Твердотільні трансформатори можуть також принести користь зарядці електромобілів, а в майбутньому – і побутовим споживачам.
Система твердотільного трансформатора потужністю 1 МВт від NC State під час розгортання для польових випробувань на діючій розподільній лінії на випробувальному полігоні EPRI у місті Леннокс, штат Массачусетс. У контейнері розташовані, зліва направо, блок зарядного пристрою, блок твердотільного трансформатора та блок автоматичного вимикача. Джерело: EPRI
Дата-центри стали найбільшим стимулом для стрімкого зростання споживання електроенергії, що створює навантаження на енергетичні мережі США. Проте бум дата-центрів зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати позитивним фактором для всіх – твердотільні трансформатори, що замінюють промислові технології епохи індустріальної революції на сучасну силову електроніку.
Енергетичні мережі наразі покладаються на традиційні трансформаторні технології, які ретельно збираються вручну і мають фундаментальний дизайн, що датується 1880-ми роками. Дві котушки з мідного дроту, вручну намотані на сталеве осердя, створюють електромагнітні поля, які допомагають підвищувати напругу змінного струму для передачі на великі відстані або знижувати напругу для використання електроенергії в будинках та на підприємствах. Найбільші силові трансформатори не можуть бути виготовлені масовим виробництвом, натомість вони виготовляються на замовлення для електропідстанцій кожної енергокомпанії.
Виробничі обмеження, у поєднанні з прагненням модернізувати енергетичну інфраструктуру США, призвели до того, що енергокомпанії та інші клієнти повинні чекати до кількох років на постачання нових силових трансформаторів. Це не тільки перешкоджає розширенню інфраструктури енергетичної мережі, необхідного для підтримки зростаючого попиту на електроенергію, але й затримує процес заміни застарілих силових трансформаторів.
Натомість твердотільні трансформатори покладаються на високочастотні перемикачі напівпровідників для перетворення напруги та можуть масово вироблятися з використанням напівпровідникових матеріалів, таких як карбід кремнію. Такі трансформатори фізично менші та легші за традиційні, мають модульні конструкції, що забезпечують легке оновлення або заміну деталей, і можуть функціонувати як універсальні пристрої силової електроніки, виконуючи кілька завдань.
Технологічні компанії, що будують найбільші дата-центри зі штучним інтелектом, зацікавлені в твердотільних трансформаторах, оскільки вони впроваджують архітектури постійного струму (DC) для підтримки серверних стійок, насичених енергоємними чіпами ШІ. Твердотільні трансформатори можуть безпосередньо перетворювати змінний струм (AC) з мережі розподілу локальної мережі на постійний струм (DC), який потрібен таким дата-центрам – і все це без потреби в окремому електричному пристрої для цього перетворення AC/DC.
«Це свого роду одна магічна коробка, яка усуває значну частину інфраструктури, а також забезпечує єдине місце керування, що усуває багато проблем з взаємодії, які ви можете спостерігати в традиційному дата-центрі, де різні компоненти всередині дата-центру 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 дата-центру, а потім ви йдете прямо до стійки».
Від «вбивчого застосування» до масового впровадження
Дата-центри стали «вбивчим застосуванням для твердотільних трансформаторів прямо зараз», – сказав Лукич Ars. Кілька американських компаній, включаючи Amperesand, Heron Power та DG Matrix, сукупно залучили понад 280 мільйонів доларів фінансування за останній рік для комерціалізації технології твердотільних трансформаторів.
Твердотільні трансформатори також можуть значно скоротити 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 твердотільних трансформаторів може навіть допомогти полегшити ширший дефіцит ланцюгів постачання, що впливає на силові трансформатори. Це зробить трансформатори більш доступними для модернізації та розширення енергетичних мереж поза межами проектів дата-центрів.
«Існує відносно небагато спеціалізованих компаній, які виробляють [традиційні] трансформатори, тоді як твердотільні трансформатори – це як електронний пристрій», – сказав Лукич. «Це повністю відкриває простір для того, хто може працювати в сфері трансформаторів, а також відкриває, де трансформатори можуть бути вироблені».
Ті самі переваги твердотільних трансформаторів також застосовуються до зарядки електромобілів, яка так само залежить від постійного струму. Лукич та його колеги нещодавно продемонстрували, як твердотільний трансформатор, підключений до лінії електропередач, міг обробляти до 1 мегавата потужності під час зарядки акумулятора електромобіля – твердотільний трансформатор виконував необхідне зниження напруги, а також перетворення живлення AC в DC.
Демонстрація NC State проходить у лабораторії доставки електроенергії некомерційного Інституту досліджень електроенергетики в Ленноксі, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Енергетичним управлінням штату Нью-Йорк, що розпочалася у 2018 році. Твердотільний трансформатор розміром приблизно 1×1,5×2 метри знаходиться в транспортному контейнері на місці з травня 2026 року і має повернутися до NC State у вересні після кількох місяців випробувань в умовах літньої погоди.
«Він виглядає як велика трансформаторна коробка з трохи іншим форм-фактором, великою масою того, що виглядає як сталь», – сказав Лукич. «Він замінює три маси сталі однією масою сталі та усуває значну частину проводки та земляних робіт, які зазвичай потрібно було б виконати для застосування електромобілів».
Твердотільний трансформатор має модульну конструкцію з активним фронтендом, що взаємодіє з енергетичною мережею, перетворювачем AC/DC та високочастотним ізолюючим трансформатором, який підвищує або знижує напругу. Важливою технологією став виготовлений на замовлення ізолюючий компонент, який може витримувати «повне навантаження мережі, повну розподільну напругу» на відносно компактному пристрої, пояснив Лукич.
Інженерні та комерціалізаційні виклики для цієї технології все ще попереду. Але Лукич сподівається, що впровадження твердотільних трансформаторів дата-центрами допоможе «зняти ризики» з технології для масового впровадження поза межами розбудови інфраструктури ШІ в технологічній галузі.
«Окрім дата-центрів, ми можемо розглядати зарядку електромобілів у густонаселених районах», – сказав Лукич. «Багато навантажень у наших будинках зараз працюють на постійному струмі, тому можливість розподіляти постійний струм у сучасних будинках матиме значні переваги».
Оригінал статті: arstechnica.com