يمكن لوحدة طاقة صغيرة أن تساعد في حل أزمة الطاقة المتفاقمة في العالم

إن الطلب العالمي على الطاقة آخذ في الارتفاع، ويمكن لوحدة الطاقة ULIS الخاصة بـ NREL أن تساعد في تلبية هذا الطلب.

الطلب على الطاقة في جميع أنحاء العالم آخذ في الارتفاع بسرعة، مدفوعًا جزئيًا بمراكز البيانات المتعطشة للطاقة التي تدعم الذكاء الاصطناعي والنمو في التصنيع. وقد أصبحت تلبية هذه الاحتياجات المتزايدة من الطاقة تحديا عالميا ملحا.

وتتمثل إحدى الاستراتيجيات الواعدة في استخدام الكهرباء الموجودة بشكل أكثر كفاءة وبتكلفة أقل. ومن أجل تحقيق هذا الهدف، قام الباحثون في NREL بتطوير وحدة طاقة جديدة تعتمد على كربيد السيليكون. يوفر هذا المكون، الذي يضم الإلكترونيات التي تنظم كيفية انتقال الكهرباء بين الأنظمة، مستويات من الكفاءة وكثافة الطاقة وقابلية التصنيع لم يتم تحقيقها من قبل.

تُعرف التقنية الجديدة باسم NREL وحدة الطاقة الذكية ذات الحث المنخفض للغايةأو ULIS. بنيت حول كربيد السيليكون أشباه الموصلات، يمكن لـ ULIS توفير خمسة أضعاف كثافة الطاقة للتصميمات السابقة مع احتلال مساحة أصغر. وهذا يفتح الباب أمام الشركات المصنعة لإنشاء معدات أكثر إحكاما وأخف وزنا وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. تم تصميم الوحدة، التي تم تصنيفها بـ 1200 فولت و400 أمبير، للاستخدامات الصعبة، بما في ذلك مراكز البيانات والشبكات الكهربائية والمفاعلات الدقيقة والمنصات الثقيلة مثل طائرات الجيل التالي والمركبات العسكرية.

الميزة الرئيسية لـ ULIS هي الحث الطفيلي المنخفض بشكل استثنائي، والذي يشير إلى المقاومة التي تحد من سرعة تغير التيار الكهربائي. هذه المقاومة هي واحدة من العقبات الرئيسية في تحويل الطاقة. يقلل نظام ULIS من الحث الطفيلي بمعامل يتراوح بين سبعة وتسعة مقارنة بوحدات الطاقة الرائدة الحالية من كربيد السيليكون. ولأنها قادرة على تبديل التيار الكهربائي بسرعة وكفاءة كبيرة، فإن الوحدة قادرة على استخلاص المزيد من الطاقة القابلة للاستخدام من نفس مصدر الكهرباء، مما يجعلها مرشحًا قويًا لمعالجة الطلب المتزايد على الطاقة.

“نحن نعتبر ULIS بمثابة إنجاز حقيقي،” قال فيصل خان، كبير الباحثين في إلكترونيات الطاقة في NREL والباحث الرئيسي للمشروع. “إنها وحدة طاقة فائقة السرعة وقابلة للصمود في المستقبل وستجعل الجيل القادم من محولات الطاقة أقل تكلفة وأكثر كفاءة وصغير الحجم.”

وأشار خان أيضًا إلى أن ULIS مناسب بشكل خاص للبيئات عالية الضغط مثل الطيران والأنظمة العسكرية. بالإضافة إلى كونها قوية وخفيفة الوزن، تتتبع الوحدة حالتها بشكل مستمر ويمكنها توقع فشل المكونات قبل حدوثها. بالنسبة للطائرات التي تعمل على ارتفاع 30 ألف قدم فوق مستوى سطح البحر أو المركبات العسكرية المنتشرة في مناطق القتال، يمكن أن يكون هذا المستوى من الموثوقية بالغ الأهمية.

وقال خان: “لقد كان ULIS جهدًا عضويًا حقيقيًا، تم بناؤه بالكامل داخل المختبر هنا في NREL”. “نحن متحمسون جدًا لإظهار نقاط قوتها في بيئات العالم الحقيقي.”

يتميز ULIS بتصميم جديد تمامًا ومنخفض التكلفة

أصبحت العديد من ميزات ULIS ممكنة بفضل تصميمها الجديد كليًا.

على عكس وحدات الطاقة النموذجية، التي تقوم بتجميع أجهزة أشباه الموصلات داخل حزمة تشبه الطوب، يقوم ULIS بلف دوائره حول تصميم مسطح مثمن. يسمح الشكل الذي يشبه القرص بوضع المزيد من الأجهزة في منطقة أصغر، مما يجعل الحزمة الإجمالية أصغر حجمًا وأخف وزنًا. وفي الوقت نفسه، يسمح توجيه التيار الجديد بأقصى قدر من إلغاء التدفق المغناطيسي، مما يساهم في إنتاج كهربائي نظيف ومنخفض الفقد لوحدة الطاقة – وبعبارة أخرى، كفاءتها الفائقة.

قال شوفينج تشاو، الباحث في إلكترونيات الطاقة في NREL الذي صمم بنية إلغاء التدفق الخاصة بـ ULIS: “كان مصدر قلقنا الأكبر هو أن الجهاز يتم إيقاف تشغيله وتشغيله بسرعة كبيرة، وكنا بحاجة إلى تخطيط لا يخلق نقطة اختناق داخل التصميم”.

وقال تشاو إن أحد التصميمات الأصلية كان يشبه زهرة بها شبه موصل عند طرف كل بتلة. وكانت الفكرة الأخرى هي إنشاء أسطوانة مجوفة تحتوي على مكونات متصلة بالداخل. كانت كل فكرة توصل إليها الفريق إما باهظة الثمن أو صعبة التصنيع، إلى أن توقفوا عن التفكير بثلاثة أبعاد وقاموا بتسوية التصميم إلى قسمين تقريبًا. ابتكر سروار إسلام، وهو باحث آخر في إلكترونيات الطاقة في NREL ضمن فريق ULIS، هيكلًا ثنائي الأبعاد، مما جعل من الممكن بناء الوحدة التي تحقق التوازن بين التعقيد والتكلفة والأداء.

قال تشاو: “لقد سحقناها بشكل مسطح مثل الفطيرة، وفجأة أصبح لدينا تصميم منخفض التكلفة وعالي الأداء وكان تصنيعه أسهل بكثير”.

قام جوشوا ميجور، باحث آخر في إلكترونيات الطاقة في NREL، بفكر العديد من ابتكارات التصنيع لبناء بنية ULIS المعقدة بطريقة غير مكلفة باستخدام أدوات NREL ومرافق المختبرات فقط.

إن التوازن الدقيق الذي وجده الفريق بين الأداء الكهربائي العالي للتصميم ثلاثي الأبعاد والتصميم المسطح سهل التصنيع قد فتح الإمكانات الكاملة لشركة ULIS.

ثانيًا، حيث تعتمد وحدات الطاقة التقليدية على مواد ضخمة وغير مرنة، تتخذ ULIS نهجًا جديدًا.

تتطلب التصميمات التقليدية أن تقوم وحدات الطاقة بتوصيل الكهرباء وتبديد الحرارة الزائدة عن طريق ربط صفائح النحاس مباشرة بقاعدة خزفية، وهو حل فعال ولكنه متين. يقوم ULIS بربط النحاس ببوليمر مرن، يُسمى Temprion، لإنشاء تصميم أنحف وأخف وزنًا وأكثر قابلية للتكوين.

نظرًا لأن المادة ترتبط بسهولة بالنحاس باستخدام الضغط والحرارة فقط، ولأن أجزائها يمكن تشكيلها باستخدام معدات متاحة على نطاق واسع، يمكن تصنيع ULIS بسرعة وبتكلفة زهيدة. ويبلغ إجمالي تكاليف التصنيع مئات، وليس آلاف، الدولارات.

يسمح التقدم الثالث لـ ULIS بالعمل لاسلكيًا، كوحدة معزولة يمكن التحكم فيها ومراقبتها بدون كابلات خارجية. هذه الطبيعة المعيارية الشبيهة بـ Lego تعني أنها يمكن أن تدخل في أجهزة مختلفة مثل خوادم مراكز البيانات والطائرات المتقدمة والمركبات العسكرية. إن براءة اختراع بروتوكول الاتصالات اللاسلكية منخفض زمن الوصول هذا، الذي تقوده شركة Sarwar Islam لإلكترونيات الطاقة NREL، ما زالت معلقة.

أخيرًا، في حين أن أشباه الموصلات من كربيد السيليكون التي تعمل على تشغيل ULIS تمثل أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا، فقد قام فريق بحث ULIS عمدًا “بتأمين المستقبل” للتصميم. يمكن لـ ULIS التوسع لاستيعاب التطورات في أجهزة أشباه الموصلات باستخدام كربيد السيليكون، ونيتريد الغاليوم، وحتى أكسيد الغاليوم، وهي طريقة واعدة لم يتم تسويقها بعد.

يضيف كل ابتكار إلى فكرة واحدة: أنه في عالم نعتمد فيه على الوصول المستمر إلى الكهرباء، توفر ULIS الموثوقية.

التصميم المتعمد لـ ULIS للتطبيقات عالية الكثافة مهيأ للتأثير

أين يمكن أن يكون لـ ULIS تأثير؟

• تحديث شبكة الكهرباء الأمريكية: يجب تحويل الكهرباء التي تدخل شبكة الطاقة إلى شكل يمكن استخدامه من قبل المنازل والشركات والصناعة. واليوم، يعتمد هذا التحويل غالبًا على محولات كبيرة ومنخفضة التردد ومرافق تحويل مخصصة. يستخدم ULIS تحويلًا سريعًا وفعالًا للغاية لتوفير المزيد من الطاقة القابلة للاستخدام للمستهلكين. كما أن قدرتها على العمل في درجات حرارة عالية يمكن أن تقلل أيضًا من نفقات الصيانة والصيانة على مدار عمر محطة الطاقة.
• تمكين الطائرات المتقدمة: نظرًا لأن نظام ULIS يمكنه نقل الكهرباء بسرعة أكبر من التقنيات الحالية مع إهدار طاقة أقل، فإنه يدعم تطوير محولات طاقة مدمجة وخفيفة الوزن وعالية الأداء لطائرات الجيل التالي. يمكن أن تساعد هذه القدرة التصميمات الناشئة مثل مركبات الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائية (eVTOL)، والتي يشار إليها أحيانًا باسم “سيارات الأجرة الطائرة”، في الوصول إلى الكفاءة والقدرة على تحمل التكاليف اللازمة للنشر التجاري.
• تزويد المدن ومراكز البيانات بالطاقة من خلال الاندماج: على الرغم من أن طاقة الاندماج التجارية تظل هدفًا مستقبليًا، إلا أن هذه الأنظمة يمكن أن تحدث تحولًا في توصيل الطاقة في المواقع التي يصعب فيها بناء البنية التحتية التقليدية أو صيانتها. وبفضل حثها المنخفض للغاية وتصميمها المدمج الذي يمكن الاعتماد عليه، يمكن لـ ULIS تمكين مكونات الطاقة النبضية المطلوبة لأنظمة الطاقة القائمة على الاندماج في المستقبل.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.