تسلط بر آینده برق: تکامل استراتژیک فناوری ترانسفورماتور جامد در ایالات متحده

DG Matrix و Resilient Power می‌گویند 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 داشتند که بتواند بدون نیاز به مقدار زیادی سخت‌افزار گران‌قیمت، به صورت بی‌درنگ توان‌های خورشیدی، سیستم‌های باتری و ژنراتورهای محلی را به تجهیزات با مصرف بالا مانند شارژرهای EV یا سرورهای مرکز داده متصل کند.

اکنون، این دستگاه‌هایی که به عنوان ترانسفورماتورهای حالت جامد شناخته می‌شوند در حال ورود به بازار هستند — و ظهور آنها نمی‌تواند به موقع‌تر باشد.

این فناوری می‌تواند کلید حل تقاضای انرژی عظیم مراکز داده، کارخانجات و ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی باشد که می‌تواند شبکه برق را تحت فشار قرار دهد و باعث شود که شرکت‌های برق بیشتر سوخت‌های فسیلی را سوزانند که به گرمایش جهانی کمک می‌کنند.

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

هر آرایه خورشیدی، باتری، سلول سوختی، ژنراتور یا منبع تغذیه محلی دیگری نیاز به چندین تجهیز — دستگاه‌های محافظ برق، ترانسفورماتورهای جداکننده، ترانسفورماتورهای بالا و پایین بردن ولتاژ، تبدیل‌کننده‌های توان — برای تبدیل ایمن جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) یا برعکس و بالا یا پایین بردن ولتاژ برای تأمین نیازهای مختلف بارهای یک ساختمان دارد.

ترانسفورماتورهای حالت جامد می‌توانند تمام این عملکردها را با یک دستگاه انجام دهند و برق را به طور انعطاف‌پذیری کنترل کنند همانطور که یک روتر جریان داده را کنترل می‌کند. این موضوع به ویژه برای مدیریت تجهیزات با تقاضای توان بالا (مانند شارژرهای EV) یا تجهیزات بسیار حساس به کیفیت برق (مانند رک خانه‌های سرور در مراکز داده) ارزشمند است.

همچنین هارون اینام، رئیس و بنیانگذار مشترک DG Matrix می‌گوید. DG Matrix یکی از چند شرکتی است که شروع به استفاده عملی از ترانسفورماتورهای حالت جامد کرده است. او می‌گوید که DG Matrix در مارس امسال ۲۰ میلیون دلار جمع‌آوری کرد و در حال ساخت یک کارخانه در کارولینای شمالی است که انتظار می‌رود در اواخر امسال با ظرفیت تولید سالانه ۱۰۰۰ واحد عملیاتی شود. "ما وارد بازار بزرگ و نیازمند میکروگریدهای تجاری و صنعتی می‌شویم"، می‌گوید. "مردم این کار را نکرده‌اند زیرا هزینه ساخت یک میکروگرید سفارشی خیلی بالاست."

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

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

"بسیاری از افراد برای بیش از ده سال روی این فناوری کار می‌کردند"، می‌گوید ایدان گراهام، معاون ارشد و مدیر کل بخش راه‌حل‌های توان بحرانی Eaton. اکنون، با پیشرفت‌های چندین فناوری مهندسی کلیدی، این فناوری ممکن است در نهایت دوره طلایی خود را تجربه کند — شرکت‌های برق و مؤسسات دیگر شروع به تست آن کرده‌اند.

تطویع ترانسفورماتورهای حالت جامد

Eaton برای سال‌ها در تحقیق و توسعه ترانسفورماتورهای حالت جامد کار کرده است. شرکت هنوز نحوه مقیاس‌بندی تولید و گسترش فناوری Resilient Power را فاش نکرده است. اما گراهام می‌گوید: "ما در چندین زمینه اکتشافی هستیم، از جمله شارژ خودروهای الکتریکی و یکپارچه‌سازی باتری‌ها در مراکز داده و محیط‌های مهم دیگر. 'باخت برق حتی برای لحظه‌ای می‌تواند زندگی افراد را تهدید کند و هزینه‌های زیادی داشته باشد.'"

مایکل وود سوم، رئیس ستاد DG Matrix، می‌گوید که شرکت تجهیزات خود را با شرکت‌هایی مانند ABB، یک غول تولید تجهیزات برق، Duke Energy، یک شرکت برق در کارولینای شمالی، و PowerSecure، یک توسعه‌دهنده بزرگ میکروگریدها و سیستم‌های تغذیه مراکز داده متعلق به شرکت برق Southern Co. تست می‌کند.

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

اینام می‌گوید که هزینه استفاده از ترانسفورماتور حالت جامد DG Matrix فقط نیمی از هزینه اتصال مولفه‌های میکروگرید محلی معمولی با ترکیب استانداردهای فنی چندگانه است. علاوه بر این، این امر می‌تواند امکان ترکیب و تغییر سریع تجهیزات یا تغییر ساختار سیستم در مراکز داده، ایستگاه‌های شارژ EV و سایر مکان‌های بالقوه میکروگرید را فراهم کند.

پس اگر ترانسفورماتورهای حالت جامد یک فناوری مفید هستند، چرا اکنون وارد این زمینه می‌شوند؟

دلیل خوبی وجود دارد که این مدت طول کشیده است، می‌گوید ولاتکو ولاتکویچ، یک شریک در Clean Energy Ventures، یک سرمایه‌گذار DG Matrix و یک متخصص سابق در بخش برق صنعتی General Electric که امسال به هیئت مدیره استارتاپ پیوست.

شبکه برق به طور گسترده‌ای به دستگاه‌های الکترومکانیکی تکیه می‌کند که نسبتاً ساده عمل می‌کنند و در طول قرن گذشته تغییر زیادی نکرده‌اند. با وجود برخی پیشرفت‌های اخیر که دستگاه‌هایی مانند وارون‌کننده‌های خورشیدی یا سیستم‌های موتور خودروهای الکتریکی را ممکن کرده است، نیمه‌رساناها که محاسبات مدرن را ممکن می‌کنند در شبکه برق گسترده‌ای استفاده نشده‌اند.

"تعیین استفاده بیشتر صنعت از تجهیزات برق چالش بزرگی بوده است"، می‌گوید ولاتکویچ، به ویژه در ولتاژهای بالاتر شبکه. تا اخیر، فناوری پایه "به اندازه کافی بزرگ یا قابل اعتماد نبود. مشکلات فنی وجود داشت."

چالش‌های مشابه برای ترانسفورماتورهای حالت جامد در کاربردهای صنعتی با ولتاژ بالا وجود داشته است، می‌گوید نیل دیکمن، یک شریک در Energy Transition Ventures، یک سرمایه‌گذار در Resilient Power. او می‌گوید پیشرفت‌های مداوم در نیمه‌رساناهای کربید سیلیسیوم و بهبود قدرت محاسباتی مورد نیاز برای کارایی آنها در تبدیل توان کمک کرده است. "اما این کار آسان نیست."

اینام که قبل از پیوستن به DG Matrix در سال ۲۰۲۳ به عنوان مدیر فناوری ارشد Smart Wires خدمت می‌کرد، می‌گوید که استارتاپ باید چندین چالش کلیدی را برای رسیدن به این نقطه حل کند.

اول از همه، در ولتاژهای بالا، گرمای تولید شده توسط تبدیل DC-AC دشوار است که پخش شود. مدیریت "صداهای الکترومغناطیسی" یا تداخلات ناشی از همین تغییرات الکتریکی با فرکانس بالا. "اگر ندانید چگونه به طور موثر صدا را کاهش دهید، این تأثیرات همه چیز را تحت تأثیر قرار می‌دهد. می‌تواند باعث سوختن، انفجار و کاهش عملکرد شود"، می‌گوید اینام.

با این حال، حل این چالش‌ها نیز پاداش‌های خود را دارد. "فناوری ما اکنون به اندازه کافی پیشرفته و پیچیده است که بتوانیم تجهیزات قابل اطمینان را عرضه کنیم"، می‌گوید ولاتکویچ.

چرا اکنون زمان مناسب برای ترانسفورماتورهای حالت جامد است

زمان‌بندی نمی‌تواند بهتر باشد.

"همه چیز الکتریکی می‌شود، از خودروها تا صنعت و مسکن"، می‌گوید ولاتکویچ. "اگر به پیش‌بینی‌های توانی که شبکه برق باید در ۱۰ تا ۲۰ سال آینده تحویل دهد نگاه کنید، خواهید دید که باید حداقل ظرفیت شبکه را دو برابر کنیم. برخی پیش‌بینی‌ها حتی می‌گویند باید ظرفیت موجود را سه برابر کنیم."

اینام می‌گوید که برآوردن نیازهای توان مراکز داده فرصت خاصی است.

طرح‌های هوش مصنوعی طموح گیگانت‌های فناوری موجب بار کلانی بر شبکه‌های برق شرکت‌های برق در نقاط داغ مراکز داده مانند ویرجینیا، جورجیا و تگزاس شده است. این موضوع موجب شده است که توسعه‌دهندگان مراکز داده راه‌حل‌هایی برای کاهش فشار بر شبکه برق را کاوش کنند، از جمله ساخت ژنراتورها و باتری‌ها در نزدیکی یا در محل.

"سه مشکل اصلی سرعت تأمین برق (مشتریان نمی‌توانند به سرعت برق بگیرند)، هزینه برق و توانایی تجمیع منابع چندگانه برای انعطاف‌پذیری است"، می‌گوید اینام. "ما با مشتریان کاری که صدها یا هزاران مکان دارند صحبت کردیم. بزرگترین چالشی که با آن مواجه هستند طراحی هر مکان از ابتدا است. آنها به دنبال یک راه‌حل کلی برای چالش‌های نصب ۱۰۰۰ مکان به جای یک مکان هستند."

ترانسفورماتورهای حالت جامد می‌توانند به برآوردن این نیازها کمک کنند، می‌گوید ولاتکویچ. "از نصب‌های پیچیده و چند شرکتی به یک شرکت که همه چیز را مدیریت می‌کند."

قرار دادن عملکردهای بیشتر در بسته‌های کوچک‌تر

گراهام از Eaton می‌گوید که "بسته‌بندی با چگالی توان بالا" نیز می‌تواند فضای با ارزش را در محیط‌های تنگ مانند مراکز داده و ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی صرفه‌جویی کند. ترانسفورماتورهای حالت جامد می‌توانند به صورت انبوه در کارخانه‌ها تولید شوند که هزینه و زمان کاری برق در محل ساخت را کاهش می‌دهد. "آن را به یک محیط تولید کنترل شده برگردانده‌اید"، می‌گوید گراهام.

علاوه بر این، داشتن یک دستگاه که می‌تواند چندین کار را انجام دهد، نیازهای مهندسی را ساده می‌کند، می‌گوید دیکمن.

"اگر یک سیستم پیچیده را با استفاده از مولفه‌های آماده طراحی کنید، عدم تطابق دستگاه‌های مختلف نمی‌تواند نیازهای سیستم را به طور کامل برآورده کند. این امر هزینه‌ها را افزایش می‌دهد و کارایی را کاهش می‌دهد"، می‌گوید. "می‌توانید این مشکل را با محصولات سفارشی حل کنید — اما این گران‌تر و خطرناک‌تر است. وقتی با خورشید، ذخیره‌سازی انرژی و مراکز داده سروکار دارید و افرادی که باید سریعاً حرکت کنند و نیاز به چیزی ارزان و قابل اعتماد دارند، همه این‌ها از هم می‌پاشند."

خواکین آگر، مدیر توسعه نمونه کارها، می‌گوید که تمام این مزایای بالقوه موجب شده است که توسعه‌دهنده میکروگرید PowerSecure حداقل دو فناوری ترانسفورماتور حالت جامد را مورد آزمایش قرار دهد، از جمله آزمایش‌های همکاری با DG Matrix. "ما سعی داریم در جلوی این فناوری باشیم."

PowerSecure طراحی و نصب بیش از ۲.۴ گیگاوات ظرفیت میکروگرید برای مشتریانی از جمله خرده‌فروشان بزرگ، بیمارستان‌ها، شرکت‌های برق و مراکز داده انجام داده است. شرکت به ویژه روی ترانسفورماتورهای حالت جامد برای یکپارچه‌سازی میکروگریدهای "هیبریدی" که ترکیبی از "خورشید، ذخیره‌سازی انرژی، ژنراتورهای گاز طبیعی، سلول‌های سوختی، شارژرهای EV — هر چیزی که می‌توانید تصور کنید" متمرکز است، می‌گوید آگر.

"تقاضای واقعی بازار شروع به ظهور کرده است"، می‌گوید. در عین حال، "اکثر این شرکت‌ها هنوز در مراحل اولیه هستند.... گام منطقی بعدی انجام پروژه‌های آزمایشی مناسب برای مشاهده موارد استفاده واقعی مشتریان در مقیاس کوچک‌تر" و تست تحمل و قابلیت اطمینان فناوری‌های مربوطه است.

در نهایت، صرف نظر از نقص‌هایی که ترانسفورماتورهای سنتی نسبت به الکترونیک‌های توان پیشرفته دارند، "آنها به ندرت خراب می‌شوند"، می‌گوید آگر. "همه از هر ترانسفورماتور حالت جامدی که نگاه می‌کنند انتظار دارند همان قابلیت اطمینان را داشته باشد."