Трансформатори на твердотільному (solid-state) елементі можуть стати ключовими для зарядки електромобілів і, згодом, для побутового використання.
Центри обробки даних стали головним чинником стрімкого зростання попиту на електроенергію, що створює навантаження на енергосистеми США. Однак бум дата-центрів зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати позитивним зрушенням для всіх — твердотілі трансформатори, що замінюють промислові технології епохи минулого сучасними силовими електронними пристроями.
Енергетичні мережі наразі покладаються на традиційні трансформатори, які 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 рівень напруги змінного струму для передачі на великі відстані або знижувати його для використання в будинках і підприємствах. Найбільші силові трансформатори не можуть бути масово вироблені, натомість їх виготовляють на замовлення для кожної електричної підстанції компанії.
Обмеження у виробництві, у поєднанні з прискореним оновленням енергетичної інфраструктури США, означають, що енергетичні компанії та інші клієнти змушені чекати до кількох років на постачання нових силових трансформаторів. Це створює проблеми не лише для розширення інфраструктури енергосистеми для підтримки зростаючого попиту на електроенергію, але й затримує процес заміни застарілих трансформаторів.
На противагу цьому, 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 модульний дизайн, що забезпечує легке оновлення або заміну деталей, і можуть функціонувати як універсальні силові електронні пристрої, виконуючи кілька завдань.
Технологічні компанії, що будують найбільші дата-центри зі штучним інтелектом, зацікавлені в твердотілих трансформаторах, оскільки вони впроваджують архітектури постійного струму (DC) для живлення серверних стійок, заповнених енергоємними чіпами ШІ. Твердотілі трансформатори можуть безпосередньо перетворювати змінний струм (AC) з розподільчої мережі місцевої мережі на постійний струм, який потрібен таким дата-центрам, — і все це без окремого електронного пристрою для виконання цього перетворення AC/DC.
«Це, по суті, одна чарівна коробка, яка усуває значну частину інфраструктури, а також забезпечує єдине місце керування, що зменшує багато викликів сумісності, які можуть виникнути в традиційному дата-центрі, де різні компоненти намагаються регулювати одне й те саме», — сказав 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 «вбивчого застосунку» до масового впровадження
«Зараз дата-центри стали «вбивчим застосунком» для твердотілих трансформаторів», — сказав Лукіч виданню Ars. Кілька американських компаній, зокрема Amperesand, Heron Power та DG Matrix, колективно 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 їхній менший фізичний розмір дозволяє розробникам дата-центрів використовувати доступний простір для інших потреб, пояснив Лукіч.
У довгостроковій перспективі успішна комерціалізація твердотілих трансформаторів може навіть допомогти полегшити ширший дефіцит у ланцюгах постачання, що впливає на силові трансформатори. Це зробить трансформатори більш доступними для оновлення та розширення енергосистем поза межами проєктів дата-центрів.
«Існує відносно небагато спеціалізованих компаній, які виробляють [традиційні] трансформатори, тоді як твердотілі трансформатори схожі на електронний пристрій», — сказав Лукіч. «Це повністю відкриває простір для тих, хто може працювати в сфері трансформаторів, а також відкриває місце, де трансформатори можуть виготовлятися».
Ті самі переваги твердотілих трансформаторів стосуються і зарядки електромобілів, яка так само залежить від постійного струму. Лукіч та його колеги нещодавно продемонстрували, як твердотілий трансформатор, підключений до діючої лінії електропередач, міг витримувати до 1 мегавата потужності під час зарядки акумулятора електромобіля — твердотілий трансформатор виконував необхідне зниження напруги, а також перетворення потужності AC на DC.
Демонстрація Університету штату Північна Кароліна відбувається в лабораторії доставки електроенергії некомерційного Інституту досліджень електричної енергії (EPRI) у місті Леннокс, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Нью-Йоркським енергетичним управлінням, що розпочалася у 2018 році. Твердотілий трансформатор — розміром приблизно 1 метр на 1,5 метра на 2 метри — перебуває в транспортному контейнері на об’єкті з травня 2026 року і має бути повернутий до Університету штату Північна Кароліна у вересні після кількох місяців випробувань в умовах літньої погоди.
«Це виглядає як велика трансформаторна коробка з трохи іншим форм-фактором, великою грудкою того, що виглядає як сталь», — сказав Лукіч. «Вона замінює три грудки сталі однією грудкою сталі та усуває багато дротових з’єднань і траншей, які зазвичай довелося б робити для застосунку електромобілів».
Твердотілий трансформатор має модульну конструкцію з активним фронтальним модулем, 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 «повне навантаження мережі, повну напругу розподільчої мережі» в межах відносно компактного пристрою, пояснив Лукіч.
Хоча інженерні та комерціалізаційні виклики для цієї технології ще попереду. Але Лукіч сподівається, що впровадження твердотілих трансформаторів у дата-центрах допоможе «знизити ризик» цієї технології для масового прийняття поза межами розбудови інфраструктури ШІ в технологічній галузі.
«Окрім дата-центрів, ми можемо розглядати зарядку електромобілів у густонаселених районах», — сказав Лукіч. «Багато побутових пристроїв зараз працюють на постійному струмі, тому можливість розподілу постійного струму в сучасних будинках матиме значні переваги».
За даними порталу: arstechnica.com