מודול הכוח הזעיר הזה יכול לשנות את האופן שבו העולם משתמש באנרגיה

אחד הפתרונות המבטיחים הוא להשתמש באספקת האנרגיה הקיימת בהרבה יותר יעיל ובעלות נמוכה יותר.

גישה חדשה ליעילות חשמל

חוקרים במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) פיתחו מודול כוח חדש מבוסס סיליקון קרביד שנועד לשפר באופן דרמטי את אופן ההמרה והאספקה ​​של חשמל. מודול כוח הוא המארז המכיל אלקטרוניקת כוח, המווסתת את זרימת החשמל בין מערכות. עיצוב חדש זה מספק יעילות שוברת שיא, צפיפות הספק גבוהה יותר ותהליך ייצור ששומר על עלויות נמוכות.

הטכנולוגיה ידועה בתור מודול הספק החכם של NREL Ultra-Low Inductance Smart, או ULIS. באמצעות מוליכים למחצה סיליקון קרביד, ULIS יכולה להשיג פי חמישה צפיפות האנרגיה של תכנונים קודמים תוך תופסת פחות מקום. השילוב הזה מאפשר ליצרנים לבנות ציוד קטן יותר, קל יותר וחסכוני יותר באנרגיה. מודול ה-1200 וולט, 400 אמפר מתאים היטב למרכזי נתונים, רשתות חשמל, מיקרו-כורים ופלטפורמות כבדות כמו מטוסים וכלי רכב צבאיים מהדור הבא.

מדוע השראות אולטרה-נמוכה חשובה

יתרון מרכזי של ULIS הוא השראות הטפילית הנמוכה במיוחד שלו, המתייחסת להתנגדות שמאטה שינויים בזרם החשמלי ומגבילה המרת הספק יעילה. ULIS מפחית את ההתנגדות הזו פי שבעה עד תשע בהשוואה למודולי הכוח המתקדמים ביותר של סיליקון קרביד כיום.

מכיוון שהמערכת יכולה להחליף זרם חשמלי במהירות וביעילות רבה, היא ממירה יותר מהחשמל הזמין לכוח שמיש. יכולת זו מאפשרת ל-ULIS להפיק ערך רב יותר מאותו אספקת אנרגיה, מה שהופך אותה למועמדת חזקה לתת מענה לצרכי האנרגיה הגלובאליים ההולכים וגדלים.

"אנו רואים ב-ULIS פריצת דרך אמיתית", אמר פייסל חאן, חוקר אלקטרוניקת הכוח הראשי של NREL והחוקר הראשי של הפרויקט. "זהו מודול הספק מוגן עתיד ומהיר במיוחד שיהפוך את הדור הבא של ממירי הספק למשתלם יותר, יעיל וקומפקטי יותר."

נבנה לאמינות בתנאים קיצוניים

ULIS מיועד לא רק ליעילות, אלא גם לאמינות בסביבות תובעניות. לדברי חאן, המודול קל המשקל אך החזק יכול לנטר את מצבו שלו ולצפות תקלות ברכיבים לפני שיתרחשו.

תכונה זו קריטית במיוחד עבור יישומים בסיכון גבוה כגון תעופה ופעולות צבאיות. עבור מטוסים הפועלים בגובה 30,000 רגל או כלי רכב מנווטים באזורי לחימה, זיהוי כשל מוקדם יכול להיות ההבדל בין הצלחה במשימה לאובדן קטסטרופלי.

"ULIS היה מאמץ אורגני באמת, שנבנה כולו בתוך הבית כאן ב-NREL", אמר חאן. "אנחנו מאוד נרגשים להפגין את החוזקות שלה בהגדרות של העולם האמיתי."

עיצוב מחדש רדיקלי לייצור בעלות נמוכה יותר

רבים מרווחי הביצועים של ULIS מגיעים מעיצוב פיזי חדש לחלוטין.

מודולי כוח מסורתיים עורמים התקני מוליכים למחצה בתוך אריזות דמויי קופסה. ULIS במקום זאת מסדר את המעגלים שלו בפריסה שטוחה ומתומנת. מבנה זה בצורת דיסק מתאים יותר רכיבים לטביעת רגל קטנה יותר, ומפחית הן את הגודל והן את המשקל. יחד עם זאת, ניתוב הזרם החדשני שלו ממזער הפרעות מגנטיות, מה שעוזר לספק פלט חשמלי נקי יותר ויעילות כוללת גבוהה יותר.

"הדאגה הגדולה ביותר שלנו הייתה שהמכשיר נכבה ונדלק מהר מאוד, והיינו צריכים פריסה שלא תיצור נקודת חנק בתוך התכנון", אמר Shuofeng Zhao, חוקר אלקטרוניקה כוח NREL שתכנן את ארכיטקטורת ביטול השטף של ULIS.

מושגים מוקדמים חקרו צורות תלת מימדיות מורכבות, כולל עיצובים הדומים לפרחים או גלילים חלולים. עם זאת, רעיונות אלה התגלו כיקרים מדי או קשים לייצור. פריצת הדרך הגיעה כשהצוות פישט את הרעיון למבנה כמעט דו מימדי. Sarwar Islam, חוקר אלקטרוני כח נוסף של NREL, הציע את העיצוב השטוח שמאזן בין ביצועים, עלות ויכולת ייצור.

"מחצנו אותו שטוח, כמו פנקייק", אמר ג'או, "ופתאום היה לנו עיצוב זול, בעל ביצועים גבוהים, שהיה הרבה יותר קל ליצור".

ג'ושוע מייג'ור, גם הוא חלק מצוות האלקטרוניקה החשמלית של NREL, פיתח שיטות ייצור חדשות שאפשרו לייצר את המבנה המורכב באמצעות כלים ומתקנים פנימיים בלבד. התוצאה הייתה עיצוב ששילב את היתרונות החשמליים של מערכות תלת מימד עם הפרקטיות של ייצור שטוח.

חומרים גמישים ושליטה אלחוטית

ULIS יוצאת גם מחומרים קונבנציונליים. מודולי כוח מסורתיים מחברים נחושת ישירות לבסיסים קרמיים קשיחים כדי להוליך חשמל ולנהל חום. אמנם יעילה, אך גישה זו מגבילה את הגמישות.

במקום זאת, ULIS קושר נחושת לפולימר גמיש בשם Temprion. שינוי זה מייצר מבנה דק יותר, קל יותר וניתן להתאמה. החומר נקשר לנחושת באמצעות חום ולחץ בלבד, וניתן לעבד את מרכיביו עם ציוד זמין נרחב. כתוצאה מכך, עלויות הייצור נופלות למאות דולרים ולא לאלפים.

התקדמות גדולה נוספת מאפשרת ל-ULIS לפעול באופן אלחוטי. ניתן לשלוט ולנטר את המודול ללא כבלים פיזיים, ומתפקד כיחידה עצמאית. עיצוב מודולרי זה, דמוי לגו, מאפשר שילובו במגוון רחב של מערכות, החל משרתי מרכז נתונים ועד למטוסים מתקדמים וכלי רכב צבאיים. פטנט על פרוטוקול התקשורת האלחוטית עם אחזור נמוך, בראשות Sarwar Islam, נמצא כעת בהמתנה.

עוצב עבור טכנולוגיות עתידיות

בעוד ש-ULIS מסתמכת כיום על מוליכים למחצה מתקדמים של סיליקון קרביד, העיצוב נבנה בכוונה כדי להתפתח. ניתן להתאים את המודול לחומרים מוליכים למחצה עתידיים, כולל גליום ניטריד ותחמוצת גליום, שטרם הגיע לשימוש מסחרי.

יחד, חידושים אלו תומכים ביעד מרכזי. ככל שחברות נעשות יותר ויותר תלויות בחשמל אמין, ULIS נועד לספק יעילות מבלי לוותר על אמינות.

איפה ULIS יכול לעשות את ההבדל הגדול ביותר

ל-ULIS צפויה השפעה רחבה על פני מגזרים מרובים.

ברשת החשמל בארה"ב, חשמל חייב להיות מומר לצורות שמישות לפני שהוא מגיע לצרכנים. תהליך זה תלוי לרוב בציוד גדול בתדר נמוך שמבזבז אנרגיה. המעבר המהיר של ULIS משפר את היעילות בעוד יכולתה לסבול טמפרטורות גבוהות עשויה להפחית את עלויות התחזוקה לטווח ארוך.

בתעופה, היכולת של המודול להעביר חשמל במהירות ולחסוך באנרגיה מאפשרת ממירים קלים וחזקים יותר. זה יכול לעזור להפוך מטוסי המראה ונחיתה אנכיים חשמליים (eVTOL) למעשיים יותר ולכדאיים יותר מבחינה מסחרית.

ULIS יכול גם למלא תפקיד במערכות אנרגיה היתוך עתידיות. למרות שהיתוך מסחרי עדיין בפיתוח, מערכות אלו ידרשו רכיבי הספק פעימה קומפקטיים ואמינים. השראות האולטרה-נמוכה והעיצוב העמיד של ULIS הופכים אותו למתאים היטב לאתגר זה.

ככל שתעשיות רודפות אחר חשמל אמין יותר, בינה מלאכותית מתקדמת וכלי רכב מהדור הבא, ULIS זמין כעת לרישוי.