گرفتن آینده برق: تکامل استراتژیک فناوری ترانسفورماتور جامد در ایالات متحده

DG Matrix و Resilient Power می‌گویند که ترانسفورماتورهای حالت جامد آنها می‌توانند هزینه، زمان و پیچیدگی تأمین برق به مراکز داده، ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی (EV) و غیره را کاهش دهند. برای دهه‌ها، مهندسان برق رویای دستیابی به دستگاهی که بتواند به صورت سلبی پانل‌های خورشیدی، سیستم‌های باتری و ژنراتورهای محلی را به تجهیزات با مصرف بالا مانند شارژرهای EV یا سرورهای مرکز داده متصل کند بدون نیاز به مقدار زیادی سخت‌افزار گران‌قیمت برای همکاری آنها را داشته‌اند.

حالا، این دستگاه‌ها که ترانسفورماتورهای حالت جامد نامیده می‌شوند در حال ورود به بازار هستند — و ظهور آنها نمی‌تواند به موقع‌تر باشد.

این است زیرا فناوری می‌تواند کلیدی برای رسیدگی به تقاضای انرژی عظیم مراکز داده، کارخانه‌ها و ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی باشد که می‌تواند شبکه برق را سرشار کرده و موجب سوزاندن بیشتر سوخت‌های فسیلی شود که به گرمایش جهانی کمک می‌کند.

در حال حاضر، تقاضای برق این مصرف‌کنندگان بزرگ بیش از ظرفیت تأمین شبکه برق ایالات متحده است. نظریاً، این مشکل با اجازه دادن به آنها برای نصب پانل‌های خورشیدی، باتری‌ها و ژنراتورهای خود در محل — بهترین حالت میکروگریدها — قابل حل است — اما این راه‌حل به نظر ساده در واقع بسیار پیچیده و گران است.

هر آرایه خورشیدی، باتری، سلول سوختی، ژنراتور یا منبع برق دیگر در محل نیازمند چندین تجهیز — دستگاه‌های محافظ برق، ترانسفورماتورهای جداکننده، ترانسفورماتورهای افزایش و کاهش ولتاژ، تبدیل‌کننده‌های برق — برای تبدیل ایمن جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) یا برعکس و افزایش یا کاهش ولتاژ برای پاسخگویی به نیازهای مختلف بارهای یک ساختمان است.

ترانسفورماتورهای حالت جامد می‌توانند تمام این توابع را با یک دستگاه تنها انجام دهند، کنترل برق را به انعطاف‌پذیری یک روتر که جریان داده را کنترل می‌کند. این موضوع به ویژه برای مدیریت تجهیزات با تقاضای برق بالا (مانند شارژرهای EV) یا تجهیزات بسیار حساس به کیفیت برق (مانند رک‌های سرور در مراکز داده) ارزشمند است.

به گفته Haroon Inam، رئیس و بنیانگذار مشترک DG Matrix، یکی از کمترین شرکت‌هایی که شروع به استفاده عملی از ترانسفورماتورهای حالت جامد کرده است. او گفت که DG Matrix در مارس امسال ۲۰ میلیون دلار جمع‌آوری کرد و در حال ساخت کارخانه‌ای در کارولینای شمالی است که می‌تواند اواخر امسال با ظرفیت تولید سالانه ۱۰۰۰ واحد عملیات را شروع کند. "ما وارد بازار تجاری و صنعتی میکروگرید بزرگ و غیرخدمت‌رسانده شده‌ایم"، گفت. "مردم این کار را نکرده‌اند زیرا هزینه ساخت یک میکروگرید سفارشی منفرد بسیار بالاست."

DG Matrix تنها شرکتی نیست که در این زمینه کار می‌کند. Heron Power، یک شرکت نوپای تأسیس شده توسط کارمند سابق تسلا Drew Baglino، ۴۳ میلیون دلار جمع‌آوری کرده و هدف دارد تا اولین ترانسفورماتورهای حالت جامد خود را تا سال ۲۰۲۷ بسازد. Amperesand در سال گذشته ۱۲.۵ میلیون دلار جمع‌آوری کرده تا ادامه دهد توسعه ترانسفورماتورهای حالت جامد که در شبکه برق سنگاپور آزمایش می‌شوند.

شرکت‌های الکترونیکی بزرگ به این علاقه‌مند هستند. گیانت تجهیزات الکتریکی Eaton ماه گذشته موافقت کرد Resilient Power Systems را خریداری کند که در سال ۲۰۲۱ ۵ میلیون دلار جمع‌آوری کرده تا تجهیزات تبدیل برق خود را برای ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی و محیط‌های مصرف‌کننده انرژی بالا بسازد و نصب کند. Eaton در زمان تعامل ۵۵ میلیون دلار در شرکت سرمایه‌گذاری می‌کند؛ بسته به عملکرد مالی و فنی Resilient Power در چند سال آینده، Eaton ممکن است ۹۵ میلیون دلار دیگر نیز پرداخت کند.

"بسیاری از مردم برای بیش از یک دهه روی این فناوری کار کرده‌اند"، گفت Aidan Graham، معاون ارشد و مدیر کل کسب و کار راه‌حل‌های برق بحرانی Eaton. حالا، با پیشرفت‌های چندین فناوری مهندسی کلیدی، این فناوری ممکن است در نهایت دوره طلایی خود را داشته باشد — شرکت‌های برق و سایر مؤسسات شروع به آزمایش آن کرده‌اند.

تکامل ترانسفورماتورهای حالت جامد

Eaton برای سال‌ها در تحقیق و توسعه ترانسفورماتورهای حالت جامد کار می‌کند. شرکت هنوز نحوه مقیاس‌بندی تولید و نصب فناوری Resilient Power را افشا نکرده است. اما Graham گفت: "ما در چندین زمینه اکتشاف می‌کنیم، از جمله شارژ EV و یکپارچه‌سازی باتری‌ها در مراکز داده و سایر محیط‌های بحرانی. 'باخت برق حتی برای لحظه‌ای می‌تواند جان افراد را تهدید کند و هزینه‌های زیادی را به وجود آورد.'"

Michael Wood III، مدیر ستاد DG Matrix، گفت که شرکت تجهیزات خود را با شرکت‌هایی از جمله ABB، یک گیانت تولید تجهیزات الکتریکی، Duke Energy، یک شرکت برق کارولینای شمالی، و PowerSecure، یک توسعه‌دهنده بزرگ میکروگرید و سیستم‌های برق مرکز داده متعلق به شرکت برق Southern Co. آزمایش می‌کند.

"بهترین روش برای کسب گیگاوات بعدی انرژی ساخت سیستم‌های توزیعی است"، گفت Wood. "امروزه، شما نیاز به تمام این دستگاه‌ها برای اجرای هموار این پروژه‌ها دارید. DG Matrix تعادل بین تمام این سیستم‌ها را حذف می‌کند و آن را به یک سیستم ساده می‌کند."

Inam گفت که هزینه استفاده از ترانسفورماتور حالت جامد DG Matrix فقط نیمی از هزینه اتصال مكون‌های میکروگرید محلی استفاده از ترکیب استانداردهای فنی مختلف است. علاوه بر این، این کار را آسان‌تر می‌کند که تجهیزات را سریعاً مخلوط و تغییر دهید یا سیستم‌های تهیه مراکز داده، ایستگاه‌های شارژ EV و سایر مکان‌های بالقوه میکروگرید را تغییر دهید.

پس اگر ترانسفورماتورهای حالت جامد فناوری مفیدی هستند، چرا اکنون وارد زمینه شده‌اند؟

Vlatko Vlatkovic، یک شریک در Clean Energy Ventures، یک سرمایه‌گذار DG Matrix و یک ویتنام قدیمی در کسب و کار برق صنعتی General Electric که امسال به هیئت مدیره شرکت نوپا پیوست، گفت دلیل خوبی وجود دارد که این کار طولانی شده است.

شبکه برق به طور گسترده‌ای به دستگاه‌های الکترومکانیکی متکی است که نسبتاً ساده عمل می‌کنند و در طول قرن گذشته تغییرات کمی داشته‌اند. با وجود پیشرفت‌هایی در سال‌های اخیر که امکان ساخت دستگاه‌هایی مانند معکوس‌کننده‌های خورشیدی یا سیستم‌های پیشران خودروهای الکتریکی را فراهم کرده است، نیمه‌رساناها که محاسبات مدرن را ممکن می‌کنند، در شبکه برق به طور گسترده استفاده نشده‌اند.

"دفع صنعت برای استفاده از بیشتر الکترونیک قدرت چالش بزرگی بوده است"، گفت Vlatkovic، به ویژه در ولتاژهای بالاتر شبکه. تا اخیر، فناوری پایه "به اندازه کافی بزرگ یا قابل اعتماد نبود. مشکلات فنی وجود داشت."

Neal Dikeman، یک شریک در Energy Transition Ventures، یک سرمایه‌گذار در Resilient Power، گفت که چالش‌های مشابه ترانسفورماتورهای حالت جامد را در کاربردهای صنعتی با ولتاژ بالا آزار داده است. او گفت پیشرفت‌های مداوم در نیمه‌رساناهای کربید سیلیسیوم و بهبود قدرت محاسباتی مورد نیاز برای کارایی آنها در تبدیل برق کمک کرده است. "اما این کار آسان نیست."

Inam، که قبل از پیوستن به DG Matrix در سال ۲۰۲۳ به عنوان مدیر فناوری ارشد Smart Wires، یک ارائه‌دهنده کنترل برق شبکه، خدمت می‌کرد، گفت که شرکت نوپا باید چندین چالش کلیدی را حل کند تا به این نقطه برسد.

اولاً، در ولتاژهای بالا، گرمای تولید شده توسط تبدیل AC-DC سخت است که منتشر شود. مدیریت "صوت الکترومغناطیسی"، یا اختلال ناشی از همان تبدیل الکتریکی با فرکانس بالا. "اگر ندانید چگونه به طور موثر صدای را کاهش دهید، این همه چیز را تحت تأثیر قرار می‌دهد. می‌تواند باعث سرخ شدن، انفجار و کاهش عملکرد شود"، گفت Inam.

با این حال، حل این چالش‌ها نیز پاداش‌های خود را دارد. "فناوری ما حالا به اندازه کافی بالغ و پیشرفته است که بتوانیم تجهیزات قابل اعتماد را راه‌اندازی کنیم"، گفت Vlatkovic.

چرا اکنون زمان مناسب برای ترانسفورماتورهای حالت جامد است

زمان نمی‌تواند بهتر باشد.

"همه چیز الکتریکی می‌شود، از خودروها تا صنعت تا مسکن"، گفت Vlatkovic. "اگر به پیش‌بینی‌های میزان برقی که شبکه باید در ۱۰ تا ۲۰ سال آینده تأمین کند نگاه کنید، خواهید دید که باید حداقل ظرفیت شبکه را دو برابر کنیم. برخی پیش‌بینی‌ها حتی می‌گویند که باید ظرفیت موجود را سه برابر کنیم."

Inam گفت که پاسخگویی به تقاضای برق مراکز داده فرصت بزرگی است.

طرح‌های هوش مصنوعی پرت野心的达里语翻译如下：

DG Matrix و Resilient Power می‌گویند که ترانسفورماتورهای حالت جامد آنها می‌توانند هزینه، زمان و پیچیدگی تأمین برق به مراکز داده، ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی (EV) و موارد مشابه را کاهش دهند. برای دهه‌ها، مهندسان برق رویای دستیابی به دستگاهی که بتواند به صورت سلسله‌مرحلي پانل‌های خورشیدی، سیستم‌های باتری و ژنراتورهای محلی را به تجهیزات با مصرف بالا مانند شارژرهای EV یا سرورهای مرکز داده متصل کند بدون نیاز به مقدار زیادی سخت‌افزار گران‌قیمت برای همکاری آنها را داشته‌اند.

حالا، این دستگاه‌ها که ترانسفورماتورهای حالت جامد نامیده می‌شوند در حال ورود به بازار هستند — و ظهور آنها نمی‌تواند به موقع‌تر باشد.

این است زیرا فناوری می‌تواند کلیدی برای رسیدگی به تقاضای انرژی عظیم مراکز داده، کارخانه‌ها و ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی باشد که می‌تواند شبکه برق را سرشار کرده و موجب سوزاندن بیشتر سوخت‌های فسیلی شود که به گرمایش جهانی کمک می‌کند.

در حال حاضر، تقاضای برق این مصرف‌کنندگان بزرگ بیش از ظرفیت تأمین شبکه برق ایالات متحده است. نظریاً، این مشکل با اجازه دادن به آنها برای نصب پانل‌های خورشیدی، باتری‌ها و ژنراتورهای خود در محل — بهترین حالت میکروگریدها — قابل حل است — اما این راه‌حل به نظر ساده در واقع بسیار پیچیده و گران است.

هر آرایه خورشیدی، باتری، سلول سوختی، ژنراتور یا منبع برق دیگر در محل نیازمند چندین تجهیز — دستگاه‌های محافظ برق، ترانسفورماتورهای جداکننده، ترانسفورماتورهای افزایش و کاهش ولتاژ، تبدیل‌کننده‌های برق — برای تبدیل ایمن جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) یا برعکس و افزایش یا کاهش ولتاژ برای پاسخگویی به نیازهای مختلف بارهای یک ساختمان است.

ترانسفورماتورهای حالت جامد می‌توانند تمام این توابع را با یک دستگاه تنها انجام دهند، کنترل برق را به انعطاف‌پذیری یک روتر که جریان داده را کنترل می‌کند. این موضوع به ویژه برای مدیریت تجهیزات با تقاضای برق بالا (مانند شارژرهای EV) یا تجهیزات بسیار حساس به کیفیت برق (مانند رک‌های سرور در مراکز داده) ارزشمند است.

به گفته Haroon Inam، رئیس و بنیانگذار مشترک DG Matrix، یکی از کمترین شرکت‌هایی که شروع به استفاده عملی از ترانسفورماتورهای حالت جامد کرده است. او گفت که DG Matrix در مارس امسال ۲۰ میلیون دلار جمع‌آوری کرد و در حال ساخت کارخانه‌ای در کارولینای شمالی است که می‌تواند اواخر امسال با ظرفیت تولید سالانه ۱۰۰۰ واحد عملیات را شروع کند. "ما وارد بازار تجاری و صنعتی میکروگرید بزرگ و غیرخدمت‌رسانده شده‌ایم"، گفت. "مردم این کار را نکرده‌اند زیرا هزینه ساخت یک میکروگرید سفارشی منفرد بسیار بالاست."

DG Matrix تنها شرکتی نیست که در این زمینه کار می‌کند. Heron Power، یک شرکت نوپای تأسیس شده توسط کارمند سابق تسلا Drew Baglino، ۴۳ میلیون دلار جمع‌آوری کرده و هدف دارد تا اولین ترانسفورماتورهای حالت جامد خود را تا سال ۲۰۲۷ بسازد. Amperesand در سال گذشته ۱۲.۵ میلیون دلار جمع‌آوری کرده تا ادامه دهد توسعه ترانسفورماتورهای حالت جامد که در شبکه برق سنگاپور آزمایش می‌شوند.

شرکت‌های الکترونیکی بزرگ به این علاقه‌مند هستند. گیانت تجهیزات الکتریکی Eaton ماه گذشته موافقت کرد Resilient Power Systems را خریداری کند که در سال ۲۰۲۱ ۵ میلیون دلار جمع‌آوری کرده تا تجهیزات تبدیل برق خود را برای ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی و محیط‌های مصرف‌کننده انرژی بالا بسازد و نصب کند. Eaton در زمان تعامل ۵۵ میلیون دلار در شرکت سرمایه‌گذاری می‌کند؛ بسته به عملکرد مالی و فنی Resilient Power در چند سال آینده، Eaton ممکن است ۹۵ میلیون دلار دیگر نیز پرداخت کند.

"بسیاری از مردم برای بیش از یک دهه روی این فناوری کار کرده‌اند"، گفت Aidan Graham، معاون ارشد و مدیر کل کسب و کار راه‌حل‌های برق بحرانی Eaton. حالا، با پیشرفت‌های چندین فناوری مهندسی کلیدی، این فناوری ممکن است در نهایت دوره طلایی خود را داشته باشد — شرکت‌های برق و سایر مؤسسات شروع به آزمایش آن کرده‌اند.

تکامل ترانسفورماتورهای حالت جامد

Eaton برای سال‌ها در تحقیق و توسعه ترانسفورماتورهای حالت جامد کار می‌کند. شرکت هنوز نحوه مقیاس‌بندی تولید و نصب فناوری Resilient Power را افشا نکرده است. اما Graham گفت: "ما در چندین زمینه اکتشاف می‌کنیم، از جمله شارژ EV و یکپارچه‌سازی باتری‌ها در مراکز داده و سایر محیط‌های بحرانی. 'باخت برق حتی برای لحظه‌ای می‌تواند جان افراد را تهدید کند و هزینه‌های زیادی را به وجود آورد.'"

Michael Wood III، مدیر ستاد DG Matrix، گفت که شرکت تجهیزات خود را با شرکت‌هایی از جمله ABB، یک گیانت تولید تجهیزات الکتریکی، Duke Energy، یک شرکت برق کارولینای شمالی، و PowerSecure، یک توسعه‌دهنده بزرگ میکروگرید و سیستم‌های برق مرکز داده متعلق به شرکت برق Southern Co. آزمایش می‌کند.

"بهترین روش برای کسب گیگاوات بعدی انرژی ساخت سیستم‌های توزیعی است"، گفت Wood. "امروزه، شما نیاز به تمام این دستگاه‌ها برای اجرای هموار این پروژه‌ها دارید. DG Matrix تعادل بین تمام این سیستم‌ها را حذف می‌کند و آن را به یک سیستم ساده می‌کند."

Inam گفت که هزینه استفاده از ترانسفورماتور حالت جامد DG Matrix فقط نیمی از هزینه اتصال مكون‌های میکروگرید محلی استفاده از ترکیب استانداردهای فنی مختلف است. علاوه بر این، این کار را آسان‌تر می‌کند که تجهیزات را سریعاً مخلوط و تغییر دهید یا سیستم‌های تهیه مراکز داده، ایستگاه‌های شارژ EV و سایر مکان‌های بالقوه میکروگرید را تغییر دهید.

پس اگر ترانسفورماتورهای حالت جامد فناوری مفیدی هستند، چرا اکنون وارد زمینه شده‌اند؟

Vlatko Vlatkovic، یک شریک در Clean Energy Ventures، یک سرمایه‌گذار DG Matrix و یک ویتنام قدیمی در کسب و کار برق صنعتی General Electric که امسال به هیئت مدیره شرکت نوپا پیوست، گفت دلیل خوبی وجود دارد که این کار طولانی شده است.

شبکه برق به طور گسترده‌ای به دستگاه‌های الکترومکانیکی متکی است که نسبتاً ساده عمل می‌کنند و در طول قرن گذشته تغییرات کمی داشته‌اند. با وجود پیشرفت‌هایی در سال‌های