Ứng dụng của nhôm trong các ngành công nghiệp điện và năng lượng tái tạo

Lịch sử ứng dụng của nhôm trong kỹ thuật điện

Lần đầu tiên nhôm được sử dụng làm vật liệu cho hệ thống dây điện là vào đầu thế kỷ 20. Khi mạng lưới điện được mở rộng sau Thế chiến thứ hai, nhôm ngày càng được ưa chuộng hơn đồng trong vai trò chất dẫn điện nhờ những ưu điểm vượt trội về trọng lượng và giá thành. Theo Hiệp hội Nhôm, thị trường dây điện nhôm đã tăng 20% ​​trong mười năm qua (Nguồn: https://www.alumin.org/product-markets/electrical).

Khi Thomas Edison chế tạo ra mạng lưới truyền tải điện đầu tiên vào cuối những năm 1800, ông sử dụng đồng vì nó không chỉ dẫn điện hơn hầu hết các kim loại khác mà lượng đồng sẵn có cũng dồi dào hơn. Vào cuối thế kỷ 19, nhôm được coi là kim loại quý với giá thành cao ngang ngửa vàng và bạc. Tuy nhiên không lâu sau, những nhược điểm của đồng càng trở nên rõ ràng, nó không chỉ nặng hơn mà còn dễ bị ăn mòn.

Ưu điểm của nhôm trong ứng dụng điện

Với việc phát hiện ra các phương pháp sản xuất hàng loạt để gia công nhôm, giá nhôm nhanh chóng giảm xuống, giúp nó trở thành sự lựa chọn hợp lý hơn cho các nhà sản xuất và thiết kế. Cần một sợi dây nhôm có đường kính gấp 1,5 lần đường kính sợi dây đồng để truyền tải cùng một lượng điện, nhưng sợi dây đồng lại nặng gấp 3 lần sợi dây nhôm. Điều này có nghĩa, nhôm là vật liệu hiệu quả và tối ưu hơn trong các ứng dụng điện. Đường dây điện cao áp trên không cũng được sản xuất từ ​​nhôm để vừa giảm trọng lượng, vừa có khả năng dẫn điện tốt.

Quan trọng hơn cả, hợp kim nhôm còn cung cấp khả năng chống ăn mòn lớn hơn nhiều so với các kim loại khác. Với những tiến bộ gần đây trong hợp kim cao cấp, ngày càng nhiều công ty chuyển từ đồng sang nhôm do việc sản xuất và truyền tải điện không chỉ là mối quan tâm của các công ty điện lực. Ô tô, hàng không vũ trụ và đóng tàu chỉ là một vài ví dụ về các ngành công nghiệp yêu cầu hệ thống dây điện hoạt động tốt.

Ước tính, các công ty này đang tiết kiệm được hàng triệu đô la bằng cách chuyển sang sử dụng nhôm (Nguồn: https://www.reuters.com/article/us-aluminium-copper-substitution/auto-power-firms-save-millions-swapping-copper-for-aluminum-idUSKCN0WH1RI). Ngoài việc rẻ hơn, trọng lượng nhẹ và có khả năng chống ăn mòn cao hơn, nhôm còn có những lợi thế khác như hiệu suất cao, khả năng tái chế tốt hơn…

Một ứng dụng của nhôm liên quan đến ngành sản xuất điện là lõi dẫn điện (busbar). Bộ phận quan trọng này là dải kim loại được đặt bên trong thiết bị đóng cắt, bảng điều khiển, hệ thống phân phối điện và có chức năng phân phối điện năng cao cục bộ. Vì lõi dẫn điện thường không cách điện nên nó cần có đủ độ cứng để được đỡ bởi các trụ cách điện, đồng thời đảm bảo các dây dẫn phải được làm mát toàn bộ. Với khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời, nhôm là một lựa chọn hoàn hảo cho vật liệu lõi dẫn điện.

Hệ thống phân phối điện (busway/ bus duct) cũng được làm từ nhôm mà không phải thép, bởi thép tạo ra một từ trường xung quanh các vật dẫn nên có thể làm mất năng lượng và tăng nhiệt độ. Điều này dẫn đến việc dòng điện trong hệ thống phân phối điện sẽ có tỷ lệ dẫn liên tục thấp hơn. Để khắc phục sự cố này, ít nhất một mặt của hệ thống phân phối điện phải được làm bằng vật liệu không nhiễm từ, chẳng hạn như nhôm.

Cả hai dòng hợp kim nhôm 1XXX và 6XXX đều cung cấp các giải pháp tốt cho các ứng dụng lõi dẫn điện và hệ thống phân phối điện. 1370 là loại nhôm có độ tinh khiết 99,7% nên có khả năng dẫn điện và chống ăn mòn cực tốt. 6101 là hợp kim nhôm kết hợp với với magiê và silicon nên có các đặc tính cơ học tốt hơn, chẳng hạn như độ dẫn điện tốt hơn, dễ dàng được đùn thành các cấu hình tùy chỉnh cho các ứng dụng quan trọng.

Vai trò của nhôm trong ngành năng lượng tái tạo

Đầu tiên, nhôm được sử dụng trong nhiều bộ phận/ linh kiện để sản xuất năng lượng tái tạo. Ví dụ, về năng lượng mặt trời, nhôm định hình được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng các thiết bị phát điện năng lượng mặt trời. Khung pin mặt trời quang điện thường được làm từ nhôm định hình (đây là những tấm pin năng lượng mặt trời thường thấy trên các ngôi nhà và cơ sở kinh doanh). Những linh kiện nhôm đùn này có trọng lượng nhẹ hơn thép, mang lại độ bền và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, có tính linh hoạt cao.

Năng lượng mặt trời tập trung – một phương pháp sản xuất điện mặt trời khác, tạo ra năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng gương hoặc thấu kính để tập trung một diện tích lớn ánh sáng mặt trời vào máy thu. Điện được tạo ra khi ánh sáng tập trung được chuyển đổi thành nhiệt, điều khiển động cơ nhiệt kết nối với máy phát điện hoặc cung cấp phản ứng nhiệt hóa. Những tấm năng lượng mặt trời rộng lớn này cần phải chịu được nhiều điều kiện môi trường khác nhau, từ nhiệt độ khắc nghiệt, gió lớn đến mài mòn và hơn thế nữa, trong khi vẫn phải duy trì khả năng hoạt động hoàn hảo. Nhôm đã được chứng minh là một trong những vật liệu tốt nhất để bảo vệ các tấm gương/thấu kính trong các hệ thống phức tạp này.

Nhôm cũng là một lựa chọn hoàn hảo để sản xuất tuabin gió bởi tuabin gió yêu cầu phải có độ bền cao và trọng lượng nhẹ. Một số bộ phận quan trọng của hệ thống tuabin gió có cấu tạo bằng nhôm có thể kể đến như: bệ tháp, hệ thống làm mát…

Khi thị trường hướng đến lưới điện thông minh mang lại tính linh hoạt và đa dạng hơn, nhôm sẽ giúp hỗ trợ và thúc đẩy những cải tiến mới, chẳng hạn như để từng ngôi nhà tự tạo ra điện bằng pin mặt trời và cối xay gió, và thậm chí bán lại năng lượng điện dư thừa cho lưới điện quốc gia.

*Nguồn: https://www.clintonaluminum.com/aluminum-applications-in-the-power-grid-and-power-generation-industries/

*Nguồn ảnh: Sưu tầm