواند با افزایش قدرت عایقی روکش و پوشش سیم و کابل موجب افزایش قدرت انتقالی نیز شود که این امر نیز صرفه‌جویی اقتصادی در پی خواهد داشت. از دیگر کاربردهای این فناوری که بیشتر در مرحله تحقیقاتی است می‌توان به افزایش بازده و کاهش تلفات کابل‌ها اشاره کرد. ایمنی‌بخشی نیز با توجه به بازده اقتصادی بالا می‌تواند مبحث بسیار مناسبی برای سرمایه‌گذاری باشد. استفاده از فناوری نانو در بخش سیم و کابل موجب ایجاد رویکردهای جدیدی برای رفع چالش‌های این صنعت شده است.


کابل‌ها و خطوط انتقال
به دلیل افزایش روزافزون مصرف انرژی الکتریکی، خطوط انتقال نیرو پیوسته در حال گسترش هستند زیرا تبادل اصلی و اساسی انرژی در شبکه‌های سراسری به واسطه خطوط انتقال انرژی با ظرفیت بالا انجام می‌شود. بدون‌تردید هادی‌ها مهم‌ترین اجزای هر شبکه انتقال انرژی به شمار می‌روند و مسیر جریان از طریق آنها برقرار می‌شود. تمام تمهیدات نیز در طراحی یک خط فشار قوی فقط به‌منظور انتقال مناسب و مطمئن انرژی الکتریکی از طریق هادی‌ها انجام می‌شود. هر نوع هادی که بتواند جریان برق را از خود عبور دهد و با موادی نسبت به محیط اطراف خود عایق شده باشد به‌ طوری‌ که ولتاژ سطح عایق نسبت به زمین برابر صفر بوده و خود هادی نسبت به زمین دارای ولتاژ فازی باشد را کابل می‌گویند. کابل‌ها از ۳ قسمت اصلی تشکیل شده‌اند که عبارتند از: هادی، عایق و بخش حفاظت خارجی‌(بخش حفاظت خارجی ممکن است از چندین قسمت تشکیل شده باشد). قسمت اصلی کابل که همان هادی آن است، وظیفه هدایت جریان را برعهده دارد. پس از سیم یک لایه عایقی روی هادی کابل پیچیده می‌شود که هادی‌های کابل را از یکدیگر و نیز محیط اطراف جدا می‌کند. تعداد زیادی از کابل‌ها مانند کابل‌های فشار ضعیف، مخابرات و... فقط دارای همین دو جزء هستند اما با افزایش ولتاژ، ساختمان کابل‌ها نیز پیچیده‌تر می‌شود. بخش حفاظت خارجی، کابل را در مقابل آسیب‌های مکانیکی، شیمیایی و... حفظ می‌کند. هادی کابل، قسمت اصلی کابل است که جریان الکتریکی را هدایت می‌کند. جنس این هادی‌ها به طور معمول‌ از مس و آلومینیوم است، البته درحال‌حاضر به طور تقریبی تمامی کابل‌هایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، با هادی مسی بوده و این به دلیل قابلیت هدایت بیشتر، پایداری بهتر در برابر رطوبت و عوامل جوی، استحکام مکانیکی بیشتر و شکل‌پذیری بهتر مس نسبت به آلومینیوم است. هادی کابل ممکن است به ‌صورت رشته‌ای، مفتولی، گرد یا مثلثی باشد.


چالش‌های موجود در کابل‌ها
از چالش‌های موجود در کابل‌ها می‌توان به وزن بالای هادی‌ها که موجب بروز خسارت به تجهیزات و استراکچرها می‌شود، نام برد.
 از دیگر‌‌ چالش‌های مهم موجود در کابل‌ها، تلفات انرژی الکتریکی است. ۲۱.۶ درصد از کل تولید انرژی در بخش‌های انتقال تا توزیع در صنعت برق ایران تلف می‌شود که بیشتر این تلفات به سیم‌ها و کابل‌ها مربوط می‌شود. یکی دیگر از چالش‌های موجود در کابل‌ها، عایق‌های مورد استفاده هستند که در اثر انرژی حرارتی ناشی از جریان مداوم بار، جریان اتصالی و... سبب خرابی و ایجاد اتصالی و نیز آتش‌سوزی می‌شوند.


فناوری نانو در کابل‌ها
دانش و فناوری نانو موجب تحولات قابل‌توجهی در صنعت برق شده است. از این تحولات می‌توان به تولید الیاف نانولوله کربنی اشاره کرد. الیاف نانو‌لوله کربنی با رسانایی الکتریکی بالا و به مراتب بهتر از مس، تاثیر چشمگیری در کاهش تلفات دارد. با فرض کردن ۵ درصد بازده هدایتی جریان نانولوله به نانولوله در طول الیاف و تراکم فشرده‌سازی ۱۰۱۴ نانولوله کربنی در یک سانتی‌متر مربع، یک دسته الیاف نانولوله کربنی جریانی معادل ۱۰۰میلیون آمپر در سانتی‌متر مربع را انتقال می‌دهد که معادل ۱۰۰ برابر ظرفیت انتقال بهترین ابررساناهای با درجه حرارت پایین است. با فناوری فعلی، تلفات خطوط انتقال قدرت حدود ۷ درصد است که کاهش این تلفات به ۶درصد برابر با ذخیره انرژی سالانه می‌شود که برابر با ذخیره ۲۴میلیون بشکه نفت است. همچنین این کاهش تلفات منجر به صرفه‌جویی قابل‌توجهی در زغال‌سنگ و گاز مصرفی و کاهش انتشار کربن در صنعت برق می‌شود. توسعه این مواد در بازارهای جهانی نیز قابل‌توجه است. نانولوله‌های کربنی علاوه‌بر رسانایی الکتریکی، مقاومت مکانیکی خیلی خوبی‌(در حد مستحکم‌ترین نوع فولادها) نیز دارند که منجر به خواص مکانیکی مناسب این ماده نیز می‌شود. برای بهبود خواص عایقی روکش کابل‌های الکتریکی، نیز می‌توان از نانوکامپوزیت‌ها، بر پایه مواد پلیمری و نانوذرات خاک رس استفاده کرد. این مواد علاوه‌بر خواص مکانیکی مناسب، ویژگی‌های دیگری مانند مقاومت بالا در برابر آتش‌سوزی را برای عایق سیم به همراه دارد.


کابل‌های نانولوله کربنی
رسانایی الکتریکی کابل‌های نانولوله‌ای می‌تواند در حد رسانایی سیم‌های فلزی باشد، در حالی که وزن آنها بسیار کمتر است. با استفاده از فناوری نانو، نانولوله‌های کربنی دو جداره کابل انتقال برق ساخته شده که به وسیله آن یک لامپ فلورسانت در ولتاژ استاندارد شبکه روشن شده است. بر اساس گفته پژوهشگران، رسانایی الکتریکی کابل‌های نانولوله‌ای می‌تواند در حد رسانایی سیم‌های فلزی باشد در حالی که وزن آنها بسیار کمتر است. کابل‌های بسیار رسانای مبتنی‌بر نانولوله‌های کربنی می‌توانند کارآیی همانند کابل‌های فلزی مرسوم داشته باشد و در همان حال وزن آنها حدود یک‌ششم باشد. این کابل‌ها را می‌توان در کاربردهایی مانند صنایع هواپیمایی و خودروسازی که در آنها وزن یک فاکتور مهم است، به‌طور گسترده استفاده کرد و حتی ممکن است در آینده جایگزین سیم‌کشی مرسوم در خانه‌ها شوند. این کابل‌ها از نانولوله‌های خالص بافته شده‌اند و می‌توان آنها را بدون از دست دادن رسانایی‌شان به هم گره زد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که استحکام و سختی این نانوکابل در حد کابل‌ها فلزی هستند و آن در گستره وسیعی از دماها کار می‌کند.


حفاظت از سیم‌های مسی
مس به دلیل هدایت بالای الکتریکی خود، کاربردهای زیادی در بخش تولید کابل و سیم‌ها دارد. از سوی دیگر، هدایت گرمایی بالای مس موجب شده تا از این ماده برای انتقال حرارت استفاده شود. با این ویژگی‌ها، مس در حوزه‌های مختلف قابل کاربرد است و حتی در برخی موارد، از این فلز در محیط‌های بسیار خورنده و مرطوب استفاده می‌شود. خوردگی مس می‌تواند اثر نامطلوبی روی عملکرد دستگاه‌ها داشته باشد که در نهایت، گرم شدن بیش از حد و خرابی، از پیامدهای این فرآیند خواهد بود.
گرافن ماده‌ای غیرقابل نفوذ و از نظر شیمیایی کاملا خنثی است. این ماده بسیار نازک، می‌تواند به‌عنوان پوشش روی سطح مواد مختلف قرار گرفته و از آنها محافظت کند. به این منظور پژوهشگران، پوشش گرافنی تقویت شده با گرافن تولید کرده‌اند که امکان تولید انبوه و تجاری آن وجود دارد.
 وجود سیلیکون در چند لایه‌های گرافنی موجب بروز خواص ضدخوردگی در پوشش شده است. وجود پوشش گرافنی می‌تواند مانع از خوردگی و از هم‌گسیختگی سیم‌های مسی شود و در نهایت، هدایت گرمایی و الکتریکی این سیم‌ها را در محیط‌های بسیار خورنده حفظ کند.



چاپ