नवीकरणीय ऊर्जा में तांबा

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सौर, पवन, ज्वार, जलविद्युत, बायोमास और भूतापीय जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत ऊर्जा बाजार के महत्वपूर्ण क्षेत्र बन गए हैं।[1][2] 21वीं सदी में इन स्रोतों की तीव्र वृद्धि को जीवाश्म ईंधन की बढ़ती लागत के साथ-साथ उनके पर्यावरणीय प्रभाव के मुद्दों से प्रेरित किया गया है जिससे उनके उपयोग में काफी कमी आई है।

तांबा इन नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।[3][4][5][6][7] पारंपरिक बिजली उत्पादन, जैसे जीवाश्म ईंधन और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की तुलना में नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों में तांबे का उपयोग औसतन पांच गुना अधिक है।[8] चूंकि तांबा इंजीनियरिंग धातुओं (चांदी के बाद दूसरा) के बीच एक उत्कृष्ट थर्मल और इलेक्ट्रिकल कंडक्टर है,[9] विद्युत प्रणालियां जो तांबे का उपयोग करती हैं, उच्च दक्षता और न्यूनतम पर्यावरणीय प्रभावों के साथ ऊर्जा उत्पन्न और संचारित करती हैं।

विद्युत कंडक्टरों का चयन करते समय, सुविधा नियोजक और इंजीनियर अपने उपयोगी जीवन के दौरान उनकी विद्युत ऊर्जा दक्षताओं और रखरखाव लागत के कारण परिचालन बचत के विरुद्ध सामग्री की पूंजी निवेश लागत को ध्यान में रखते हैं। इन गणनाओं में कॉपर का प्रदर्शन अक्सर अच्छा रहता है। "तांबा उपयोग की तीव्रता" नामक कारक एक मेगावाट नई बिजली उत्पादन क्षमता स्थापित करने के लिए आवश्यक तांबे की मात्रा का माप है।

रीसाइक्लिंग के लिए तांबे के तार

नई नवीनीकरण ऊर्जा संयंत्र की योजना बनाते समय, इंजीनियर्स और उत्पाद निर्धारक सुनिश्चित करने का प्रयत्न करते हैं कि वह चयनित सामग्रियों की आपूर्ति में कोई कमी न होड़े। संयुक्त राज्य भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण के अनुसार, ग्राउंड में स्थित तांबे के भंडार 1950 से 2017 तक 100 मिलियन टन से लेकर 720 मिलियन टन तक बढ़ गए हैं, हालांकि दुनिया में प्रशोधित उपयोग पिछले 50 वर्षों में तीन गुना हो गया है।[10] तांबे की संपदा का अनुमान है कि वह 5,000 मिलियन टन से अधिक हो सकती है।[11][12]

तांबे के निष्कर्षण से आपूर्ति को बढ़ावा देने के लिए 2007 से 2017 तक स्थापित 30 प्रतिशत से अधिक तांबा पुनर्नवीनीकरण स्रोतों से आया है।[13] इसकी पुनर्चक्रण दर किसी भी अन्य धातु की तुलना में अधिक है।[14]

यह आलेख विभिन्न अक्षय ऊर्जा उत्पादन प्रणालियों में तांबे की भूमिका पर चर्चा करता है।

सिंहावलोकन

दुनिया भर में तांबे का अधिकांश उपयोग बिजली के तारों के लिए होता है, जिसमें जनरेटर और मोटर की कॉइल भी शामिल हैं।

स्थापित बिजली की प्रति इकाई टन टन तांबे के संदर्भ में पारंपरिक ताप विद्युत संयंत्रों की तुलना में तांबा नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन में बड़ी भूमिका निभाता है।[15] अक्षय ऊर्जा प्रणालियों में तांबे के उपयोग की तीव्रता जीवाश्म ईंधन या परमाणु संयंत्रों की तुलना में चार से छह गुना अधिक है। उदाहरण के लिए, जबकि पारंपरिक ऊर्जा के लिए प्रति स्थापित मेगावाट (मेगावाट) लगभग 1 टन तांबे की आवश्यकता होती है, पवन और सौर जैसी नवीकरणीय प्रौद्योगिकियों के लिए प्रति स्थापित मेगावाट चार से छह गुना अधिक तांबे की आवश्यकता होती है। इसका कारण यह है कि तांबा बहुत बड़े भूमि क्षेत्रों में फैला हुआ है, खासकर सौर और पवन ऊर्जा बिजली संयंत्रों में।[16] ऊर्जा भंडारण प्रणालियों और मुख्य विद्युत ग्रिड सहित व्यापक रूप से फैले हुए घटकों को जोड़ने के लिए बिजली और ग्राउंडिंग केबल को दूर तक चलना चाहिए।[17][8]

पवन और सौर फोटोवोल्टिक ऊर्जा प्रणालियों में सभी नवीकरणीय ऊर्जा प्रौद्योगिकियों की तुलना में सबसे अधिक तांबे की मात्रा होती है। एक अकेले पवन फार्म में 2000 से 7000 टन तक तांबा हो सकता है। एक फोटोवोल्टिक सौर ऊर्जा संयंत्र में प्रति मेगावाट बिजली उत्पादन में लगभग 5.5 टन तांबा होता है।[18] एक 660 किलोवाट टरबाइन में लगभग 800 पाउंड (350 किलोग्राम) तांबा होने का अनुमान है।[19]

2011 में नवीकरणीय आधारित और वितरित बिजली उत्पादन में उपयोग किए जाने वाले तांबे की कुल मात्रा 272 किलोटन (केटी) होने का अनुमान लगाया गया था। 2011 तक तांबे का संचयी उपयोग 1,071 किलो टन होने का अनुमान लगाया गया था।

नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन में तांबे का उपयोग
2011 में स्थापित बिजली[20] 2011 तक संचयी स्थापित बिजली[20] 2011 में तांबे का उपयोग[21][22][23] 2011 तक तांबे का संचयी उपयोग[22][23][21]
गीगावाट (GW) गीगावाट (GW) किलोटन (kt) किलोटन (kt)
फोटोवोल्टिक 30 70 150 350
सौर तापीय बिजली 0.46 1.76 2 7
पवन 40 238 120 714
तीनों प्रौद्योगिकियों के लिए कुल 272 1071

तांबे के कंडक्टरों का उपयोग प्रमुख विद्युत नवीकरणीय ऊर्जा घटकों, जैसे टर्बाइन, जनरेटर, ट्रांसफार्मर, इनवर्टर, विद्युत केबल, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और सूचना केबल में किया जाता है। टरबाइन/जनरेटर, ट्रांसफार्मर/इनवर्टर और केबल में तांबे का उपयोग लगभग समान है। पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में बहुत कम तांबे का उपयोग किया जाता है।

सौर तापीय तापन और शीतलन ऊर्जा प्रणालियाँ अपने तापीय ऊर्जा दक्षता लाभों के लिए तांबे पर निर्भर करती हैं। गीले, आर्द्र और खारे संक्षारक वातावरण में नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों में तांबे का उपयोग एक विशेष संक्षारण प्रतिरोधी सामग्री के रूप में भी किया जाता है।

तांबा एक टिकाऊ सामग्री है जो 100% पुनर्चक्रण योग्य है और इसकी पुनर्चक्रण दर किसी भी अन्य धातु की तुलना में अधिक है।[18] उपकरण के उपयोगी जीवन के अंत में, इसके तांबे को इसके लाभकारी गुणों के बिना किसी नुकसान के पुनर्चक्रित किया जा सकता है।

सौर फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन

पारंपरिक जीवाश्म ईंधन संयंत्रों की तुलना में फोटोवोल्टिक प्रणालियों में प्रति यूनिट उत्पादन में ग्यारह से चालीस गुना अधिक तांबा होता है।[24] फोटोवोल्टिक प्रणालियों में तांबे का उपयोग औसतन लगभग 4-5 टन प्रति मेगावाट[25][8] या इससे अधिक होता है यदि प्रवाहकीय रिबन स्ट्रिप्स जो व्यक्तिगत पीवी कोशिकाओं को जोड़ते हैं, पर विचार किया जाता है।[22]

तांबे का उपयोग किया जाता है:

  • छोटे तार जो फोटोवोल्टिक मॉड्यूल को एक दूसरे से जोड़ते हैं
  • इलेक्ट्रोड अर्थ पेग्स, क्षैतिज प्लेटों, नग्न केबलों और तारों में अर्थिंग ग्रिड
  • डीसी केबल जो फोटोवोल्टिक मॉड्यूल को इनवर्टर से जोड़ते हैं
  • निम्न-वोल्टेज एसी केबल जो इनवर्टर को मीटरिंग सिस्टम और सुरक्षा कैबिनेट से जोड़ते हैं
  • उच्च वोल्टेज एसी केबल
  • संचार केबल
  • इन्वर्टर/पावर इलेक्ट्रॉनिक्स
  • रिबन
  • ट्रांसफार्मर की वाइंडिंग्स।

2011 में फोटोवोल्टिक प्रणालियों में प्रयुक्त तांबे का अनुमान 150 kt था। 2011 तक फोटोवोल्टिक प्रणालियों में तांबे का संचयी उपयोग 350 किलो टन होने का अनुमान लगाया गया था।[22]

फोटोवोल्टिक प्रणाली विन्यास

सौर फोटोवोल्टिक (पीवी) प्रणालियाँ अत्यधिक स्केलेबल हैं, छोटी छत प्रणालियों से लेकर सैकड़ों मेगावाट की क्षमता वाले बड़े फोटोवोल्टिक पावर स्टेशन तक। आवासीय प्रणालियों में, तांबे की तीव्रता विद्युत उत्पादन प्रणाली की क्षमता के साथ रैखिक रूप से स्केलेबल प्रतीत होती है।[26]आवासीय और समुदाय-आधारित प्रणालियों की क्षमता आम तौर पर 10 किलोवाट से 1 मेगावाट तक होती है।

पीवी कोशिकाओं को सौर मॉड्यूल में एक साथ समूहीकृत किया जाता है। ये मॉड्यूल पैनलों से जुड़े होते हैं और फिर पीवी सरणियों में। ग्रिड-कनेक्टेड फोटोवोल्टिक विद्युत प्रणाली में, सरणियाँ उप-क्षेत्र बना सकती हैं, जहां से बिजली एकत्र की जाती है और ग्रिड कनेक्शन की ओर ले जाया जाता है।

कॉपर सौर केबल मॉड्यूल (मॉड्यूल केबल), एरे (एरे केबल), और सब-फील्ड्स (फील्ड केबल) को जोड़ते हैं। चाहे कोई सिस्टम ग्रिड से जुड़ा हो या नहीं, पीवी कोशिकाओं से एकत्रित बिजली को डीसी से एसी में परिवर्तित करने और वोल्टेज बढ़ाने की आवश्यकता होती है। यह सौर इन्वर्टर द्वारा किया जाता है जिसमें तांबे की वाइंडिंग होती है, साथ ही तांबा युक्त पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ भी किया जाता है।

सौर सेल

फोटोवोल्टिक उद्योग सौर कोशिकाओं के उत्पादन के लिए कई अलग-अलग अर्धचालक सामग्रियों का उपयोग करता है और अक्सर उन्हें पहली और दूसरी पीढ़ी की प्रौद्योगिकियों में समूहित करता है, जबकि तीसरी पीढ़ी में कई उभरती हुई प्रौद्योगिकियां शामिल होती हैं जो अभी भी अनुसंधान और विकास के चरण में हैं। सौर सेल आम तौर पर आपतित सूर्य के प्रकाश के 20% को बिजली में परिवर्तित करते हैं, जिससे प्रति वर्ष प्रति वर्ग मीटर पैनल 100 - 150 kWh का उत्पादन होता है।[27]

पारंपरिक पहली पीढ़ी के क्रिस्टलीय सिलिकॉन (सी-एसआई) प्रौद्योगिकी में मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन और पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन शामिल हैं। इस वेफर-आधारित तकनीक की लागत को कम करने के लिए, पसंदीदा कंडक्टर सामग्री के रूप में तांबे से संपर्क किए गए सिलिकॉन सौर सेल चांदी के एक महत्वपूर्ण विकल्प के रूप में उभर रहे हैं। सौर सेल धातुकरण के साथ चुनौतियाँ सिलिकॉन और तांबे के बीच एक समरूप और गुणात्मक रूप से उच्च-मूल्य परत के निर्माण में निहित हैं जो अर्धचालक में तांबे के प्रसार के खिलाफ बाधा के रूप में कार्य करती है। सिलिकॉन सौर कोशिकाओं में कॉपर-आधारित फ्रंट-साइड मेटलाइज़ेशन कम लागत की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।[28]

दूसरी पीढ़ी की प्रौद्योगिकी में पतली फिल्म सौर सेल शामिल हैं। पारंपरिक पीवी तकनीक की तुलना में थोड़ी कम रूपांतरण दक्षता होने के बावजूद, प्रति-वाट कुल लागत अभी भी कम है। व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों में कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड सौर सेल (सीआईजीएस) और कैडमियम टेलुराइड फोटोवोल्टिक्स (सीडीटीई) शामिल हैं, जबकि हाल के वर्षों में अनाकार सिलिकॉन (ए-सी) और माइक्रोमोर्फस सिलिकॉन (एम-सी) टेंडेम सेल धीरे-धीरे प्रतिस्पर्धा में आगे निकल रहे हैं।

CIGS, जो वास्तव में कॉपर (इंडियम-गैलियम) डिसेलेनाइड या Cu(InGa)Se2 है, सिलिकॉन से इस मायने में भिन्न है कि यह एक हेटरोजंक्शन सेमीकंडक्टर है। इसमें पतली फिल्म सामग्री के बीच सबसे अधिक सौर ऊर्जा रूपांतरण दक्षता (~20%) है।[29] क्योंकि CIGS सूरज की रोशनी को दृढ़ता से अवशोषित करता है, इसलिए अन्य अर्धचालक सामग्रियों की तुलना में बहुत पतली फिल्म की आवश्यकता होती है।

एक फोटोवोल्टिक सेल निर्माण प्रक्रिया विकसित की गई है जो सीआईजीएस अर्ध-कंडक्टरों को मुद्रित करना संभव बनाती है। इस तकनीक में वितरित प्रति सौर वाट की कीमत को कम करने की क्षमता है।

फोटोवोल्टिक उपकरणों के लिए पारंपरिक एकल क्रिस्टल और पतली फिल्मों के विकल्प के रूप में मोनो-फैलाए गए कॉपर सल्फाइड नैनोक्रिस्टल पर शोध किया जा रहा है। यह तकनीक, जो अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, में डाई-सेंसिटाइज़्ड सौर सेल, पूर्ण-अकार्बनिक सौर सेल और हाइब्रिड नैनोक्रिस्टल-पॉलीमर मिश्रित सौर सेल की क्षमता है।[30]


केबल्स

सौर ऊर्जा उत्पादन प्रणालियाँ बड़े क्षेत्रों को कवर करती हैं। मॉड्यूल और सरणियों के बीच कई कनेक्शन हैं, और उप-क्षेत्रों में सरणियों के बीच कनेक्शन और नेटवर्क से लिंकेज हैं। सौर ऊर्जा संयंत्रों में तार लगाने के लिए सौर केबलों का उपयोग किया जाता है।[31] इसमें शामिल केबलिंग की मात्रा काफी हो सकती है। उपयोग किए जाने वाले तांबे के केबलों के विशिष्ट आकार मॉड्यूल केबल के लिए 4-6 मिमी2, ऐरे केबल के लिए 6-10 मिमी2 और फ़ील्ड केबल के लिए 30-50 मिमी2 होते हैं।[27]

ऊर्जा दक्षता और सिस्टम डिज़ाइन

ऊर्जा दक्षता और नवीकरणीय ऊर्जा एक स्थायी ऊर्जा भविष्य के जुड़वां स्तंभ हैं। हालाँकि, संभावित तालमेल के बावजूद इन स्तंभों का आपस में जुड़ाव बहुत कम है। जितनी अधिक कुशलतापूर्वक ऊर्जा सेवाएं प्रदान की जाएंगी, उतनी ही तेजी से नवीकरणीय ऊर्जा प्राथमिक ऊर्जा का प्रभावी और महत्वपूर्ण योगदानकर्ता बन सकती है। नवीकरणीय स्रोतों से जितनी अधिक ऊर्जा प्राप्त की जाती है, उतनी ही ऊर्जा मांग को पूरा करने के लिए जीवाश्म ईंधन ऊर्जा की उतनी ही कम आवश्यकता होती है।[32] ऊर्जा दक्षता के साथ नवीकरणीय ऊर्जा का यह जुड़ाव तांबे के विद्युत ऊर्जा दक्षता लाभों पर आंशिक रूप से निर्भर करता है।

किसी कॉपर केबल का व्यास बढ़ाने से इसकी इलेक्ट्रिकल ऊर्जा क्षमता बढ़ जाती है (देखें: तांबे के तार और केबल)। मोटे केबल विद्युतीय (I2R) हानि को कम करते हैं, जो पीवी सिस्टम निवेशों की जीवनकालिक लाभकारीता पर प्रभाव डालती है। जटिल लागत मूल्यांकन, सामग्रियों के लिए अतिरिक्त खर्चों को गणना करना, प्रति वर्ष सौर मॉड्यूल्स की ओर प्रेषित सौर प्रकाश की मात्रा (दिनचर्या और मौसमी चर्यावली, सब्सिडी, टैरिफ्स, पेबैक पीरियड्स, आदि को ध्यान में रखते हुए) उचित है कि मोटे केबल्स के लिए उच्च प्रारंभिक निवेशों को समर्थन देना चाहिए, यह निर्धारित करने के लिए आवश्यक है।

परिस्थितियों के आधार पर, पीवी प्रणालियों में कुछ कंडक्टरों को तांबे या एल्यूमीनियम के साथ निर्दिष्ट किया जा सकता है। अन्य विद्युत प्रवाहकीय प्रणालियों की तरह, प्रत्येक के अपने फायदे हैं (देखें: तांबे के तार और केबल)। जब केबल की उच्च विद्युत चालकता विशेषताएँ और लचीलापन सर्वोपरि महत्व का हो तो तांबा पसंदीदा सामग्री है। इसके अलावा, तांबा छोटी छत सुविधाओं, छोटे केबल ट्रे में, और इस्पात या प्लास्टिक पाइप में डक्टिंग करते समय अधिक उपयुक्त होता है।[22]

छोटी बिजली सुविधाओं में केबल डक्टिंग की आवश्यकता नहीं होती है जहां तांबे के केबल 25mm2 से कम होते हैं। डक्ट कार्य के बिना, एल्यूमीनियम की तुलना में तांबे की स्थापना लागत कम होती है।[22]

डेटा संचार नेटवर्क तांबे, ऑप्टिकल फाइबर और/या रेडियो लिंक पर निर्भर करते हैं। हर सामग्री के अपने फायदे और नुकसान होते हैं। रेडियो लिंक की तुलना में कॉपर अधिक विश्वसनीय है। तांबे के तारों और केबलों के साथ सिग्नल क्षीणन को सिग्नल एम्पलीफायरों के साथ हल किया जा सकता है।[22]

सौर तापीय ऊर्जा को केंद्रित करना

सांद्रित सौर ऊर्जा (सीएसपी), जिसे सौर तापीय बिजली (एसटीई) के रूप में भी जाना जाता है, दर्पणों की श्रृंखला का उपयोग करता है जो सूर्य की किरणों को 4000C और 10000C के बीच के तापमान पर केंद्रित करता है।[27] विद्युत ऊर्जा तब उत्पन्न होती है जब संकेंद्रित प्रकाश को ऊष्मा में परिवर्तित किया जाता है, जो विद्युत ऊर्जा जनरेटर से जुड़े ताप इंजन (आमतौर पर भाप टरबाइन) को चलाता है।

एक सीएसपी प्रणाली में शामिल हैं: 1) एक सांद्रक या कलेक्टर जिसमें दर्पण होते हैं जो सौर विकिरण को प्रतिबिंबित करते हैं और इसे रिसीवर तक पहुंचाते हैं; 2) एक रिसीवर जो संकेंद्रित सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करता है और ताप ऊर्जा को एक कार्यशील तरल पदार्थ (आमतौर पर खनिज तेल, या शायद ही कभी, पिघला हुआ नमक, धातु, भाप या हवा) में स्थानांतरित करता है; 3) एक परिवहन और भंडारण प्रणाली जो रिसीवर से विद्युत रूपांतरण प्रणाली तक तरल पदार्थ पहुंचाती है; और 4) एक भाप टरबाइन जो मांग के अनुसार थर्मल पावर को बिजली में परिवर्तित करती है।

तांबे का उपयोग फील्ड पावर केबल, ग्राउंडिंग नेटवर्क और तरल पदार्थ को ट्रैक करने और पंप करने के लिए मोटरों के साथ-साथ मुख्य जनरेटर और उच्च वोल्टेज ट्रांसफार्मर में भी किया जाता है। आमतौर पर, 50 मेगावाट के बिजली संयंत्र के लिए लगभग 200 टन तांबा होता है।[21]

यह अनुमान लगाया गया है कि 2011 में संकेंद्रित सौर तापीय विद्युत संयंत्रों में तांबे का उपयोग 2 किलो टन था। 2011 तक इन संयंत्रों में संचयी तांबे का उपयोग 7 किलो टन होने का अनुमान लगाया गया था।[21]

सीएसपी प्रौद्योगिकियों के चार मुख्य प्रकार हैं, जिनमें से प्रत्येक में तांबे की एक अलग मात्रा होती है: परवलयिक गर्त संयंत्र, टावर संयंत्र, रैखिक फ्रेस्नेल संयंत्र और डिश स्टर्लिंग संयंत्र सहित वितरित रैखिक अवशोषक प्रणाली।[21] इन पौधों में तांबे का उपयोग यहां वर्णित है।

परवलयिक गर्त पौधे

परवलयिक गर्त संयंत्र सबसे आम सीएसपी तकनीक हैं, जो स्पेन में स्थापित लगभग 94% बिजली का प्रतिनिधित्व करते हैं। ये पौधे रैखिक कलेक्टर ट्यूबों के साथ परवलयिक गर्त सांद्रता में सौर ऊर्जा एकत्र करते हैं। गर्मी हस्तांतरण तरल पदार्थ आमतौर पर सिंथेटिक तेल होते हैं जो 300 डिग्री सेल्सियस से 400 डिग्री सेल्सियस के इनलेट आउटलेट/तापमान पर ट्यूबों के माध्यम से घूमते हैं। 50 मेगावाट की सुविधा की सामान्य भंडारण क्षमता नाममात्र बिजली पर 7 घंटे है। इस आकार और भंडारण क्षमता का एक संयंत्र स्पेन जैसे क्षेत्र में 160 गीगावॉट प्रति वर्ष उत्पन्न कर सकता है।

परवलयिक गर्त संयंत्रों में, तांबा सौर संग्राहक क्षेत्र (पावर केबल, सिग्नल, अर्थिंग, विद्युत मोटर) में निर्दिष्ट होता है; भाप चक्र (पानी पंप, कंडेनसर पंखे, उपभोग बिंदुओं तक केबल लगाना, नियंत्रण संकेत और सेंसर, मोटरें), बिजली जनरेटर (अल्टरनेटर, ट्रांसफार्मर), और भंडारण प्रणाली (परिसंचारी पंप, उपभोग बिंदुओं तक केबल लगाना)। 7.5 घंटे के भंडारण वाले 50 मेगावाट के संयंत्र में लगभग 196 टन तांबा होता है, जिसमें से 131,500 किलोग्राम केबलों में और 64,700 किलोग्राम विभिन्न उपकरणों (जनरेटर, ट्रांसफार्मर, दर्पण और मोटर्स) में होता है। इसका अर्थ लगभग 3.9 टन/मेगावाट, या, दूसरे शब्दों में, 1.2 टन/जीडब्ल्यूएच/वर्ष है। भंडारण के बिना एक ही आकार के संयंत्र में सौर क्षेत्र में 20% कम तांबा और इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में 10% कम तांबा हो सकता है। 100 मेगावाट के संयंत्र में सौर क्षेत्र में प्रति मेगावाट सापेक्ष तांबे की मात्रा 30% कम और इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में 10% कम होगी।[21]

तांबे की मात्रा भी डिज़ाइन के अनुसार भिन्न होती है। 7 घंटे की भंडारण क्षमता वाले एक विशिष्ट 50 मेगावाट बिजली संयंत्र के सौर क्षेत्र में 150 लूप और 600 मोटर होते हैं, जबकि भंडारण के बिना एक समान संयंत्र 100 लूप और 400 मोटर का उपयोग करता है। लूप में द्रव्यमान प्रवाह नियंत्रण के लिए मोटरयुक्त वाल्व अधिक तांबे पर निर्भर करते हैं। प्रतिबिंबित चांदी की परत को गैल्वेनिक संक्षारण संरक्षण प्रदान करने के लिए दर्पण थोड़ी मात्रा में तांबे का उपयोग करते हैं। पौधों के आकार, संग्राहकों के आकार, गर्मी हस्तांतरण तरल पदार्थों की क्षमता में परिवर्तन भी सामग्री की मात्रा को प्रभावित करेगा।[21]

टावर प्लांट

टॉवर संयंत्र, जिन्हें केंद्रीय टॉवर बिजली संयंत्र भी कहा जाता है, भविष्य में पसंदीदा सीएसपी तकनीक बन सकते हैं। वे टावर के शीर्ष पर लगे केंद्रीय रिसीवर में हेलिओस्टेट क्षेत्र द्वारा केंद्रित सौर ऊर्जा एकत्र करते हैं। प्रत्येक हेलियोस्टेट सूर्य को दो अक्षों (एजिमुथ और ऊंचाई) के साथ ट्रैक करता है। इसलिए, प्रति इकाई दो मोटरों की आवश्यकता होती है।

तांबा हेलियोस्टेट क्षेत्र (विद्युत केबल, सिग्नल, अर्थिंग, मोटर्स), प्राप्तकर्ता (ट्रेस हीटिंग, सिग्नल केबल्स), भंडारण सिस्टम (सर्कुलेटिंग पंप्स, उपभोक्ता स्थानों के लिए केबलिंग), विद्युत उत्पन्न (एल्टरनेटर, ट्रांसफॉर्मर), भाप चक्र (पानी के पंप्स, कंडेंसर फैन्स), उपभोक्ता स्थानों के लिए केबलिंग, नियंत्रण सिग्नल और संवेदक, और मोटर्स में आवश्यक होता है।

7.5 घंटे के भंडारण के साथ 50 मेगावाट की सौर टावर सुविधा लगभग 219 टन तांबे का उपयोग करती है। इसका अर्थ है 4.4 टन तांबा/मेगावाट, या, दूसरे शब्दों में, 1.4 टन/जीडब्ल्यूएच/वर्ष। इस राशि में से केबलों की मात्रा लगभग 154,720 किलोग्राम है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, जैसे जनरेटर, ट्रांसफार्मर और मोटर में लगभग 64,620 किलोग्राम तांबा होता है। 100 मेगावाट के संयंत्र में सौर क्षेत्र में प्रति मेगावाट थोड़ा अधिक तांबा होता है क्योंकि हेलियोस्टैट क्षेत्र की दक्षता आकार के साथ कम हो जाती है। 100 मेगावाट के संयंत्र में प्रक्रिया उपकरण में प्रति मेगावाट कुछ हद तक कम तांबा होगा।[21]

रेखीय फ़्रेज़नेल पौधे

रैखिक फ़्रेज़नेल पौधे परवलयिक गर्त पौधों के समान सूर्य की किरणों को अवशोषक ट्यूब में केंद्रित करने के लिए रैखिक परावर्तकों का उपयोग करते हैं। चूंकि सांद्रण कारक परवलयिक गर्त पौधों की तुलना में कम है, इसलिए ताप हस्तांतरण द्रव का तापमान कम है। यही कारण है कि अधिकांश पौधे सौर क्षेत्र और टरबाइन दोनों में काम करने वाले तरल पदार्थ के रूप में संतृप्त भाप का उपयोग करते हैं।

50 मेगावाट के रैखिक फ़्रेज़नेल बिजली संयंत्र को लगभग 1,960 ट्रैकिंग मोटरों की आवश्यकता होती है। प्रत्येक मोटर के लिए आवश्यक शक्ति पैराबोलिक ट्रफ प्लांट की तुलना में बहुत कम है। भंडारण के बिना 50 मेगावाट के लाइनियल फ्रेस्नेल संयंत्र में लगभग 127 टन तांबा होगा। इसका अर्थ है 2.6 टन तांबा/मेगावाट, या दूसरे शब्दों में, 1.3 टन तांबा/जीडब्ल्यूएच/वर्ष। इस मात्रा में से 69,960 किलोग्राम तांबा प्रक्रिया क्षेत्र, सौर क्षेत्र, अर्थिंग और बिजली संरक्षण और नियंत्रण से केबलों में है। अन्य 57,300 किलोग्राम तांबा उपकरण (ट्रांसफार्मर, जनरेटर, मोटर, दर्पण, पंप, पंखे) में है।[21]

डिश स्टर्लिंग पौधे

ये संयंत्र एक उभरती हुई तकनीक है जिसमें विकेंद्रीकृत अनुप्रयोगों के लिए समाधान के रूप में क्षमता है। रूपांतरण चक्र में प्रौद्योगिकी को ठंडा करने के लिए पानी की आवश्यकता नहीं होती है। ये पौधे गैर-प्रेषणीय हैं। जब बादल सिर के ऊपर से गुजरते हैं तो ऊर्जा उत्पादन बंद हो जाता है। उन्नत भंडारण और संकरण प्रणालियों पर अनुसंधान किया जा रहा है।

सबसे बड़ी डिश स्टर्लिंग स्थापना की कुल शक्ति 1.5 मेगावाट है। सौर क्षेत्र में अन्य सीएसपी प्रौद्योगिकियों की तुलना में अपेक्षाकृत अधिक तांबे की आवश्यकता होती है क्योंकि बिजली वास्तव में वहां उत्पन्न होती है। मौजूदा 1.5 मेगावाट संयंत्रों के आधार पर, तांबे की सामग्री 4 टन/मेगावाट है, या, दूसरे शब्दों में, 2.2 टन तांबा/जीडब्ल्यूएच/वर्ष है। 1.5 मेगावाट बिजली संयंत्र में केबल, इंडक्शन जनरेटर, ड्राइव, फील्ड और ग्रिड ट्रांसफार्मर, अर्थिंग और बिजली संरक्षण में लगभग 6,060 किलोग्राम तांबा होता है।[21]

सौर वॉटर हीटर (सौर घरेलू गर्म पानी प्रणाली)

घरों के लिए गर्म पानी उत्पन्न करने के लिए सोलर वॉटर हीटर एक लागत प्रभावी तरीका हो सकता है। इनका उपयोग किसी भी मौसम में किया जा सकता है। वे जिस ईंधन, सनशाइन, का उपयोग करते हैं, वह निःशुल्क है।[33]

सौर गर्म पानी संग्राहकों का उपयोग दुनिया भर में 200 मिलियन से अधिक घरों के साथ-साथ कई सार्वजनिक और व्यावसायिक भवनों द्वारा किया जाता है।[32] 2010 में सौर तापीय ताप और शीतलन इकाइयों की कुल स्थापित क्षमता 185 गीगावॉट-थर्मल थी।[34]

2011 में सौर ताप क्षमता अनुमानित 27% बढ़कर लगभग 232 गीगावॉट तक पहुंच गई, जिसमें बिना शीशे वाले स्विमिंग पूल हीटिंग को छोड़कर। अधिकांश सौर तापीय का उपयोग जल तापन के लिए किया जाता है, लेकिन सौर अंतरिक्ष तापन और शीतलन का चलन बढ़ रहा है, विशेषकर यूरोप में।[32]

सौर जल तापन प्रणाली दो प्रकार की होती हैं: सक्रिय, जिसमें परिसंचारी पंप और नियंत्रण होते हैं, और निष्क्रिय, जिसमें नहीं होते हैं। निष्क्रिय सौर तकनीकों को कार्यशील विद्युत या यांत्रिक तत्वों की आवश्यकता नहीं होती है। इनमें अनुकूल तापीय गुणों वाली सामग्रियों का चयन, प्राकृतिक रूप से हवा प्रसारित करने वाले स्थानों को डिजाइन करना और सूर्य की ओर एक इमारत की स्थिति का संदर्भ देना शामिल है।[27]

तांबा अपनी उच्च तापीय चालकता, वायुमंडलीय और जल संक्षारण के प्रतिरोध, सोल्डरिंग द्वारा सीलिंग और जुड़ने और यांत्रिक शक्ति के कारण सौर तापीय तापन और शीतलन प्रणाली का एक महत्वपूर्ण घटक है। तांबे का उपयोग रिसीवर और प्राथमिक सर्किट (पानी की टंकियों के लिए पाइप और हीट एक्सचेंजर्स) दोनों में किया जाता है।[34] अवशोषक प्लेट के लिए, कभी-कभी एल्युमीनियम का उपयोग किया जाता है क्योंकि यह सस्ता होता है, फिर भी जब तांबे की पाइपिंग के साथ जोड़ा जाता है, तो अवशोषक प्लेट को अपनी गर्मी को पाइपिंग में उचित रूप से स्थानांतरित करने की अनुमति देने में समस्याएं हो सकती हैं। एक वैकल्पिक सामग्री जो वर्तमान में उपयोग की जाती है वह PEX-AL-PEX[35] है, लेकिन अवशोषक प्लेट और पाइपों के बीच गर्मी हस्तांतरण के साथ भी समान समस्याएं हो सकती हैं। इसका एक तरीका पाइपिंग और अवशोषक प्लेट दोनों के लिए एक ही सामग्री का उपयोग करना है। यह सामग्री निश्चित रूप से तांबे की हो सकती है, लेकिन एल्यूमीनियम या PEX-AL-PEX भी हो सकती है।

आवासीय अनुप्रयोगों के लिए तीन प्रकार के सौर तापीय संग्राहक का उपयोग किया जाता है: फ्लैट प्लेट संग्राहक, अभिन्न संग्राहक-भंडारण, और सौर तापीय संग्राहक: खाली ट्यूब संग्राहक; वे प्रत्यक्ष परिसंचरण हो सकते हैं (यानी, पानी को गर्म करते हैं और इसे सीधे उपयोग के लिए घर में लाते हैं) या अप्रत्यक्ष परिसंचरण (यानी, पंप एक हीट एक्सचेंजर के माध्यम से स्थानांतरण तरल पदार्थ को गर्म करते हैं, जो फिर घर में बहने वाले पानी को गर्म करता है) सिस्टम।[33]

अप्रत्यक्ष परिसंचरण प्रणाली के साथ एक खाली ट्यूब सौर गर्म पानी हीटर में, खाली ट्यूब में एक ग्लास बाहरी ट्यूब और एक पंख से जुड़ी धातु अवशोषक ट्यूब होती है। सौर तापीय ऊर्जा को खाली ट्यूबों के भीतर अवशोषित किया जाता है और उपयोग करने योग्य केंद्रित गर्मी में परिवर्तित किया जाता है। कॉपर हीट पाइप सौर ट्यूब के भीतर से तापीय ऊर्जा को कॉपर हेडर में स्थानांतरित करते हैं। एक थर्मल ट्रांसफर तरल पदार्थ (पानी या ग्लाइकोल मिश्रण) को कॉपर हेडर के माध्यम से पंप किया जाता है। जैसे ही समाधान तांबे के हेडर के माध्यम से फैलता है, तापमान बढ़ जाता है। खाली की गई कांच की नलियों में दोहरी परत होती है। बाहरी परत पूरी तरह पारदर्शी है जिससे सौर ऊर्जा बिना किसी बाधा के गुजर सकती है। आंतरिक परत को एक चयनात्मक ऑप्टिकल कोटिंग के साथ उपचारित किया जाता है जो बिना परावर्तन के ऊर्जा को अवशोषित करता है। अंत में भीतरी और बाहरी परतें आपस में जुड़ जाती हैं, जिससे भीतरी और बाहरी परतों के बीच एक खाली जगह रह जाती है। सभी हवा को दो परतों (निकासी प्रक्रिया) के बीच की जगह से बाहर निकाल दिया जाता है, जिससे थर्मस प्रभाव पैदा होता है जो गर्मी के प्रवाहकीय और संवहन हस्तांतरण को रोकता है जो अन्यथा वायुमंडल में बच सकता है। उपयोग किए गए ग्लास की कम-उत्सर्जन क्षमता के कारण गर्मी का नुकसान और भी कम हो जाता है। ग्लास ट्यूब के अंदर तांबे की हीट पाइप होती है। यह एक सीलबंद खोखली तांबे की ट्यूब होती है जिसमें थोड़ी मात्रा में स्वामित्व वाला तरल होता है, जो कम दबाव में बहुत कम तापमान पर उबलता है। अन्य घटकों में पंप और नियंत्रकों के साथ एक सौर हीट एक्सचेंजर टैंक और एक सौर पंपिंग स्टेशन शामिल है।[36][37][38][39][40]


हवा

पवन टरबाइन में, जनरेटर चलाने के लिए पवन की गतिज ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, जो बदले में बिजली उत्पन्न करती है। पवन ऊर्जा प्रणाली के बुनियादी घटकों में घूमने वाले ब्लेड वाला एक टावर होता है जिसमें बिजली जनरेटर और ग्रिड पर एक सबस्टेशन तक बिजली ट्रांसमिशन के लिए वोल्टेज बढ़ाने के लिए एक ट्रांसफार्मर होता है। केबलिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स भी महत्वपूर्ण घटक हैं।[27][41]

कठोर वातावरण वाले अपतटीय पवन फार्मों का मतलब है कि व्यक्तिगत घटकों को उनके तटवर्ती घटकों की तुलना में अधिक मजबूत और संक्षारण संरक्षित करने की आवश्यकता है। इस समय समुद्र के भीतर एमवी और एचवी केबलों के साथ तट तक लंबे कनेक्शन की आवश्यकता बढ़ रही है। संक्षारण संरक्षण की आवश्यकता टावरों के लिए पसंदीदा मिश्र धातु के रूप में तांबा निकल क्लैडिंग का समर्थन करती है।

पवन ऊर्जा उत्पादन में तांबा एक महत्वपूर्ण कंडक्टर है।[42][43] पवन फार्मों में कई सौ-हजारों फीट तांबा हो सकता है[44] जिसका वजन 4 मिलियन से 15 मिलियन पाउंड के बीच होता है, ज्यादातर वायरिंग, केबल, ट्यूबिंग, जनरेटर और स्टेप-अप ट्रांसफार्मर में।[25][45]

तांबे के उपयोग की तीव्रता अधिक है क्योंकि पवन उत्पादन फार्मों में टरबाइन बड़े क्षेत्रों में फैले हुए हैं।[46] भूमि-आधारित पवन फार्मों में, तांबे की तीव्रता 5,600 से 14,900 पाउंड प्रति मेगावाट के बीच हो सकती है, यह इस पर निर्भर करता है कि स्टेप-अप ट्रांसफार्मर में तांबा या एल्यूमीनियम कंडक्टर हैं या नहीं। ऑफ-शोर वातावरण में, तांबे की तीव्रता बहुत अधिक है: लगभग 21,000 पाउंड प्रति मेगावाट, जिसमें किनारे तक पनडुब्बी केबल भी शामिल है।[47] तटवर्ती और अपतटीय दोनों परिवेशों में, पवन फार्मों को मुख्य विद्युत ग्रिडों से जोड़ने के लिए अतिरिक्त तांबे की केबल का उपयोग किया जाता है।[45]

2011 में पवन ऊर्जा प्रणालियों के लिए उपयोग किए जाने वाले तांबे की मात्रा 120 kt होने का अनुमान लगाया गया था। 2011 तक स्थापित तांबे की संचयी मात्रा 714 किलो टन होने का अनुमान लगाया गया था।[23] 2018 तक, पवन टरबाइन के वैश्विक उत्पादन में प्रति वर्ष 450,000 टन तांबे का उपयोग होता है।[48]

तीन-चरण गियरबॉक्स वाले पवन फार्मों के लिए 3 मेगावाट के दोगुने इंडक्शन जेनरेटर, मानक पवन टर्बाइनों के साथ लगभग 2.7 टन प्रति मेगावाट की आवश्यकता होती है। नैकेल में एलवी/एमवी ट्रांसफार्मर के साथ पवन टरबाइन के लिए, 1.85 टन प्रति मेगावाट की आवश्यकता होती है।[49]

तांबा प्रमुखतः जनरेटर्स के स्टेटर और रोटर के हिस्सों में कोइल वाइंडिंग में प्रयुक्त होता है (जो यानी मैकेनिकल ऊर्जा को इलेक्ट्रिकल ऊर्जा में परिणामी बदलते हैं), हाई वोल्टेज और कम वोल्टेज केबल कंडक्टर्स में भी, जिसमें शामिल है ऊर्जा की ऊपर-नीचे की केबल जो नैसेल को विंड टरबाइन के बेस से जोड़ती है, ट्रांसफॉर्मर्स की कोइल्स में (जो नैसेल को रूपांतरित करती है जिससे यह ग्रिड के साथ संगत होने वाली हाई वोल्टेज एसी को उत्पन्न करता है), गियरबॉक्स में (जो रोटर ब्लेड्स की धीमी प्रति मिनट की घूमती गति को तेज़ रैपिड्स में बदलते हैं) और विंड फार्म विद्युत ग्राउंडिंग सिस्टम में।[46] तांबा नैसेल में (विंड टरबाइन के टावर पर आराम से बैठा हुआ है जिसमें सभी मुख्य घटक होते हैं), ऑक्सिलेरी मोटर्स (नैसेल को घूमाने के लिए और रोटर ब्लेड्स के कोण को नियंत्रित करने के लिए प्रयुक्त मोटर्स), कूलिंग सर्किट्स (पूरे ड्राइव ट्रेन के लिए कूलिंग विन्यास), और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स (जो विंड टरबाइन सिस्टम को एक पावर प्लांट की तरह कार्य करने में सहायता प्रदान करते हैं) में भी प्रयुक्त किया जा सकता है।[50]

विंड जनरेटर्स की कोइल्स में, विद्युत धारा को जिस तार की परिधानी जाती है, उसमें हानि होती है जो कि उस तार की प्रतिरोध की अनुपातित है। इस प्रतिरोध, जिसे 'तांबा हानि' कहा जाता है, तार को गरम करके ऊर्जा की हानि का कारण बनता है। विंड पावर सिस्टमों में, यह प्रतिरोध अगर आवश्यक है, तो इसे मोटे तांबे के तार और जनरेटर के लिए एक शीतलन प्रणाली के साथ कम किया जा सकता है।[51]


जनरेटर में तांबा

जनरेटर केबल के लिए या तो तांबे या एल्यूमीनियम कंडक्टर निर्दिष्ट किए जा सकते हैं।[52] तांबे में उच्च विद्युत चालकता होती है और इसलिए विद्युत ऊर्जा दक्षता भी अधिक होती है। इसका चयन इसकी सुरक्षा और विश्वसनीयता के लिए भी किया जाता है। एल्यूमीनियम को निर्दिष्ट करने का मुख्य विचार इसकी कम पूंजीगत लागत है। समय के साथ, यह लाभ विद्युत पारेषण के वर्षों में उच्च ऊर्जा हानियों से प्रतिपूर्ति हो जाता है। किस कंडक्टर का उपयोग करना है, इसका निर्णय परियोजना के नियोजन चरण के दौरान किया जाता है, जब उपयोगिता टीमें टरबाइन और केबल निर्माताओं के साथ इन मामलों पर चर्चा करती हैं।

तांबे के संबंध में, जनरेटर में इसका वजन जनरेटर के प्रकार, बिजली रेटिंग और विन्यास के अनुसार अलग-अलग होगा। इसके वजन का बिजली रेटिंग से लगभग रैखिक संबंध है।

डायरेक्ट-ड्राइव पवन टरबाइन में जेनरेटर में आमतौर पर अधिक तांबा होता है, क्योंकि गियरबॉक्स की अनुपस्थिति के कारण जेनरेटर स्वयं बड़ा होता है।[53]

जनरेटर के प्रकार के आधार पर, डायरेक्ट ड्राइव कॉन्फ़िगरेशन में एक जनरेटर गियर वाले कॉन्फ़िगरेशन की तुलना में 3.5 गुना से 6 गुना तक भारी हो सकता है।[53]

पवन उत्पादन में पांच विभिन्न प्रकार की जनरेटर प्रौद्योगिकियों का उपयोग किया जाता है:

  1. डबल-फेड अतुल्यकालिक जनरेटर (डीएफएजी)
  2. पारंपरिक अतुल्यकालिक जनरेटर (CAG)
  3. पारंपरिक तुल्यकालिक जनरेटर (सीएसजी)
  4. स्थायी चुंबक तुल्यकालिक जनरेटर (पीएमएसजी)
  5. उच्च तापमान सुपरकंडक्टर जनरेटर (HTSG)

इनमें से प्रत्येक जनरेटर प्रकार में तांबे की मात्रा का सारांश यहाँ दिया गया है।

बहु-मेगावाट पवन ऊर्जा संयंत्रों में पवन टरबाइन जनरेटर प्रौद्योगिकियों में तांबा[53]
तकनीकी औसत तांबे की मात्रा (kg/MW) टिप्पणियाँ
डबल-फेड अतुल्यकालिक जनरेटर (डीएफएजी) 650 गियरड: यह यूरोप में सबसे सामान्य विंड जनरेटर है (2009 में 70%; 2015 तक मजबूत मांग, फिर भी अविनामी, क्योंकि रखरखाव और सर्विसिंग के उच्च लागत और ग्रिड अनुपालन के लिए पावर कोरेक्शन उपकरण की आवश्यकता के कारण आने वाले दस वर्षों में ये कम प्रसिद्ध होंगे।
पारंपरिक अतुल्यकालिक जनरेटर (CAG) 390 गियरड: 2015 तक न्यूट्रल मांग; 2020 तक अत्यल्प हो जाएगी।
पारंपरिक तुल्यकालिक जनरेटर (CSG) 330–4000 गियरड और सीधी; 2020 तक और भी प्रसिद्ध हो सकती हैं।
स्थायी चुंबक तुल्यकालिक जनरेटर (PMSG) 600–2150 बाजार की विकास की उम्मीद 2015 तक है।
उच्च तापमान सुपरकंडक्टर जनरेटर (HTSG) 325 विकास की नई अवस्था। उम्मीद है कि इन मशीनों को अन्य विंड टरबाइन्स से अधिक ऊर्जा प्राप्त होगी। समुद्री क्षेत्र में इसका सबसे उपयुक्त निच अनुप्रयोग हो सकता है।

सिंक्रोनस प्रकार की मशीनों के डायरेक्ट-ड्राइव कॉन्फ़िगरेशन में आमतौर पर सबसे अधिक तांबा होता है, लेकिन कुछ एल्यूमीनियम का उपयोग करते हैं।[48] पारंपरिक सिंक्रोनस जेनरेटर (सीएसजी) डायरेक्ट-ड्राइव मशीनों में प्रति यूनिट तांबे की सामग्री सबसे अधिक होती है। सीएसजी की हिस्सेदारी 2009 से 2020 तक बढ़ेगी, विशेषकर डायरेक्ट ड्राइव मशीनों के लिए। 2009 में डीएफएजी ने सबसे अधिक यूनिट बिक्री की।[53]

सीएसजी जनरेटर की तांबे की मात्रा में भिन्नता इस बात पर निर्भर करती है कि वे सिंगल-स्टेज (भारी) या तीन-स्टेज (हल्के) गियरबॉक्स के साथ जुड़े हुए हैं या नहीं। इसी तरह, पीएमएसजी जनरेटर में तांबे की मात्रा में अंतर इस बात पर निर्भर करता है कि टर्बाइन मध्यम गति वाले हैं, जो भारी हैं, या उच्च गति वाले टर्बाइन हैं, जो हल्के हैं।[53]

समकालिक मशीनों और सीधे ड्राइव कॉन्फ़िगरेशन की बढ़ती मांग है। सीएसजी सीधी और गियर्ड डब्ल्यूएफएजी (DFAG) सीधे मशीनों की मांग का नेतृत्व करेंगे, जिसके लिए तांबे की मांग होगी। मांग में सबसे अधिक वृद्धि की जाने वाली श्रेणी सीधी परमानु संचालक मोटर्स (PMSGs) है, जिसकी उम्मीद है कि यह 2015 में विंड पावर सिस्टम में तांबे की कुल मांग का 7.7% का हिस्सा बनेगा। हालांकि, जहां सर्वग्लोबल तरीके से बढ़ाई नहीं जा सकती है, जिसमें दुर्लभ पृथ्वी तत्व नियोडिमियम शामिल हैं, वहाँ सीधे संचालन समकालिक चुम्बक (DDSM) डिज़ाइन अधिक आशाजनक हो सकते हैं।[49] एक 3 मेगावॉट DDSM जनरेटर के लिए आवश्यक तांबे की मात्रा 12.6 टन है।[54]

उच्च गति वाली अशांत हवाओं वाले स्थान पूर्ण पैमाने पर पावर कन्वर्टर्स के साथ वैरिएबल-स्पीड पवन टरबाइन जेनरेटर के लिए बेहतर अनुकूल हैं क्योंकि ऐसी स्थितियों में वे अधिक विश्वसनीयता और उपलब्धता प्रदान करते हैं। परिवर्तनीय गति पवन टरबाइन विकल्पों में से, ऐसे स्थानों में डीएफएजी की तुलना में पीएमएसजी को प्राथमिकता दी जा सकती है। कम हवा की गति और अशांति वाली स्थितियों में, डीएफएजी को पीएमएसजी की तुलना में प्राथमिकता दी जा सकती है।[23]

आम तौर पर, पीएमएसजी ग्रिड-संबंधित दोषों से बेहतर तरीके से निपटते हैं और वे अंततः गियर वाले समकक्षों की तुलना में उच्च दक्षता, विश्वसनीयता और उपलब्धता प्रदान कर सकते हैं। यह उनके डिजाइन में यांत्रिक घटकों की संख्या को कम करके हासिल किया जा सकता है। हालाँकि, वर्तमान में, गियर वाले पवन टरबाइन जनरेटर का अधिक गहन क्षेत्र-परीक्षण किया गया है और अधिक मात्रा में उत्पादित होने के कारण ये कम महंगे हैं।[23]

वर्तमान प्रवृत्ति एकल-चरण या दो-चरण गियरबॉक्स के साथ पीएमएसजी हाइब्रिड इंस्टॉलेशन के लिए है। वेस्टास का नवीनतम पवन टरबाइन जनरेटर गियर ड्राइव वाला है। सीमेंस द्वारा नवीनतम पवन टरबाइन जनरेटर एक हाइब्रिड है। मध्यम अवधि में, यदि पावर इलेक्ट्रॉनिक्स की लागत में कमी जारी रहती है, तो डायरेक्ट-ड्राइव पीएमएसजी के और अधिक आकर्षक होने की उम्मीद है।[23] उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स (एचटीएसजी) तकनीक वर्तमान में विकास के अधीन है। उम्मीद है कि ये मशीनें अन्य पवन टरबाइन जेनरेटरों की तुलना में अधिक शक्ति प्राप्त करने में सक्षम होंगी। यदि ऑफशोर बाजार बड़ी यूनिट मशीनों के चलन का अनुसरण करता है, तो ऑफशोर एचटीएसजी के लिए सबसे उपयुक्त स्थान हो सकता है।[23]

अन्य घटकों में तांबा

2 मेगावाट टरबाइन प्रणाली के लिए, जनरेटर के अलावा अन्य घटकों के लिए तांबे की निम्न मात्रा का अनुमान लगाया गया था:

अन्य घटक प्रकारों द्वारा कॉपर सामग्री, 2 मेगावाट टरबाइन[55]
अवयव औसत Cu पदार्थ (kg)
ऑक्सिलियरी मोटरें (पिच और यो ड्राइव) 75
नैकेल के अन्य भाग <50
ऊर्ध्वाधर केबल 1500
पावर इलेक्ट्रॉनिक्स (कन्वर्टर) 150
कूलिंग सर्किट <10
अर्थिंग और बिजली संरक्षण 750

जनरेटर के बाद, केबलिंग सबसे अधिक तांबा समेत है। जनरेटर के पास ट्रांसफॉर्मर के साथ विंड टावर सिस्टम में, टावर के ऊपर से लेकर नीचे तक मीडियम-वोल्टेज (MV) पावर केबल चलेंगे, फिर कई विंड टावर्स के लिए एक संग्रह स्थल और फिर ग्रिड सबस्टेशन के लिए या सीधे सबस्टेशन के लिए जाएंगे। टावर विन्यास में तार हार्नेस और नियंत्रण/सिग्नल केबल शामिल होंगे, जबकि सिस्टम में पूरे कार्य करने के लिए लो-वोल्टेज (LV) पावर केबल की आवश्यकता होगी।[27]

2 मेगावॉट विंड टर्बाइन के लिए, वर्टिकल केबल की मात्रा उसके प्रकार के आधार पर 1,000 से 1,500 किलोग्राम तांबे की हो सकती है। तांबा अंडरग्राउंड केबलों में प्रमुख सामग्री है।[53]

ग्राउंडिंग सिस्टम में कॉपर

पवन टरबाइन फार्मों के विद्युत ग्राउंडिंग सिस्टम के लिए तांबा महत्वपूर्ण है। ग्राउंडिंग सिस्टम या तो पूरी तरह से तांबे (ठोस या फंसे हुए तांबे के तार और तांबे के बस बार) हो सकते हैं, अक्सर अमेरिकी गेज रेटिंग 4/0 के साथ, लेकिन शायद 250 हजार गोलाकार मिल्स के बराबर बड़े होते हैं [56] या तांबे से ढके स्टील, एक कम लागत विकल्प।[57]

टरबाइन मस्तूल बिजली के हमलों को आकर्षित करते हैं, इसलिए उन्हें बिजली संरक्षण प्रणालियों की आवश्यकता होती है। जब बिजली टरबाइन ब्लेड से टकराती है, तो करंट ब्लेड के साथ नैकेले (गियरबॉक्स/जनरेटर संलग्नक) में ब्लेड हब के माध्यम से और मस्तूल से नीचे ग्राउंडिंग सिस्टम तक प्रवाहित होता है। ब्लेड में एक बड़ा क्रॉस-सेक्शन तांबे का कंडक्टर शामिल होता है जो इसकी लंबाई के साथ चलता है और हानिकारक हीटिंग प्रभाव के बिना ब्लेड के साथ करंट को गुजरने की अनुमति देता है। नैकेले को एक तड़ित चालक द्वारा संरक्षित किया जाता है, जो अक्सर तांबे का होता है। मस्तूल के आधार पर ग्राउंडिंग प्रणाली में एक मोटी तांबे की रिंग कंडक्टर होती है जो आधार से जुड़ी होती है या आधार के एक मीटर के भीतर स्थित होती है। वलय मस्तूल आधार पर दो बिल्कुल विपरीत बिंदुओं से जुड़ा हुआ है। कॉपर लीड रिंग से बाहर की ओर फैलती है और कॉपर ग्राउंडिंग इलेक्ट्रोड से जुड़ती है। पवन फार्मों पर टर्बाइनों के ग्राउंडिंग रिंग आपस में जुड़े हुए हैं, जो बेहद कम समग्र प्रतिरोध के साथ एक नेटवर्क प्रणाली प्रदान करते हैं।[43]

ठोस तांबे के तार को इसकी उत्कृष्ट विद्युत चालकता के कारण पारंपरिक रूप से ग्राउंडिंग और बिजली उपकरणों के लिए इस्तेमाल किया गया है। हालाँकि, निर्माता कम महंगे बाय-मेटल कॉपर क्लैड या एल्युमीनियम ग्राउंडिंग तारों और केबलों की ओर बढ़ रहे हैं।[58] कॉपर-प्लेटिंग तार का पता लगाया जा रहा है। कॉपर प्लेटेड तार के वर्तमान नुकसान में कम चालकता, आकार, वजन, लचीलापन और करंट ले जाने की क्षमता शामिल है।

अन्य उपकरणों में तांबा

जेनरेटर और केबल के बाद बाकी उपकरणों में तांबे की मामूली मात्रा का इस्तेमाल होता है। यॉ और पिच सहायक मोटरों में, यॉ ड्राइव तांबे की मामूली मात्रा के साथ इंडक्शन मोटर्स और मल्टी-स्टेज ग्रहीय गियरबॉक्स के संयोजन का उपयोग करता है। अन्य उपकरणों की तुलना में पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में तांबे की मात्रा न्यूनतम होती है। जैसे-जैसे टरबाइन की क्षमता बढ़ती है, कनवर्टर रेटिंग भी कम वोल्टेज (<1 kV) से मध्यम वोल्टेज (1-5 kV) तक बढ़ जाती है। अधिकांश पवन टरबाइनों में पूर्ण शक्ति कनवर्टर होते हैं, जिनकी पावर रेटिंग जनरेटर के समान होती है, डीएफएजी को छोड़कर जिसमें पावर कनवर्टर होता है जो जनरेटर की रेटिंग का 30% होता है। अंततः, तांबे की थोड़ी मात्रा का उपयोग गियरबॉक्स या जनरेटर पर वायु/तेल और पानी से ठंडा होने वाले सर्किट में किया जाता है।[53]

क्लास 5 कॉपर पावर केबल का उपयोग विशेष रूप से जनरेटर से लूप और टावर की आंतरिक दीवार के माध्यम से किया जाता है। यह 20 वर्षों के सेवा जीवन के लिए 15,000 मरोड़ चक्रों से तनाव झेलने की इसकी क्षमता के कारण है।[59]

पवन टर्बाइनों के भीतर और बाहर अतिचालकता सामग्रियों का परीक्षण किया जा रहा है। वे उच्च विद्युत दक्षता, उच्च धाराओं को ले जाने की क्षमता और हल्के वजन प्रदान करते हैं। हालाँकि, ये सामग्रियाँ इस समय तांबे की तुलना में बहुत अधिक महंगी हैं।[53]

अपतटीय पवन फार्मों में तांबा

तट की दूरी के साथ-साथ अपतटीय पवन फार्मों में तांबे की मात्रा बढ़ती जाती है। अपतटीय पवन टर्बाइनों में तांबे का उपयोग 10.5 टन प्रति मेगावाट के क्रम पर है।[60] बोर्कम 2 ऑफशोर विंड फार्म 400 मेगावाट, बाहरी ग्रिड से 200 किलोमीटर कनेक्शन के लिए 5,800 टन या प्रति मेगावाट लगभग 14.5 टन तांबे का उपयोग करता है। हॉर्न्स रेव ऑफशोर विंड फार्म ग्रिड तक 160 मेगावाट 21 किलोमीटर संचारित करने के लिए प्रति मेगावाट 8.75 टन तांबे का उपयोग करता है।[61]

संदर्भ

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