این ماژول کوچک توان میتواند نحوه استفاده جهان از انرژی را تغییر دهد
رکنا: پژوهشگران آزمایشگاه ملی انرژیهای تجدیدپذیر آمریکا (NREL) از توسعه یک ماژول توان نوین مبتنی بر کاربید سیلیکون خبر دادند که با بازدهی بیسابقه، چگالی انرژی بالاتر و هزینه تولید کمتر، میتواند تحول چشمگیری در نحوه تبدیل و مصرف برق در صنایع مختلف ایجاد کند.
به گزارش گروه ترجمه رکنا به نقل از ساینس دیلی، تقاضای جهانی برای برق به سرعت در حال افزایش است. مراکز داده پرمصرفی که از هوش مصنوعی پشتیبانی میکنند، همراه با گسترش تولید صنعتی، فشار بیسابقهای بر سامانههای برق در سراسر جهان وارد کردهاند. پاسخگویی به این تقاضا مستلزم چیزی فراتر از صرفاً تولید برق بیشتر خواهد بود.
یکی از راهکارهای امیدوارکننده، استفاده بسیار کارآمدتر و کمهزینهتر از منابع انرژی موجود است.
رویکردی نوین برای بهرهوری توان
پژوهشگران در آزمایشگاه ملی انرژیهای تجدیدپذیر (NREL) یک ماژول توان جدید مبتنی بر کاربید سیلیکون توسعه دادهاند که با هدف بهبود چشمگیر نحوه تبدیل و انتقال برق طراحی شده است. ماژول توان محفظهای است که الکترونیک قدرت را در خود جای میدهد؛ تجهیزاتی که جریان برق میان سامانهها را تنظیم میکنند. این طراحی جدید، بازدهی رکوردشکن، چگالی توان بالاتر و فرآیند تولیدی با هزینه پایین را ارائه میدهد.
این فناوری با نام ماژول توان هوشمند با اندوکتانس فوقالعاده پایین NREL یا ULIS شناخته میشود. با استفاده از نیمهرساناهای کاربید سیلیکون، ULIS میتواند به چگالی انرژی پنج برابر بیشتر از طراحیهای پیشین دست یابد، در حالی که فضای کمتری اشغال میکند. این ترکیب به تولیدکنندگان امکان میدهد تجهیزاتی کوچکتر، سبکتر و کممصرفتر بسازند. این ماژول ۱۲۰۰ ولتی و ۴۰۰ آمپری برای مراکز داده، شبکههای برق، میکرورآکتورها و سکوهای سنگین مانند هواپیماهای نسل بعد و خودروهای نظامی مناسب است.
چرا اندوکتانس فوقالعاده پایین اهمیت دارد
یکی از مزیتهای کلیدی ULIS اندوکتانس پارازیتی بسیار پایین آن است؛ مفهومی که به مقاومتی اشاره دارد که تغییرات جریان الکتریکی را کند میکند و تبدیل کارآمد توان را محدود میسازد. ULIS این مقاومت را در مقایسه با پیشرفتهترین ماژولهای توان کاربید سیلیکون امروزی، هفت تا نه برابر کاهش میدهد.
از آنجا که این سامانه میتواند جریان الکتریکی را با سرعتی بسیار بالا و بازدهی زیاد سوئیچ کند، بخش بیشتری از برق در دسترس را به توان قابل استفاده تبدیل میکند. این قابلیت به ULIS اجازه میدهد ارزش بهمراتب بیشتری از همان منبع انرژی استخراج کند و آن را به گزینهای قدرتمند برای پاسخ به نیازهای روبهرشد انرژی جهانی تبدیل سازد.
فیصل خان، پژوهشگر ارشد الکترونیک قدرت در NREL و محقق اصلی این پروژه، گفت: «ما ULIS را یک دستاورد واقعی میدانیم. این یک ماژول توان فوقسریع و آیندهنگر است که نسل بعدی مبدلهای توان را مقرونبهصرفهتر، کارآمدتر و فشردهتر خواهد کرد.»
طراحیشده برای قابلیت اطمینان در شرایط سخت
ULIS نهتنها برای بهرهوری، بلکه برای اطمینانپذیری در محیطهای دشوار نیز طراحی شده است. به گفته خان، این ماژول سبک اما قدرتمند میتواند وضعیت خود را پایش کند و خرابی قطعات را پیش از وقوع پیشبینی کند.
این ویژگی بهویژه برای کاربردهای پرریسک مانند هوانوردی و عملیات نظامی حیاتی است. برای هواپیماهایی که در ارتفاع ۳۰ هزار پایی پرواز میکنند یا خودروهایی که در مناطق درگیری حرکت دارند، تشخیص زودهنگام خرابی میتواند تفاوت میان موفقیت مأموریت و خسارت فاجعهبار باشد.
خان افزود: «ULIS تلاشی کاملاً بومی بود که به طور کامل در داخل NREL توسعه یافت. ما بسیار مشتاقیم توانمندیهای آن را در شرایط واقعی به نمایش بگذاریم.»
بازطراحی بنیادین برای تولید کمهزینهتر
بخش قابل توجهی از پیشرفت عملکرد ULIS ناشی از طراحی فیزیکی کاملاً جدید آن است.
ماژولهای توان سنتی، قطعات نیمهرسانا را درون بستههای جعبهمانند روی هم قرار میدهند. اما ULIS مدارهای خود را در چیدمانی مسطح و هشتضلعی سازماندهی میکند. این ساختار دیسکیشکل، قطعات بیشتری را در فضایی کوچکتر جای میدهد و در نتیجه اندازه و وزن را کاهش میدهد. همزمان، مسیردهی نوآورانه جریان در آن، تداخل مغناطیسی را به حداقل میرساند و به ارائه خروجی الکتریکی پاکتر و بازده کلی بالاتر کمک میکند.
شوفنگ ژائو، پژوهشگر الکترونیک قدرت در NREL که معماری حذف شار ULIS را طراحی کرده است، گفت: «بزرگترین نگرانی ما این بود که دستگاه بسیار سریع خاموش و روشن میشود و به چیدمانی نیاز داشتیم که در طراحی گلوگاه ایجاد نکند.»
مفاهیم اولیه شامل اشکال پیچیده سهبعدی، از جمله طرحهایی شبیه گل یا استوانههای توخالی بود. با این حال، این ایدهها بیش از حد پرهزینه یا دشوار برای تولید بودند. نقطه عطف زمانی حاصل شد که تیم، مفهوم را به ساختاری تقریباً دوبعدی ساده کرد. سرفراز اسلام، دیگر پژوهشگر الکترونیک قدرت در NREL، طراحی مسطحی را پیشنهاد داد که عملکرد، هزینه و قابلیت تولید را متعادل میکرد.
ژائو گفت: «ما آن را صاف کردیم، مثل یک پنکیک، و ناگهان به طراحی کمهزینه و پربازدهی رسیدیم که ساخت آن بسیار آسانتر بود.»
جاشوا میجر، دیگر عضو تیم الکترونیک قدرت NREL، روشهای ساخت جدیدی توسعه داد که امکان تولید این ساختار پیچیده را تنها با استفاده از ابزارها و تأسیسات داخلی فراهم کرد. نتیجه، طراحیای بود که مزایای الکتریکی سامانههای سهبعدی را با عملیبودن تولید مسطح ترکیب میکرد.
مواد انعطافپذیر و کنترل بیسیم
ULIS همچنین از مواد متداول فاصله گرفته است. ماژولهای توان سنتی، مس را مستقیماً به پایههای سرامیکی سخت متصل میکنند تا هدایت الکتریکی و مدیریت حرارت را انجام دهند. اگرچه این روش مؤثر است، اما انعطافپذیری را محدود میکند.
در مقابل، ULIS مس را به یک پلیمر انعطافپذیر به نام Temprion متصل میکند. این تغییر ساختاری نازکتر، سبکتر و سازگارتر ایجاد میکند. این ماده تنها با حرارت و فشار به مس متصل میشود و اجزای آن را میتوان با تجهیزات رایج ماشینکاری کرد. در نتیجه، هزینههای تولید به جای هزاران دلار، به صدها دلار کاهش مییابد.
پیشرفت مهم دیگر، امکان عملکرد بیسیم ULIS است. این ماژول میتواند بدون کابلهای فیزیکی کنترل و پایش شود و به عنوان یک واحد خودکفا عمل کند. این طراحی ماژولار شبیه لگو، امکان یکپارچهسازی آن را در طیف گستردهای از سامانهها، از سرورهای مراکز داده گرفته تا هواپیماهای پیشرفته و خودروهای نظامی، فراهم میکند. ثبت اختراع مربوط به پروتکل ارتباط بیسیم با تأخیر پایین، به رهبری سرفراز اسلام، در حال بررسی است.
طراحیشده برای فناوریهای آینده
اگرچه ULIS در حال حاضر بر نیمهرساناهای پیشرفته کاربید سیلیکون متکی است، اما طراحی آن به گونهای انجام شده که قابلیت تکامل داشته باشد. این ماژول میتواند برای مواد نیمهرسانای آینده، از جمله نیترید گالیوم و اکسید گالیوم که هنوز به مرحله تجاری نرسیدهاند، سازگار شود.
در مجموع، این نوآوریها از یک هدف مرکزی پشتیبانی میکنند. با افزایش وابستگی جوامع به برق قابل اطمینان، ULIS به گونهای طراحی شده است که بهرهوری را بدون قربانی کردن قابلیت اطمینان ارائه دهد.
جایی که ULIS میتواند بیشترین تأثیر را بگذارد
انتظار میرود ULIS در بخشهای متعددی تأثیر گستردهای داشته باشد.
در شبکه برق ایالات متحده، برق پیش از رسیدن به مصرفکنندگان باید به اشکال قابل استفاده تبدیل شود. این فرآیند اغلب به تجهیزات بزرگ و کمفرکانس متکی است که انرژی را هدر میدهند. سوئیچینگ سریع ULIS بازدهی را افزایش میدهد، در حالی که توانایی آن در تحمل دماهای بالا میتواند هزینههای نگهداری بلندمدت را کاهش دهد.
در هوانوردی، توانایی این ماژول در انتقال سریع برق و حفظ انرژی، مبدلهایی سبکتر و قدرتمندتر را امکانپذیر میکند. این موضوع میتواند هواپیماهای برقی با برخاست و فرود عمودی (eVTOL) را عملیتر و از نظر تجاری مقرونبهصرفهتر سازد.
ULIS همچنین میتواند در سامانههای آینده انرژی همجوشی نقش ایفا کند. اگرچه همجوشی تجاری همچنان در حال توسعه است، این سامانهها به اجزای توان پالسی فشرده و قابل اطمینان نیاز خواهند داشت. اندوکتانس فوقالعاده پایین و طراحی بادوام ULIS آن را برای این چالش مناسب میسازد.
در حالی که صنایع به دنبال برق مطمئنتر، هوش مصنوعی پیشرفته و خودروهای نسل بعد هستند، ULIS اکنون برای اعطای مجوز بهرهبرداری در دسترس است.
ارسال نظر