Трансформатори з твердотільними компонентами можуть покращити зарядку електромобілів і, в майбутньому, забезпечити енергією будинки.
Центри обробки даних стали головним чинником стрімкого зростання споживання електроенергії, що створює навантаження на енергетичні мережі США. Однак бум дата-центрів зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати сприятливим чинником для всіх — твердотільні трансформатори, що замінюють промислові технології сучасною силіконікою.
Енергетичні мережі наразі покладаються на традиційні трансформатори, які вручну збираються і мають фундаментальну конструкцію, що датується 1880-ми роками. Дві мідні котушки, намотані навколо сталевого осердя, створюють електромагнітні поля, які допомагають підвищувати або знижувати рівні напруги змінного струму для передачі на великі відстані або для споживання електроенергії будинками та підприємствами. Найбільші силові трансформатори неможливо масово виробляти, вони виготовляються на замовлення для електричних підстанцій кожної енергетичної компанії.
Обмеження виробництва, разом із необхідністю модернізації енергетичної інфраструктури США, означають, що енергетичні компанії та інші клієнти змушені чекати кілька років на постачання нових силових трансформаторів. Це не лише перешкоджає розширенню інфраструктури енергомережі, необхідної для підтримки зростаючого попиту на електроенергію, але й затримує процес заміни застарілих силових трансформаторів.
Натомість твердотілі трансформатори використовують високочастотне перемикання 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 модульну конструкцію, яка дозволяє легко оновлювати або замінювати деталі, і можуть виступати як універсальні силові електронні пристрої, виконуючи численні завдання.
Технологічні компанії, що будують найбільші дата-центри зі штучним інтелектом, зацікавлені в твердотілих трансформаторах, оскільки вони впроваджують архітектури постійного струму (DC) для підтримки серверних стійок, заповнених енергоємними чіпами ШІ. Твердотілі трансформатори можуть безпосередньо перетворювати змінний струм (AC) з мережі розподілу на постійний струм, який потрібен таким дата-центрам — все це без окремого електронного пристрою для такого перетворення AC/DC.
«Це свого роду “чарівна скринька”, яка усуває багато інфраструктури, а також забезпечує один центр керування, що усуває багато проблем сумісності, які ви можете побачити 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 серверів, а потім ви йдете прямо до стійки».
Від «вбивчого застосунку» до масового впровадження
Дата-центри стали «вбивчим застосунком для твердотілих трансформаторів просто зараз», — сказав Лукич Ars. Кілька американських компаній, зокрема Amperesand, Heron Power та DG Matrix, спільно 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 проєктів дата-центрів, тоді як їхні менші фізичні розміри дозволяють розробникам дата-центрів використовувати доступний простір для інших цілей, пояснив Лукич.
У довгостроковій перспективі успішна комерціалізація твердотілих трансформаторів може навіть допомогти полегшити загальний дефіцит у ланцюгах постачання, що впливає на трансформатори. Це зробить трансформатори більш доступними для модернізації та розширення енергомережі за межами проєктів дата-центрів.
«Існує 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 в сфері трансформаторів, а також відкриває, де трансформатори можуть вироблятися».
Ті ж 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 лінії електропередачі, може витримувати до 1 мегавата потужності під час зарядки акумулятора електромобіля — твердотілий трансформатор виконував необхідне зниження напруги, а також перетворення потужності AC в DC.
Демонстрація NC State відбувається в лабораторії електропостачання некомерційного Інституту досліджень електроенергетики (EPRI) у Ленноксі, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Нью-Йоркською енергетичною адміністрацією (NYPA), яка розпочалася у 2018 році. Твердотілий трансформатор розміром приблизно 1×1,5×2 метри з травня 2026 року перебуває в транспортному контейнері на об’єкті, і його планується повернути до NC State у вересні після кількох місяців випробувань у літніх умовах.
«Це схоже на велику коробку трансформатора з трохи іншим форм-фактором, великою масою, схожою на сталь», — сказав Лукич. «Вона замінює три шматки сталі на один і усуває багато проводки та риття траншей, які зазвичай потрібні для застосування електромобілів».
Твердотілий трансформатор має модульну конструкцію з активним фронтальним 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 розподільну напругу» в межах відносно компактного пристрою, пояснив Лукич.
Інженерні та комерційні виклики для цієї технології ще попереду. Але Лукич сподівається, що впровадження твердотілих трансформаторів у дата-центрах допоможе «знизити ризики» для масового впровадження поза межами побудови інфраструктури ШІ в технологічній галузі.
«Окрім дата-центрів, ми можемо подумати про зарядку електромобілів у густонаселених районах», — сказав Лукич. «Багато навантажень у наших будинках зараз є DC, тому здатність розподіляти DC у сучасних будинках матиме значні переваги».
Дізнатися більше на: arstechnica.com