Do Pesquisa ao Desenvolvimento: O Salto Inovador no Desenvolvimento de Transformadores de Estado Sólido no Reino Unido

I. Visão Geral dos Transformadores de Estado Sólido (SST)

Um Transformador de Estado Sólido (SST) é um dispositivo avançado de conversão de energia que integra semicondutores de potência, transformadores de alta frequência e circuitos de controle.

Comparado com transformadores tradicionais, o SST suporta conversões AC/AC, AC/DC e DC/DC, e apresenta vantagens como fluxo de energia bidirecional, controle inteligente e design compacto. Suas principais topologias incluem estruturas de uma etapa, duas etapas (com links LVDC ou HVDC) e três etapas, cada uma adequada para cenários de aplicação específicos.

II. Vantagens do SST

• Tamanho compacto e peso leve: A operação em alta frequência reduz o volume em até 80%.

• Alta eficiência: Menos estágios de conversão e suporte para conexão direta de corrente contínua.

• Compatibilidade com redes inteligentes: Permite monitoramento em tempo real, regulação de tensão, compensação de potência reativa e isolamento de falhas.

• Integração com energias renováveis e armazenamento de energia: Conecta diretamente sistemas solares, eólicos e de baterias.

• Adequado para mercados de alto crescimento: Como carregamento rápido de veículos elétricos, centros de dados e trânsito ferroviário.

III. Campos de Aplicação

• Rede Elétrica: Melhora a flexibilidade da rede, suporta fluxo de energia bidirecional e integra recursos de energia distribuída.

• Carregamento de Veículos Elétricos (VE): Permite carregamento ultra-rápido (350kW+), funcionalidade Vehicle-to-Grid (V2G) e integração direta de energia renovável.

• Trânsito Ferroviário: Substitui transformadores de tração tradicionais, reduzindo o peso e melhorando a eficiência.

• Centros de Dados: Melhora a eficiência energética, reduz as necessidades de resfriamento e suporta a integração de energia renovável.

• Marítimo e Aviação: Impulsiona a transformação da eletrificação e reduz as emissões de carbono.

IV. Desafios Técnicos

• Custo Elevado: O custo do SST é 5–10 vezes maior do que o de transformadores tradicionais.

• Problemas de Confiabilidade: Capacidade fraca de resistência a curto-circuito, e dispositivos semicondutores são suscetíveis ao estresse de tensão.

• Interferência EMI: A comutação de alta frequência causa interferência eletromagnética, exigindo design de filtro complexo.

• Isolamento e Gerenciamento Térmico: O desempenho de materiais isolantes em altas frequências ainda não foi totalmente dominado.

• Acionamento e Proteção de Portas: O design é complexo, exigindo isolamento e controle de alta precisão.

V. Oportunidades de Mercado no Reino Unido

• Modernização da Rede: O Reino Unido possui aproximadamente 585.000 subestações, das quais 230.000 subestações de distribuição podem se beneficiar do SST.

• Metas de Energia Renovável: As metas para 2030 incluem 50GW de energia eólica offshore e 47GW de energia solar.

• Infraestrutura de Carregamento de VE: Estima-se que 300.000 pilhas de carregamento público serão necessárias até 2030, e o mercado de carregamento ultra-rápido tem enorme potencial.

• Eletrificação Ferroviária: Aproximadamente 2.880 locomotivas a diesel devem ser substituídas, e o potencial de mercado do SST ultrapassa £30 milhões.

• Crescimento de Centros de Dados: A demanda por energia continua a aumentar, e o SST pode melhorar a eficiência energética e a flexibilidade.

VII. O Papel da CSA Catapult

• Fornece suporte técnico de ponta a ponta para SST, incluindo design, simulação e verificação de protótipo.

• Lidera projetos como o ASSIST para promover o desenvolvimento da cadeia de fornecimento doméstica de dispositivos Si de alta tensão do Reino Unido.

• Possui capacidades nucleares, incluindo otimização multiobjetivo, embalagem avançada e gerenciamento térmico.