Трансформатори на твердотільному елементі можуть також покращити зарядку електромобілів і, в майбутньому, побутове електропостачання.
Центри обробки даних стали головною причиною стрімкого зростання попиту на електроенергію, що створює навантаження на енергетичні мережі США. Однак бум дата-центрів зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати променем надії для всіх — твердотілі трансформатори, що замінюють промислову технологію електронікою нового покоління.
Наразі енергетичні мережі покладаються на традиційні трансформатори, які копітко збираються вручну і мають фундаментальну конструкцію, що датується 1880-ми роками. Дві мідні котушки, намотані вручну навколо сталевого осердя, створюють електромагнітні поля, які допомагають підвищувати рівень напруги змінного струму для передачі на великі відстані або знижувати рівень напруги для використання електроенергії в домівках та бізнесі. Найбільші силові трансформатори неможливо масово виробляти; натомість їх виготовляють на замовлення для кожної електричної підстанції компанії-постачальника.
Обмеження виробництва, у поєднанні з прагненням модернізувати інфраструктуру електромереж США, призводять до того, що компанії-постачальники та інші клієнти змушені чекати на постачання нових силових трансформаторів до кількох років. Це не лише проблема для розширення інфраструктури енергетичної мережі для підтримки зростаючого попиту на електроенергію, але й затримує процес заміни застарілих силових трансформаторів.
Натомість твердотілі трансформатори використовують високочастотні напівпровідникові перемикачі для перетворення напруги і можуть масово вироблятися з використанням напівпровідникових матеріалів, таких як карбід кремнію. Такі трансформатори фізично менші та легші за традиційні, мають модульні конструкції, що дозволяють легко оновлювати або замінювати деталі, і можуть функціонувати як універсальні пристрої потужної електроніки, виконуючи кілька завдань.
Технологічні компанії, що будують найбільші дата-центри зі штучним інтелектом, зацікавлені в твердотілих трансформаторах, оскільки вони впроваджують архітектури живлення постійного струму (DC) для підтримки серверних стійок, заповнених енергоємними чіпами ШІ. Твердотілі трансформатори можуть безпосередньо перетворювати змінний струм (AC) з розподільчої мережі місцевої мережі на постійний струм (DC), який потрібен таким дата-центрам, — і все це без необхідності окремого електричного пристрою для цього перетворення AC/DC.
«Це, по суті, одна магічна коробка, яка усуває багато інфраструктурних елементів, а також забезпечує єдине місце керування, що усуває багато проблем сумісності, які ви можете спостерігати в традиційному дата-центрі, де різні компоненти намагаються регулювати одне й те саме», — сказав Срджан Лукич, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті штату Північна Кароліна. «Тепер у вас є один етап перетворення поза залою даних, а потім ви йдете прямо до стійки».
Від «вбивчого застосування» до масового впровадження
Дата-центри стали «вбивчим застосуванням для твердотілих трансформаторів просто зараз», — повідомив Лукич Ars. Кілька американських компаній, зокрема Amperesand, Heron Power та DG Matrix, сукупно залучили понад 280 мільйонів доларів фінансування за останній рік для комерціалізації технології твердотілих трансформаторів.
Твердотілі трансформатори також можуть значно зменшити кількість міді та інших матеріалів, необхідних для проектів дата-центрів, тоді як їхній менший фізичний розмір дозволяє розробникам дата-центрів використовувати доступний простір для інших цілей, пояснив Лукич.
У довгостроковій перспективі успішна комерціалізація твердотілих трансформаторів може навіть допомогти полегшити ширший дефіцит у ланцюжку поставок, що впливає на силові трансформатори. Це зробить трансформатори більш доступними для модернізації та розширення енергетичних мереж поза межами проектів дата-центрів.
«Існує відносно мало спеціалізованих компаній, які виробляють [традиційні] трансформатори, тоді як твердотілі трансформатори схожі на електронний пристрій», — зазначив Лукич. «Це повністю відкриває простір для того, хто може брати участь у трансформаторному бізнесі, а також відкриває місце для виробництва трансформаторів».
Ті самі переваги твердотілих трансформаторів стосуються і зарядки електромобілів, яка так само покладається на постійний струм. Лукич та його колеги нещодавно продемонстрували, як твердотілий трансформатор, підключений до діючої лінії електропередач, міг обробляти до 1 мегавата потужності під час зарядки акумулятора електромобіля — твердотілий трансформатор виконував необхідне зниження напруги, одночасно здійснюючи перетворення живлення AC в DC.
Демонстрація Університету штату Північна Кароліна відбувається в лабораторії доставки енергії некомерційного Інституту досліджень електроенергії (EPRI) у Ленноксі, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Управлінням енергетики штату Нью-Йорк, яка розпочалася у 2018 році. Твердотілий трансформатор — розміром приблизно 1 метр на 1,5 метра на 2 метри — перебуває в контейнері на об’єкті з травня 2026 року і має повернутися до Університету штату Північна Кароліна у вересні після місяців тестування в літніх умовах.
«Він виглядає як велика трансформаторна коробка з дещо іншою формою, великою масою того, що схоже на сталь», — сказав Лукич. «Він замінює три сталеві блоки одним сталевим блоком і усуває багато проводки та траншей, які зазвичай потрібно було б робити для застосувань електромобілів».
Твердотілий трансформатор має модульну конструкцію з активним переднім інтерфейсом, що взаємодіє з енергетичною мережею, перетворювачем AC/DC та високочастотним ізолюючим трансформатором, який або підвищує, або знижує напругу. Критичною технологією був виготовлений на замовлення ізолюючий компонент, який може витримувати «повне навантаження мережі, повну напругу розподільчої мережі» відносно компактного пристрою, пояснив Лукич.
Інженерні та комерційні виклики для цієї технології ще попереду. Але Лукич сподівається, що впровадження твердотілих трансформаторів дата-центрами допоможе «знизити ризики» технології для масового впровадження за межами розбудови інфраструктури ШІ в технологічній галузі.
«Окрім дата-центрів, ми можемо розглядати зарядку електромобілів у густонаселених районах», — сказав Лукич. «Багато споживачів у наших домівках зараз використовують DC, тому можливість розподіляти DC у сучасних будинках матиме значні переваги».
Інформація підготовлена на основі матеріалів: arstechnica.com