كيف يمكن للمحولات ذات الحالة الصلبة دعم ازدهار الذكاء الاصطناعي

تُعد المحولات جزءاً حاسماً ولكنه غير مرئي تقريباً من شبكتنا. تساعد هذه الأجهزة في نقل الطاقة بكفاءة عبر مسافات طويلة، لكنها معقدة ونادرة. ونظراً لأن تصميمها الأساسي لم يتغير كثيراً منذ حوالي قرن، فإنها تحتاج إلى تحديث.

بينما يسعى العالم لتلبية الطلب المتزايد على الكهرباء من المركبات الكهربائية ومراكز البيانات وغيرها، يبحث الباحثون والشركات عن تحديث المحولات. يمكن للإصدارات الجديدة ذات الحالة الصلبة أن تساعد في تخفيف بعض المخاوف المتعلقة بالإمداد وتضمن قدرة الشبكة على التعامل مع الضغط المتزايد.

تعتمد المحولات التقليدية عموماً على كميات هائلة من سبائك الفولاذ المتخصصة وأميال من الأسلاك النحاسية لأداء عملها في نقل الكهرباء بين الدوائر. في المقابل، تجمع النماذج ذات الحالة الصلبة المكونات المغناطيسية مع أشباه الموصلات عالية الطاقة، مما يجعلها أكثر إحكاماً وتسمح بتحكم أكبر في تدفق الكهرباء.

لا تزال هذه الأجهزة قيد التطوير، ولا يمكنها أن تحل محل جميع المحولات التقليدية اليوم، خاصة الكبيرة منها التي تعمل بجهود عالية ضرورية للنقل لمسافات طويلة. لكن جيلاً جديداً من تكنولوجيا المحولات يمكن أن يكون جزءاً حاسماً من شبكتنا المستقبلية.

ما هو العمود الفقري للشبكة الكهربائية؟

نقل الكهرباء عبر الشبكة ليس فعالاً تماماً: فبينما تتدفق الكهرباء عبر خطوط الطاقة، يُفقد جزء منها على شكل حرارة. تختلف الكمية المفقودة، فكلما زاد الجهد، انخفض التيار، وقلت الكهرباء المفقودة. لذا، فإن الوظيفة الرئيسية للشبكة هي رفع وخفض الجهد.

على سبيل المثال، محطة الطاقة الشمسية المحلية لديك. لكي تنتقل تلك الكهرباء بكفاءة إلى منزلك على بعد مئات الأميال، تحتاج إلى الوصول إلى جهد أعلى مما تولده المحطة الشمسية. هنا يأتي دور المحولات.

في مسارها من محطة الطاقة إلى منافذ منزلك، قد تمر الكهرباء عبر محول واحد في المزرعة الشمسية وآخر في محطة فرعية قريبة، لرفع الجهد مرتين للوصول إلى مستوى عالٍ بما يكفي للانتقال عبر خطوط النقل عالية الجهد. تنتج الألواح الشمسية أيضاً كهرباء تيار مباشر (DC)، والتي تحتاج إلى تحويلها إلى تيار متردد (AC) عبر عاكس قبل أن تتدفق إلى محول. بالقرب من وجهتها، سيتم خفض الجهد مرة أخرى، ربما مرتين على الأقل: مرة في محطة فرعية أخرى ومرة أخرى في محول أصغر في حيك.

إذا كنت في الولايات المتحدة، قد يتم تحويل الكهرباء من محطة شمسية إلى تيار متردد بواسطة عاكس عند حوالي 480 فولت، ثم يتم رفعها إلى 115,000 فولت لخطوط النقل، وأخيراً يتم خفضها مرة أخرى إلى 120 فولت و 240 فولت لمنزلك.

تؤدي المحولات التقليدية هذا العمل باستخدام ما يعادل حلقات من الأسلاك. يتكون قلب المحول عادة من نوع خاص من الفولاذ يسمى الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات. توجد ملفات من الأسلاك النحاسية على طرفي هذا القلب.

يحدد عدد الحلقات في كل ملف الجهد على طرفي المحول: إذا كان هناك عدد أكبر من الحلقات في الملف الثانوي مقارنة بالملف الأولي، يرتفع الجهد، وإذا كان هناك عدد أقل، ينخفض. عندما تمر الكهرباء الواردة عبر الحلقات في الطرف العلوي من المحول، يتشكل حقل مغناطيسي في القلب. يحفز هذا الحقل جهداً في الحلقات على الجانب الآخر من الجهاز، وهذا ما يسمح للطاقة بالاستمرار في التدفق بجهد جديد. تسمى هذه العملية بالحث المغناطيسي.

بالإضافة إلى وظيفة رفع وخفض الجهد، توفر المحولات غالباً ما يسمى العزل الغلفاني، مما يعني عدم وجود مسار كهربائي مباشر يتدفق عبرها. يمكن أن يساعد ذلك في الحد من الاضطرابات التي تنتقل عبر الشبكة، مما يحسن السلامة.

يضيف لوكيتش أن المشكلة هي أن محولات اليوم كبيرة وضخمة، كما أنها صعبة ومكلفة الاستبدال.

ما هي مميزات المحولات ذات الحالة الصلبة؟

بينما يعمل المحول التقليدي بتردد الجزء من الشبكة الذي يتصل به، يتحكم المحول ذو الحالة الصلبة فعلياً في تردد التيار. عادةً، يقوم المحول ذو الحالة الصلبة أولاً بتحويل طاقة التيار المتردد الواردة من الشبكة إلى طاقة تيار مباشر، ثم إلى طاقة تيار متردد بتردد أعلى باستخدام مفاتيح مصنوعة من أشباه الموصلات مثل كربيد السيليكون.

من هناك، يغير مكون مغناطيسي الجهد. ونظراً لأن أشباه الموصلات المتقدمة تسمح للمحولات بممارسة قدر كبير من التحكم في تردد واستقرار التيار، يمكن أن يكون القلب المغناطيسي أصغر بكثير مما هو عليه في المحول التقليدي. يقول لوكيتش إن بعضها يأتي بحجم يقارب عُشر الحجم ولكن بنفس السعة.

أخيراً، تقوم إلكترونيات طاقة إضافية بتحويل الكهرباء من تيار متردد عالي التردد إلى شكلها المطلوب – عادةً ما يعود إلى طاقة تيار مباشر ثم أخيراً إلى تيار متردد منخفض التردد.

اليوم، رفع وخفض الجهد هو الوظيفة الوحيدة للعديد من المحولات. لكن المحولات ذات الحالة الصلبة يمكنها فعل الكثير. فهي تستوعب وظائف أجهزة مثل المقومات والعاكسات (التي تحول التيار المتردد إلى تيار مباشر والعكس)، مما يقلل من البصمة الكلية للمعدات الكهربائية ويحتمل أن يقلل من كمية الطاقة المفقودة في النظام.

في أغسطس، اختبرت هيئة الطاقة في نيويورك ومعهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI) محولاً ذا حالة صلبة بقدرة 1 ميغاواط في ظل ظروف واقعية للمرافق في موقع اختبار EPRI. يقول لوكيتش إن الجهاز بُني في مختبره، وكان هذا أول اختبار لمحول بهذه السعة.

كان النموذج الأولي فعالاً بنسبة 98% تقريباً – مما يعني أنه فقد 2% فقط من الطاقة المدخلة. في المقابل، يقول لوكيتش إن محولاً ومقوماً تقليديين مكافئين سيكونان فعالين بنسبة 96% معاً. يضيف لوكيتش أن فرق 2% قد يبدو صغيراً، لكنه مهم، لأنه يعني أن المحول ذو الحالة الصلبة يمكن أن يقلل من فقدان الطاقة من المعدات التقليدية إلى النصف.

يقول لوكيتش إن أحد الأهداف الرئيسية للمشروع كان مساعدة المرافق على اكتساب المزيد من الثقة في هذه المكونات الجديدة. وهذا أمر بالغ الأهمية، حيث يمكن استخدام هذه الأجهزة في شبكة الطاقة مستقبلاً. على المدى القريب، يمكن استخدام المحولات ذات الحالة الصلبة داخل مراكز البيانات لتوفير الكهرباء لرفوف الخوادم.

لا يزال النموذج الأولي نظاماً بجهد منخفض نسبياً، يعمل بحوالي 15,000 فولت. غالباً ما تتطلب المنشآت الصناعية مثل مراكز البيانات الأكبر حجماً توصيلات بجهد أعلى، وتعمل خطوط النقل عادة بمئات الآلاف من الفولتات. سيتطلب تكييف المحولات ذات الحالة الصلبة مع هذه الجهود العالية مزيداً من التطوير الهندسي. لكن لوكيتش يقول إن الاختبار كان إثباتاً ناجحاً بأن المحولات ذات الحالة الصلبة يمكن أن تعمل في ظروف حقيقية.

يقول لوكيتش إن الشركات التي تطور المحولات ذات الحالة الصلبة تركز بشكل كبير على مراكز البيانات في الوقت الحالي. هناك تدفق للأموال لدعم تطوير التكنولوجيا الجديدة، ومتطلبات الجهد ليست عالية كما ستكون للمحولات الأكبر التي ستكون ضرورية للنقل لمسافات طويلة.

في فبراير، جمعت شركة Heron Power مبلغ 140 مليون دولار لتسويق محولها ذي الحالة الصلبة، والذي تسميه الشركة Heron Link. يقول درو باجلينو، المؤسس والرئيس التنفيذي، إن التكنولوجيا يمكن استخدامها في مراكز البيانات، ومصفوفات الطاقة الشمسية، وبطاريات الشبكة. يضيف باجلينو أن الشركة بدأت الآن في اختبار تقنيتها على نطاق أوسع. ستخضع بطاريات بقيمة عشرة ميغاواط/ساعة في مقر Heron في سكوتس فالي، كاليفورنيا، للاختبار قريباً باستخدام محولات Heron. يضيف باجلينو أن الشركة تخطط أيضاً لمشروع تجريبي مع مزرعة شمسية قريبة.

أحد التحديات التي تواجه المحولات ذات الحالة الصلبة هو أن إلكترونيات الطاقة الخاصة بها تحتوي على أوضاع فشل أكثر من المحولات التقليدية. في الجهاز التقليدي، يعني الفشل عادةً أن الجهاز بأكمله سيتوقف عن العمل، مما يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي. لكن باجلينو يقول إن Heron تصمم مع وضع ذلك في الاعتبار: تستخدم الشركة تصميماً معيارياً، مع العديد من الأجهزة الصغيرة التي تعمل معاً. إذا فشل أحدها، يستمر بقية النظام في العمل حتى يمكن استبدال الجزء المتأثر، وهو ما لا يتطلب إيقاف تشغيل النظام بأكمله.

تبني شركة Heron Power حالياً مصنعاً بقيمة 100 مليون دولار في كاليفورنيا لتصنيع المحولات المتقدمة. من المتوقع أن يبدأ المرفق الإنتاج في عام 2027 ويصل إلى معدل إنتاجه الكامل البالغ 40 جيغاواط من المحولات سنوياً في عام 2029.

ما هو مستقبل الشبكة الكهربائية؟

في السنوات الأخيرة، استثمرت الشركات المصنعة لمعدات الشبكة 1.7 مليار دولار في سلسلة التوريد الأمريكية لمحولات الطاقة، المستخدمة في النقل عالي الجهد، بحسب بنيامين بوشر، محلل سلسلة التوريد في Wood Mackenzie. يضيف أن هناك استثماراً إضافياً بقيمة 1.3 مليار دولار لمحولات التوزيع، وهي الأجهزة الأصغر التي تساعد في تحويل الطاقة للمنازل والشركات.

لكن حتى هذا الاستثمار لا يواكب النمو السريع للشبكة. تمتد أوقات انتظار المحولات التقليدية الكبيرة – تلك المطلوبة لربط محطات الطاقة الجديدة، والنقل لمسافات طويلة، والمواقع ذات الطلب المرتفع مثل مراكز البيانات – لتصل إلى خمس سنوات.

يقول بوشر: "أصبحت المحولات أحد أكبر الاختناقات للمرافق، ومطوري التوليد، وحتى مراكز البيانات." يضيف بوشر أن التحدي الكبير هو صعوبة بدء تشغيل تصنيع محولات جديدة، لأنها عملية تقنية للغاية تتطلب الكثير من العمالة المتخصصة. لذلك، حتى المرافق التي أُعلن عنها قبل سنوات لا تزال على بعد سنوات من الافتتاح.

يمكن للمحولات ذات الحالة الصلبة أن تساعد في تخفيف بعض هذا الضغط. لكن الأجهزة عالية الجهد المطلوبة لتوصيلات محطات الطاقة وخطوط النقل هي الهدف الأسمى للمحولات ذات الحالة الصلبة، بحسب لوكيتش. لا يمكن استخدام التكنولوجيا الحالية ذات الحالة الصلبة لتلك التطبيقات بعد، لذا ستحتاج الصناعة إلى تطوير مواد وتصاميم جديدة لدعم الجهود العالية والتعامل مع الكهرباء بأمان في جهاز مدمج.

يقول بوشر: "نحن نواجه خطراً كبيراً يتعلق بالبنية التحتية للشبكة." ويضيف: "بدون المحولات، لا توجد لديك شبكة كهربائية حقاً."