Трансформатори на твердотільному елементі також можуть покращити зарядку електромобілів, а в майбутньому — й побутову електромережу.
Центри обробки даних стали головним чинником стрімкого зростання споживання електроенергії, що створює навантаження на енергосистеми США. Однак бум дата-центрів зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати позитивним чинником для всіх — трансформатори на твердотільному елементі, що замінюють промислові технології сучасною силіконікою.
Наразі енергетичні мережі використовують традиційні трансформатори, які ретельно збираються вручну і мають фундаментальний дизайн, що датується 1880-ми роками. Дві котушки з мідного дроту, намотані вручну на сталевий сердечник, створюють електромагнітні поля, які допомагають підвищувати рівень напруги змінного струму для передачі на великі відстані або знижувати рівень напруги для використання електроенергії в оселях та компаніях. Найбільші силові трансформатори не можуть бути виготовлені масово, натомість їх виготовляють на замовлення для електричних підстанцій кожної компанії.
Обмеження виробництва, поряд із прагненням модернізувати інфраструктуру електромереж США, призвели до того, що компанії-постачальники та інші клієнти змушені чекати до кількох років на доставку нових силових трансформаторів. Це не тільки перешкоджає розширенню інфраструктури енергомережі, необхідної для підтримки зростаючого попиту на електроенергію, але й затримує процес заміни застарілих силових трансформаторів.
Натомість трансформатори на твердотільному елементі використовують високочастотні напівпровідникові комутатори для перетворення напруги, і їх можна масово виробляти з використанням напівпровідникових матеріалів, таких як карбід кремнію. Такі трансформатори фізично менші та легші за традиційні, мають модульну конструкцію, що дозволяє легко оновлювати або замінювати компоненти, і можуть функціонувати як універсальні силові електронні пристрої, виконуючи кілька завдань.
Технологічні компанії, що будують найбільші дата-центри зі ШІ, зацікавлені в трансформаторах на твердотільному елементі, оскільки вони впроваджують архітектури живлення постійного струму (DC) для підтримки стійок серверів, заповнених енергоємними ШІ-чіпами. Трансформатори на твердотільному елементі можуть безпосередньо перетворювати змінний струм (AC) із мережі розподілу місцевої мережі на постійний струм (DC), який потрібен таким дата-центрам — і все це без окремого електричного пристрою для цього перетворення AC/DC.
«Це така собі чарівна коробка, яка усуває багато інфраструктурних проблем, а також забезпечує єдиний центр керування, що усуває багато проблем сумісності, які можуть виникнути в традиційному дата-центрі, де різні компоненти всередині дата-центру намагаються регулювати одне й те саме», — зазначив Срджан Лукіч, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті штату Північна Кароліна. «Тепер у вас є один етап перетворення поза залою для даних, а потім ви йдете прямо до стійки».
Від «killer application» до масового впровадження
«Дата-центри наразі стали «killer application» для трансформаторів на твердотільному елементі», — розповів Лукіч Ars. Кілька американських компаній, зокрема Amperesand, Heron Power та DG Matrix, сукупно залучили понад 280 мільйонів доларів фінансування за останній рік для комерціалізації технології трансформаторів на твердотільному елементі.
Трансформатори на твердотільному елементі також можуть значно зменшити кількість міді та інших матеріалів, необхідних для проєктів дата-центрів, тоді як їхній менший фізичний розмір дозволяє розробникам дата-центрів використовувати доступний простір для інших цілей, пояснив Лукіч.
У довгостроковій перспективі успішна комерціалізація трансформаторів на твердотільному елементі може навіть допомогти зменшити загальний дефіцит у ланцюжку постачання силових трансформаторів. Це зробить трансформатори більш доступними для модернізації та розширення енергомереж, окрім проєктів дата-центрів.
«Існує відносно небагато спеціалізованих компаній, які виробляють [традиційні] трансформатори, тоді як трансформатори на твердотільному елементі схожі на електронний пристрій», — зазначив Лукіч. «Це повністю відкриває простір для тих, хто може працювати в сфері трансформаторів, а також визначає, де трансформатори можуть виготовлятися».
Ті самі переваги трансформаторів на твердотільному елементі застосовуються і до зарядки електромобілів, яка також залежить від постійного струму. Лукіч та його колеги нещодавно продемонстрували, як трансформатор на твердотільному елементі, підключений до лінії електропередач, міг обробляти до 1 мегавата потужності під час зарядки акумулятора електромобіля — трансформатор на твердотільному елементі виконував необхідне зниження напруги, одночасно здійснюючи перетворення живлення AC на DC.
Демонстрація NC State відбувається в лабораторії електропостачання некомерційного Інституту досліджень електроенергетики в Ленноксі, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Управлінням електроенергії штату Нью-Йорк, що розпочалася у 2018 році. Трансформатор на твердотільному елементі розміром приблизно 1×1,5×2 метри перебуває в контейнері на об’єкті з травня 2026 року і має повернутися до NC State у вересні після місяців випробувань в умовах літньої погоди.
«Він виглядає як велика коробка трансформатора, але з дещо іншою формою, велика маса того, що виглядає як сталь», — сказав Лукіч. «Він замінює три сталеві маси на одну і усуває багато проводки та траншей, які зазвичай потрібні для застосування електромобілів».
Трансформатор на твердотільному елементі має модульну конструкцію з активним переднім інтерфейсом, що взаємодіє з енергомережею, перетворювачем AC/DC та високочастотним ізолюючим трансформатором, який підвищує або знижує напругу. Ключовою технологією був виготовлений на замовлення ізолюючий компонент, який може витримувати «повне навантаження мережі, повну напругу розподілу» в межах відносно компактного пристрою, пояснив Лукіч.
Інженерні та комерційні виклики для цієї технології ще попереду. Але Лукіч сподівається, що впровадження трансформаторів на твердотільному елементі в дата-центрах допоможе «знеризикувати» технологію для масового впровадження за межами будівництва інфраструктури ШІ в технологічній галузі.
«Окрім дата-центрів, ми можемо думати про зарядку електромобілів у густонаселених районах», — зазначив Лукіч. «Багато споживачів у наших домівках зараз використовують DC, тому можливість розподілу DC у сучасних будинках матиме значні переваги».
Інформація підготовлена на основі матеріалів: arstechnica.com