چگونه ترانسفورماتورهای حالت جامد می توانند به تقویت رونق هوش مصنوعی کمک کنند

ترانسفورماتورها بخش مهمی اما تقریبا نامرئی از شبکه ما هستند. این دستگاه‌ها به انتقال موثر نیرو در فواصل طولانی کمک می‌کنند، اما آنها پیچیده و کمبود هستند. و با توجه به اینکه طراحی اولیه آنها برای حدود یک قرن تغییر زیادی نکرده است، آنها می توانند از یک ارتقاء استفاده کنند.

در حالی که جهان برای پاسخگویی به تقاضای فزاینده برق از خودروهای برقی، مراکز داده و غیره رقابت می کند، محققان و شرکت ها به دنبال مدرن سازی ترانسفورماتورها هستند. نسخه‌های جدید حالت جامد می‌توانند برخی از نگرانی‌های عرضه را برطرف کرده و اطمینان حاصل کنند که شبکه می‌تواند فشار رو به رشد را تحمل کند.

ترانسفورماتورهای معمولی معمولا برای انجام کار خود در انتقال الکتریسیته بین مدارها به مقادیر زیادی از آلیاژهای فولادی تخصصی و مایل ها سیم مسی متکی هستند. در مقایسه، مدل‌های حالت جامد، اجزای مغناطیسی را با نیمه‌هادی‌های پرقدرت ترکیب می‌کنند، که آنها را فشرده‌تر می‌کند و امکان کنترل بیشتر بر جریان الکتریسیته را فراهم می‌کند.

این دستگاه ها هنوز در حال توسعه هستند و امروزه نمی توانند جایگزین همه ترانسفورماتورهای سنتی شوند، به ویژه بزرگ ترین ترانسفورماتورهایی که در ولتاژهای بالا برای انتقال از راه دور کار می کنند. اما نسل جدیدی از فناوری ترانسفورماتور می تواند بخش مهمی از شبکه آینده ما باشد.

ستون فقرات شبکه

انتقال الکتریسیته از طریق شبکه کاملا کارآمد نیست: همانطور که الکتریسیته از طریق خطوط برق جریان می یابد، مقداری به عنوان گرما از بین می رود. چقدر تغییر می کند - هر چه ولتاژ بیشتر باشد، جریان کمتر است و الکتریسیته کمتری از دست می رود. بنابراین یک عملکرد کلیدی برای شبکه بالا و پایین کردن ولتاژ است.

به عنوان مثال، نیروگاه خورشیدی محلی خود را در نظر بگیرید. برای اینکه آن الکتریسیته به طور موثر به خانه شما صدها مایل دورتر برسد، باید به ولتاژی بالاتر از ولتاژ تولید شده توسط نیروگاه خورشیدی برسد. ترانسفورماتورها را وارد کنید.

در مسیر خود از نیروگاه تا پریزهای شما، برق ممکن است از یک ترانسفورماتور در مزرعه خورشیدی و دیگری در یک ایستگاه فرعی در نزدیکی عبور کند و ولتاژ را دو بار افزایش دهد تا به سطح کافی برای حرکت در خطوط انتقال فشار قوی برسد. پنل‌های خورشیدی همچنین جریان مستقیم (DC) الکتریسیته تولید می‌کنند که باید از طریق یک اینورتر به جریان متناوب (AC) تبدیل شود تا به ترانسفورماتور وارد شود. نزدیک‌تر به مقصد، ولتاژ مجددا کاهش می‌یابد، احتمالا حداقل دو بار: یک بار در پست دیگری و دوباره در یک ترانسفورماتور کوچکتر در همسایگی شما.

اگر در ایالات متحده هستید، برق یک نیروگاه خورشیدی ممکن است توسط یک اینورتر در حدود 480 ولت به AC تبدیل شود، برای خطوط انتقال تا 115000 ولت افزایش یابد و در نهایت به 120 ولت و 240 ولت برای خانه شما کاهش یابد.

ترانسفورماتورهای معمولی این کار را با استفاده از چیزی که اساسا معادل حلقه های سیم است انجام می دهند. هسته ترانسفورماتور معمولا از نوع خاصی از فولاد به نام فولاد الکتریکی دانه گرا ساخته می شود. سیم پیچ های سیم مسی در دو طرف آن هسته قرار دارد.

تعداد حلقه ها در هر سیم پیچ ولتاژ دو طرف ترانسفورماتور را تعیین می کند: اگر تعداد حلقه های سیم پیچ ثانویه بیشتر از حلقه اولیه باشد، ولتاژ افزایش می یابد و اگر تعداد آنها کمتر باشد، کاهش می یابد. هنگامی که الکتریسیته ورودی از حلقه‌هایی در انتهای بالادست ترانسفورماتور عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی در هسته تشکیل می‌شود. این میدان ولتاژی را در حلقه‌های طرف دیگر دستگاه القا می‌کند، که به انرژی اجازه می‌دهد در یک ولتاژ جدید به جریان خود ادامه دهد. این فرآیند القای مغناطیسی نامیده می شود.

سرجان لوکیچ، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، می گوید: ترانسفورماتورها ستون فقرات انتقال و توزیع برق را تشکیل می دهند. ترانسفورماتورها علاوه بر انجام کار افزایش و کاهش ولتاژ، اغلب چیزی را که عایق گالوانیکی نامیده می‌شود، ارائه می‌کنند، به این معنی که هیچ مسیر الکتریکی مستقیمی در آنها جریان ندارد. این می تواند به محدود کردن اختلالات ناشی از حرکت در شبکه کمک کند و ایمنی را بهبود بخشد.

لوکیک می‌گوید مشکل این است که ترانسفورماتورهای امروزی بزرگ و حجیم هستند و تعویض آنها نیز دشوار و گران است.

یک گزینه محکم

ترانسفورماتورهای حالت جامد اساسا به اصطلاح الکترونیک قدرت - نیمه هادی هایی که الکتریسیته را تبدیل و کنترل می کنند به طرح معمولی ترانسفورماتورهای امروزی اضافه می کنند.

در حالی که یک ترانسفورماتور معمولی در فرکانس بخشی از شبکه که به آن متصل است کار می کند، یک ترانسفورماتور حالت جامد در واقع فرکانس جریان را کنترل می کند. به طور معمول، یک ترانسفورماتور حالت جامد ابتدا برق AC ورودی را از شبکه به برق DC و سپس با استفاده از سوئیچ های ساخته شده از نیمه هادی مانند کاربید سیلیکون به برق متناوب فرکانس بالاتر تبدیل می کند.

از آنجا، یک جزء مغناطیسی ولتاژ را تغییر می دهد. از آنجایی که نیمه هادی های پیشرفته به ترانسفورماتورها اجازه می دهند تا کنترل زیادی بر فرکانس و پایداری جریان داشته باشند، هسته مغناطیسی می تواند بسیار کوچکتر از ترانسفورماتورهای معمولی باشد. لوکیچ می‌گوید برخی از آنها تقریبا یک دهم اندازه هستند، اما ظرفیت یکسانی دارند.

در نهایت، الکترونیک قدرت اضافی، الکتریسیته را از فرکانس AC با فرکانس بالا به شکل مورد نیاز خود تبدیل می‌کند - معمولا به برق DC و در نهایت به AC فرکانس پایین‌تر.

امروزه افزایش و کاهش ولتاژ تنها کار بسیاری از ترانسفورماتورها است. اما ترانسفورماتورهای حالت جامد می توانند کارهای بیشتری انجام دهند. آنها کار دستگاه هایی مانند یکسو کننده ها و اینورترها را جذب می کنند (که جریان متناوب را به برق DC و بالعکس تبدیل می کنند)، کل ردپای تجهیزات الکتریکی را کوچک می کنند و به طور بالقوه مقدار برق از دست رفته در سیستم را کاهش می دهند.

در ماه آگوست، اداره برق نیویورک و موسسه تحقیقات انرژی الکتریکی (EPRI) یک ترانسفورماتور حالت جامد یک مگاواتی را تحت شرایط واقعی ابزار در سایت آزمایش EPRI آزمایش کردند. او می‌گوید که این دستگاه در آزمایشگاه لوکیچ ساخته شد و اولین آزمایش از این دست برای ترانسفورماتوری با این ظرفیت بود.

نمونه اولیه تقریبا 98٪ کارآمد بود - به این معنی که فقط 2٪ از انرژی تغذیه شده را از دست داد. لوکیک می گوید که یک ترانسفورماتور و یکسو کننده معمولی معادل در مقایسه با هم حدود 96٪ کارآمد خواهند بود. به گفته لوکیک، تفاوت 2 درصدی ممکن است کوچک به نظر برسد، اما قابل توجه است، زیرا به این معنی است که ترانسفورماتور حالت جامد می تواند تلفات برق ناشی از تجهیزات معمولی را به نصف کاهش دهد.

لوکیچ می‌گوید یکی از اهداف اصلی این پروژه کمک به شرکت‌های برق بود که اعتماد بیشتری به این اجزای جدید کسب کنند. این بسیار مهم است، زیرا این دستگاه ها می توانند در آینده در شبکه برق استفاده شوند. در کوتاه مدت، ترانسفورماتورهای حالت جامد می توانند در مراکز داده برای تامین برق برای رک های سرور استفاده شوند.

نمونه اولیه هنوز یک سیستم نسبتا کم ولتاژ است که در حدود 15000 ولت کار می کند. تأسیسات صنعتی مانند مراکز داده بزرگتر اغلب به اتصالات ولتاژ بالاتر نیاز دارند و خطوط انتقال معمولا با صدها هزار ولت کار می کنند. تطبیق ترانسفورماتورهای حالت جامد با این ولتاژهای بالاتر نیاز به توسعه مهندسی بیشتری دارد. لوکیچ می‌گوید، اما این آزمایش یک نمایش موفقیت‌آمیز بود که ترانسفورماتورهای حالت جامد می‌توانند در شرایط واقعی کار کنند.

لوکیک می‌گوید شرکت‌هایی که ترانسفورماتورهای حالت جامد را توسعه می‌دهند در حال حاضر عمدتا بر روی مراکز داده متمرکز شده‌اند. هجوم پول برای حمایت از توسعه فناوری جدید وجود دارد، و ولتاژ مورد نیاز به اندازه ترانسفورماتورهای بزرگتر که برای انتقال از راه دور مورد نیاز است، بالا نیست.

در ماه فوریه، Heron Power 140 میلیون دلار برای تجاری سازی ترانسفورماتور حالت جامد خود، که شرکت آن را Heron Link می نامد، جمع آوری کرد. درو باگلینو، موسس و مدیرعامل، می‌گوید این فناوری می‌تواند در مراکز داده، آرایه‌های انرژی خورشیدی و باتری‌های شبکه مورد استفاده قرار گیرد. باگلینو می‌گوید این شرکت اکنون شروع به آزمایش فناوری خود در مقیاس‌های بزرگ‌تر کرده است. باتری های ده مگاوات ساعتی در مقر Heron در Scotts Valley، کالیفرنیا، به زودی تحت آزمایش با ترانسفورماتورهای Heron قرار خواهند گرفت. باگلینو می‌گوید این شرکت همچنین در حال برنامه‌ریزی آزمایشی با یک مزرعه خورشیدی در مجاورت است.

یک چالش برای ترانسفورماتورهای حالت جامد این است که الکترونیک قدرت آنها نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی حالت های خرابی بیشتری دارد. در یک دستگاه سنتی، خرابی به این معنی است که کل دستگاه معمولا آفلاین می‌شود و در نتیجه برق قطع می‌شود. باگلینو می‌گوید، اما هرون با در نظر گرفتن این موضوع، طراحی می‌کند: این شرکت از طراحی مدولار، با بسیاری از دستگاه‌های کوچک که با هم کار می‌کنند، استفاده می‌کند. اگر یکی از کار بیفتد، بقیه سیستم تا زمانی که بیت آسیب‌دیده جایگزین شود به کار خود ادامه می‌دهد، که نیازی به خاموش کردن کل ندارد.

Heron Power در حال حاضر در حال ساخت یک کارخانه 100 میلیون دلاری در کالیفرنیا برای ساخت ترانسفورماتورهای پیشرفته است. این تاسیسات باید در سال 2027 شروع به تولید کند و در سال 2029 به میزان کامل تولید ترانسفورماتورهای 40 گیگاواتی در سال برسد.

آینده گرید

بنجامین بوچر، تحلیلگر زنجیره تامین در Wood Mackenzie می‌گوید در سال‌های اخیر، شرکت‌هایی که تجهیزات شبکه را تولید می‌کنند، 1.7 میلیارد دلار به زنجیره تامین ایالات متحده برای ترانسفورماتورهای قدرت، که در انتقال ولتاژ بالا استفاده می‌شوند، اختصاص داده‌اند. او اضافه می‌کند که ۱.۳ میلیارد دلار اضافی برای ترانسفورماتورهای توزیع سرمایه‌گذاری شده است، دستگاه‌های کوچک‌تری که به تغییر برق برای خانه‌ها و مشاغل کمک می‌کنند.

اما حتی این سرمایه گذاری همگام با رشد سریع شبکه نیست. زمان انتظار برای ترانسفورماتورهای معمولی بزرگ - نوعی که برای اتصال نیروگاه های جدید، انتقال از راه دور و سایت های پرتقاضا مانند مراکز داده لازم است - تا پنج سال طول می کشد.

بوچر می‌گوید: «ترانسفورماتورها به یکی از بزرگ‌ترین تنگناها برای خدمات شهری، توسعه‌دهندگان نسل و حتی مراکز داده تبدیل شده‌اند. چالش بزرگ این است که راه اندازی و راه اندازی ساخت ترانسفورماتور جدید دشوار است، زیرا این یک فرآیند کاملا فنی است که به نیروی کار تخصصی زیادی نیاز دارد. بوچر می‌گوید، بنابراین حتی امکاناتی که سال‌ها پیش اعلام شد، هنوز سال‌ها با افتتاح فاصله دارند.

ترانسفورماتورهای حالت جامد می توانند به کاهش بخشی از این فشار کمک کنند. لوکیچ می گوید، اما دستگاه های ولتاژ بالا مورد نیاز برای اتصالات نیروگاه و خطوط انتقال، جام مقدس برای ترانسفورماتورهای حالت جامد هستند. فناوری حالت جامد موجود هنوز برای آن کاربردها قابل استفاده نیست، بنابراین صنعت باید مواد و طرح‌های جدیدی را برای پشتیبانی از ولتاژ بالا و مدیریت ایمن برق در یک دستگاه فشرده ایجاد کند.

بوچر می گوید: «ما با خطر بزرگی در ارتباط با زیرساخت های شبکه مواجه هستیم. "بدون ترانسفورماتور، شما واقعا یک شبکه برق ندارید."