Твердотільні трансформатори можуть стати корисними для зарядки електромобілів і, в майбутньому, для домогосподарств.
Центри обробки даних стали головним чинником стрімкого зростання попиту на електроенергію, що створює навантаження на енергетичні мережі США. Однак бум центрів обробки даних зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати позитивним моментом для всіх — твердотільні трансформатори, що замінюють промислові технології сучасною силіконікою.
Енергетичні мережі наразі покладаються на традиційні трансформатори, які копітко збираються вручну і мають фундаментальний дизайн, що датується 1880-ми роками. Дві мідні котушки, намотані вручну навколо сталевого осердя, створюють електромагнітні поля, які допомагають підвищувати рівні напруги змінного струму для передачі на великі відстані або знижувати рівні напруги для використання електроенергії в будинках і підприємствах. Найбільші силові трансформатори не можуть бути масовими, а натомість виготовляються на замовлення для кожної електричної підстанції комунальної компанії.
Обмеження виробництва, у поєднанні з прагненням модернізувати енергетичну інфраструктуру США, означають, що комунальні компанії та інші клієнти мусять чекати до кількох років на постачання нових силових трансформаторів. Це є проблемою не тільки для розширення інфраструктури енергомережі для підтримки зростаючого попиту на електроенергію, але й для процесу заміни застарілих силових трансформаторів.
Натомість твердотілі трансформатори використовують високочастотні напівпровідникові перемикачі для перетворення напруги і можуть масово виготовлятися 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 виконувати функції універсальних силових електронних пристроїв, обробляючи кілька завдань.
Технологічні компанії, що будують найбільші центри обробки даних зі ШІ, зацікавлені в твердотільних трансформаторах, оскільки вони впроваджують архітектури постійного струму (DC) для підтримки серверних стійок, заповнених енергоємними чіпами ШІ. Твердотільні трансформатори можуть безпосередньо перетворювати змінний струм (AC) з мережі місцевої енергосистеми на постійний струм (DC), необхідний таким центрам обробки даних — і все це без окремого електричного пристрою для виконання цього перетворення AC/DC.
«Це, по суті, одна магічна коробка, яка усуває багато інфраструктури, а також забезпечує одне місце керування, що усуває багато проблем сумісності, які ви можете побачити в традиційному центрі обробки даних, де різні компоненти в межах центру обробки даних 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 ступінь перетворення поза залою обробки даних, а потім ви йдете прямо до стійки».
Від «вбивчого застосунку» до масового впровадження
Центри обробки даних стали «вбивчим застосунком для твердотільних трансформаторів просто зараз», — сказав 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 твердотільних трансформаторів.
Твердотілі трансформатори також можуть значно зменшити кількість міді та інших матеріалів, необхідних для проєктів центрів обробки даних, тоді як їхній менший фізичний розмір дозволяє розробникам центрів обробки даних використовувати доступний простір для інших цілей, пояснив Лукич.
У довгостроковій перспективі успішна комерціалізація твердотільних трансформаторів може навіть допомогти полегшити загальний дефіцит у ланцюжку постачань, що впливає на силові трансформатори. Це зробить трансформатори більш доступними для модернізації та розширення енергомереж, окрім проєктів центрів обробки даних.
«Є відносно невелика кількість спеціалізованих компаній, які виробляють [традиційні] трансформатори, тоді як твердотілі трансформатори схожі на електронний пристрій», — сказав Лукич. «Це повністю відкриває простір для того, хто може грати на ринку трансформаторів, а також відкриває місце, де трансформатори можуть вироблятися».
Ті самі переваги твердотільних трансформаторів також стосуються зарядки електромобілів, яка подібним чином залежить від постійного струму. Лукич та його колеги нещодавно продемонстрували, як твердотільний трансформатор, підключений до реальної лінії електропередач, може обробляти до 1 мегавата потужності під час зарядки акумулятора електромобіля — твердотільний трансформатор виконував необхідне зниження напруги, а також перетворення потужності AC на DC.
Демонстрація NC State відбувається в лабораторії доставки енергії некомерційного Інституту досліджень електроенергії в Ленноксі, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Нью-Йоркським управлінням енергетики, що розпочалася у 2018 році. Твердотільний 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 NC State у вересні після місяців випробувань в умовах літньої погоди.
«Це виглядає як велика коробка трансформатора з трохи іншою формою, великою грудкою того, що виглядає як сталь», — сказав Лукич. «Вона замінює три грудки сталі однією грудкою сталі та усуває багато проводки та траншей, які вам зазвичай довелося б робити для застосування електромобілів».
Твердотільний трансформатор має модульну конструкцію з активним переднім кінцем, що взаємодіє з енергосистемою, перетворювачем AC/DC та високочастотним ізолюючим трансформатором, який або підвищує, або знижує напругу. Ключовою технологією був виготовлений на замовлення ізолюючий компонент, який може витримувати «повний стрес мережі, повну напругу розподілу» в досить компактному пристрої, пояснив Лукич.
Інженерні та комерціалізаційні виклики для цієї технології ще попереду. Але Лукич сподівається, що впровадження твердотільних трансформаторів центрами обробки даних допоможе «знеризикувати» технологію для масового впровадження за межами розбудови інфраструктури ШІ в технологічній галузі.
«Окрім центрів обробки даних, ми можемо думати про зарядку електромобілів у густонаселених районах», — сказав Лукич. «Багато навантажень у наших будинках зараз є DC, тому можливість розподілу DC у сучасних будинках матиме значні переваги».
Джерело новини: arstechnica.com