طور فريق ORNL قواطع دوائر الجهد المتوسطة القادرة على التعامل مع مستويات متزايدة من التيار المستمر بتكلفة أقل ، والتقدم الذي يمكن أن يساعد في تقليل تكاليف الكهرباء في المستقبل وتوسيع السعة في شبكة أمريكية مثقلة.
وقال براساد كاندولا ، الباحث الرئيسي: “كان عدم وجود قواطع دائرة الجهد المتوسطة للتيار المباشر عقبة أمام المرونة في توصيل الكهرباء”. “يساعد تطوير هذه التكنولوجيا في الحفاظ على العمل بأمان وبشكل موثوق مع الحفاظ على المزيد من الطاقة متاحة لدعم عدد سكاننا والاقتصاد المتزايد”.
وقال Kandula ، الذي يقود مجموعة أجهزة Ornl’s Grid Systems: “بمجرد أن تذهب إلى العاصمة ، فإن لحظة” الصفر الحالية “قد اختفت – وبدون ذلك ، فإن المفتاح الميكانيكي ليس سريعًا بما يكفي لإيقاف خطأ قبل تراكم الحرارة ويبدأ الحريق”.
لمعالجة هذه المشكلة ، يقوم باحثو ORNL بتصميم وزيادة قدرة نوع جديد من قاطع الدائرة القائم على أشباه الموصلات ، والتي يمكن أن تعمل أسرع مائة مرة من المفاتيح الميكانيكية. يتيح ذلك الاستخدام الأوسع للتيار المستمر في الشبكة الكهربائية حيث يصبح أكثر جاذبية لمصممي أنظمة الطاقة من أجل كفاءته ومرونته وتوافقه مع مصادر الطاقة الحديثة والأحمال.
يمكن أن توفر أنظمة DC الكهرباء بأسعار معقولة لمشاريع التنمية الاقتصادية كثيفة الطاقة مثل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي. وذلك لأن DC يتدفق مع مقاومة أقل من خلال خطوط الطاقة ، وفقدان طاقة أقل في العبور. يتم منع الخسائر الإضافية عندما لا يجب تحويل التيار بين إلكترونيات الطاقة المستندة إلى DC والشبكة المستندة إلى AC.
عندما يتم تجميع هذه العوامل معًا ، فإن نظام DC فقط يضيع قوة أقل-زيادة قدرة شبكة الطاقة وتقليل تكاليف الطاقة-مع دعم أفضل لتدفقات الطاقة متعددة الاتجاهات للشبكة الحديثة.
تعتبر قواطع الدائرة المتوسطة الجهد أمرًا بالغ الأهمية لجعل توزيع طاقة DC حقيقة واقعة. تعتمد أنظمة DC على إلكترونيات الطاقة السريعة المفعمة ، والتي تتطلب حماية سريعة بنفس القدر.
توفر أشباه الموصلات كل من السرعة وسلامة أكبر لأنظمة التيار المستمر. تعتمد قواطع الميكانيكية التقليدية على فجوة مادية أقل فعالية في إيقاف العاصمة ، والتي هي قادرة على الإثارة عبر فجوة في قوس من الطاقة المتفجرة.
لتجنب إمكانية الانحناء ، يمكن بدلاً من ذلك توجيه التيار من خلال جهاز قائم على أشباه الموصلات ، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر السلامة والحريق في الغابات.
حتى الآن ، كانت قواطع أشباه الموصلات مكلفة للغاية إما أن تتنافس اقتصاديًا مع الكسور الميكانيكية لـ AC ، أو لتسهيل الاستخدام الموسع لشبكات DC. لا يمكن لأي نوع من الكسارة التجارية التعامل مع DC فوق 2000 فولت ، ومعظمهم لا يستطيعون تحقيق نصف ذلك.
شرع Kandula وفريقه في العثور على حل فعال من حيث التكلفة لملء فجوة الأداء هذه. لقد ركزوا على أشباه موصلات أقدم مقبولة الصناعة تسمى ثايرستور.
“لقد اخترنا تقنية قاعدة كانت قوية وفعالة وغير مكلفة” ، قال كاندولا. Thyristors ميسورة التكلفة بما يكفي لجعل مفاتيح مفاتيح أقام أشباه الموصلات تنافسية لأول مرة.
لا يمكن “إيقاف” Thyristors مباشرة ، لذلك كان على الفريق أيضًا تصميم دائرة خارجية لتقليل التيار بالقوة. في مركز Ornl لشبكة البحث والتطوير ، أو الشبكة، المهندسين صمم واختبار نموذج قاطع الدائرة لمقاطعة التيار عند 1400 فولت في أقل من 50 ميكروثانية – أربع إلى ست مرات أسرع مما تم توضيحه مع الثايرستور سابقًا.
لإثبات أنه يمكن زيادة التكنولوجيا للتعامل مع الفولتية الأعلى ، قام الباحثون بتوصيل الكسور في سلسلة – وهذا يعني واحدة تلو الأخرى على طول المسار الكهربائي نفسه. يأتي هذا النهج مع العديد من التحديات الفنية: أولاً ، يجب مشاركة الجهد بالتساوي في جميع القاطعات ، لمنع أي جهاز واحد من أن يصبح محملاً وفشلًا. ثانياً ، يجب ألا يؤخر إنشاء سلسلة من الكسول وقت رد الفعل السريع للنظام.
صمم باحثو ORNL حلولًا واختبروا في سلسلة من الكسور التي تعمل حتى قدرة اختبار 1800 فولت. إنهم يعملون بالفعل على إضافة المسلسل لتوسيع نطاق ما يصل إلى 10000 فولت في نهاية المطاف ، ويتوقعون متطلبات الطاقة الأكبر لشبكات DC المستقبلية.
المشروع جزء من مبادرة ornl أكبر لتطوير قائمة من لبنات بناء الجهد المتوسطة القابلة للتكديس لتوسيع تطبيقات الطاقة الجديدة في مراكز النقل والتصنيع والبيانات الأمريكية. الباحثون الآخرون الذين ساهموا في المشروع ، الذي يدعمه مكتب وزارة الطاقة الكهربائية ، يشملون مارسيو كيمبارا وإيلفي أندرادي.
يدير Ut-Battelle Ornl لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة ، وهو أكبر مؤيد للبحوث الأساسية في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة.
لمزيد من: Energy.gov/science.
