من البحث إلى التطبيق: القفزة الابتكارية في تطوير المحولات ذات الحالة الصلبة في المملكة المتحدة

I. نظرة عامة على محولات الحالة الصلبة (SST)

محول الحالة الصلبة (SST) هو جهاز تحويل طاقة متقدم يدمج أشباه الموصلات الكهربائية، المحولات ذات التردد العالي، ودوائر التحكم.

مقارنة بالمحولات التقليدية، يدعم SST تحويلات AC/AC، AC/DC، وDC/DC، ويتميز بمزايا مثل تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، التحكم الذكي، والتصميم المضغوط. تتضمن تركيباته الرئيسية التركيبات الأحادية والثنائية (مع روابط LVDC أو HVDC) والثلاثية، كل منها مناسب لسيناريوهات تطبيق معينة.

II. مزايا SST

• حجم صغير وزن خفيف: يعمل التشغيل بتردد عالٍ على تقليل الحجم بنسبة تصل إلى 80%.

• كفاءة عالية: عدد أقل من مراحل التحويل ويدعم الاتصال المباشر بالتيار المستمر.

• توافق مع الشبكات الذكية: يمكّن من الرصد الفوري، تنظيم الجهد، تعويض الطاقة غير النشطة، والعزل في حالة العطل.

• التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة: يربط بشكل مباشر أنظمة الطاقة الشمسية والرياح والبطاريات.

• مناسب للأسواق ذات النمو السريع: مثل شحن السيارات الكهربائية بسرعة، مراكز البيانات، والنقل بالسكك الحديدية.

III. مجالات التطبيق

• شبكة الكهرباء: يعزز مرونة الشبكة، يدعم تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، ويتكامل مع مصادر الطاقة الموزعة.

• شحن السيارات الكهربائية (EV): يمكّن الشحن الفائق السرعة (350 كيلوواط وما فوق)، وظيفة السيارة إلى الشبكة (V2G)، والتكامل المباشر لمصادر الطاقة المتجددة.

• النقل بالسكك الحديدية: يحل محل المحولات التقليدية للجر، مما يقلل الوزن ويعزز الكفاءة.

• مراكز البيانات: يحسن كفاءة استخدام الطاقة، يقلل من متطلبات التبريد، ويدعم التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة.

• النقل البحري والجوي: يدفع التحول نحو الكهربة ويقلل من انبعاثات الكربون.

IV. التحديات التقنية

• التكلفة العالية: تبلغ تكلفة SST خمسة إلى عشرة أضعاف تكلفة المحولات التقليدية.

• مشكلات موثوقية: قدرة ضعيفة على تحمل القصر الكهربائي، وأجهزة أشباه الموصلات حساسة للضغط الكهربائي.

• تداخل EMI: يؤدي التحويل بتكرار عالي إلى تداخل كهرومغناطيسي، مما يتطلب تصميم مرشح معقد.

• العزل وإدارة الحرارة: لم يتم إتقان أداء مواد العزل تحت الترددات العالية بشكل كامل.

• قيادة البوابة والحماية: تصميم معقد يتطلب العزل والتحكم بدقة عالية.

V. فرص السوق في المملكة المتحدة

• تحديث الشبكة: تمتلك المملكة المتحدة حوالي 585,000 محطة تحويل، من بينها 230,000 محطة تحويل توزيع يمكن أن تستفيد من SST.

• أهداف الطاقة المتجددة: تتضمن الأهداف لعام 2030 50 جيجاواط من طاقة الرياح البحرية و47 جيجاواط من الطاقة الشمسية.

• بنية تحتية لشحن السيارات الكهربائية: من المتوقع الحاجة إلى 300,000 نقطة شحن عامة بحلول عام 2030، ولدى سوق الشحن الفائق السرعة إمكانات هائلة.

• كهرباء القطارات: سيتم استبدال حوالي 2,880 قاطرة ديزل، وإمكانات سوق SST تتجاوز 30 مليون جنيه إسترليني.

• نمو مراكز البيانات: تستمر طلب الطاقة في الارتفاع، ويمكن لـ SST تحسين كفاءة استخدام الطاقة والمرونة.

VII. دور CSA Catapult

• يوفر الدعم الفني الكامل لـ SST، بما في ذلك التصميم، والمحاكاة، والتحقق من النماذج الأولية.

• يقود المشاريع مثل ASSIST لتعزيز تطور سلسلة الإمداد المحلية للأجهزة Si ذات الجهد العالي في المملكة المتحدة.

• يتمتع بقدرات أساسية تشمل الأمثلة المتعددة الأهداف، والتغليف المتقدم، وإدارة الحرارة.