A procura global de electricidade está a crescer rapidamente. Os centros de dados que consomem muita energia e que apoiam a inteligência artificial e a expansão da produção estão a exercer uma pressão sem precedentes sobre o sistema energético global. Atender a esta procura exigirá mais do que apenas gerar electricidade adicional.
Uma solução promissora é utilizar as fontes de energia existentes de forma mais eficiente e com custos mais baixos.
Novas maneiras de melhorar a eficiência energética
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) desenvolveram um novo módulo de potência de carboneto de silício projetado para melhorar significativamente a forma como a eletricidade é convertida e entregue. Módulos de potência são gabinetes que contêm componentes eletrônicos de potência que regulam o fluxo de eletricidade entre sistemas. Este novo design oferece eficiência recorde, maior densidade de potência e um processo de fabricação de baixo custo.
A tecnologia é chamada de Módulo de Potência Inteligente de Indutância Ultrabaixa (ULIS) do NREL. Ao usar semicondutores de carboneto de silício, o ULIS pode atingir cinco vezes a densidade de energia dos designs anteriores, ocupando menos espaço. Essa combinação permite que os fabricantes criem dispositivos menores, mais leves e com maior eficiência energética. O módulo de 1.200 volts e 400 A é ideal para data centers, redes de energia, microrreatores e plataformas pesadas, como aeronaves e veículos militares de última geração.
Por que a indutância ultrabaixa é importante
Uma vantagem importante do ULIS é a sua indutância parasita extremamente baixa, que é a resistência que retarda as mudanças de corrente e limita a conversão eficiente de energia. O ULIS pode reduzir essa resistência por um fator de sete a nove em comparação com os módulos de potência de carboneto de silício de última geração.
Como o sistema pode comutar a corrente de forma extremamente rápida e eficiente, mais eletricidade disponível pode ser convertida em eletricidade utilizável. Esta capacidade permite ao ULIS extrair mais valor do mesmo fornecimento de energia, tornando-o um forte candidato para satisfazer a crescente procura energética global.
“Achamos que o ULIS é um verdadeiro avanço”, disse Faisal Khan, principal pesquisador de eletrônica de potência do NREL e principal investigador do projeto. “Este é um módulo de energia ultrarrápido e preparado para o futuro que tornará os conversores de energia da próxima geração mais econômicos, eficientes e compactos.”
Projetado para confiabilidade em condições extremas
O ULIS foi projetado não apenas para eficiência, mas também para confiabilidade em ambientes agressivos. Khan disse que o módulo leve, porém poderoso, pode monitorar sua própria condição e prever falhas de componentes antes que elas ocorram.
Esse recurso é especialmente importante para aplicações de alto risco, como aviação e operações militares. Para uma aeronave voando a 30.000 pés ou um veículo navegando em uma zona de guerra, a detecção precoce de falhas pode ser a diferença entre o sucesso da missão e uma perda catastrófica.
“ULIS é um esforço verdadeiramente orgânico que foi construído inteiramente dentro do NREL”, disse Khan. “Estamos muito entusiasmados em demonstrar suas vantagens em um cenário do mundo real.”
Completamente redesenhado para reduzir custos de fabricação
Muitas das melhorias de desempenho do ULIS vêm de um novo design físico.
Os módulos de potência tradicionais empilham dispositivos semicondutores dentro de um pacote semelhante a uma caixa. Em vez disso, o ULIS organiza seus circuitos em um layout octogonal plano. Essa estrutura em forma de disco acomoda mais componentes em um espaço menor, reduzindo tamanho e peso. Ao mesmo tempo, seu inovador roteamento de corrente minimiza a interferência magnética, o que ajuda a fornecer uma saída de energia mais limpa e maior eficiência geral.
“Nossa maior preocupação era que o dispositivo desligasse e ligasse muito rapidamente, e precisávamos de um layout que não criasse pontos de estrangulamento no design”, disse Shuofeng Zhu, pesquisador de eletrônica de potência do NREL que projetou a arquitetura de cancelamento de fluxo ULIS.
Os primeiros conceitos exploravam formas tridimensionais complexas, incluindo desenhos que lembravam flores ou cilindros ocos. No entanto, estas ideias revelaram-se demasiado caras ou difíceis de implementar. A inovação ocorreu quando a equipe reduziu o conceito a uma estrutura quase bidimensional. Sarwar Islam, outro pesquisador de eletrônica de potência do NREL, propôs um design plano que equilibra desempenho, custo e capacidade de fabricação.
“Nós o achatamos, como uma panqueca”, disse Zhao, “e de repente tivemos um design de baixo custo e alto desempenho que era mais fácil de fabricar”.
Joshua Major, também membro da equipe de eletrônica de potência do NREL, desenvolveu novos métodos de fabricação para produzir estruturas complexas usando apenas ferramentas e instalações internas. O resultado é um projeto que combina as vantagens elétricas de um sistema tridimensional com a praticidade da fabricação plana.
Materiais flexíveis e controle sem fio
O ULIS também é diferente dos materiais tradicionais. Os módulos de energia tradicionais ligam o cobre diretamente a uma base rígida de cerâmica para conduzir eletricidade e controlar o calor. Esta abordagem, embora eficaz, limita a flexibilidade.
Em vez disso, o ULIS liga o cobre a um polímero flexível chamado Temprion. Essa mudança resultou em uma estrutura mais fina, mais leve e mais adaptável. O material se liga ao cobre usando apenas calor e pressão, e suas peças podem ser processadas usando equipamentos amplamente disponíveis. Como resultado, os custos de produção caem para centenas de dólares em vez de milhares.
Outro grande avanço permite que o ULIS opere sem fio. O módulo pode ser controlado e monitorado como uma unidade independente, sem a necessidade de cabos físicos. Este design modular semelhante ao Lego permite que ele seja integrado a uma variedade de sistemas, desde servidores de data centers até aeronaves e veículos militares avançados. Um pedido de patente para um protocolo de comunicação sem fio de baixa latência liderado por Sarwar Islam está atualmente pendente.
Projetado para tecnologias futuras
Embora o ULIS atualmente dependa de semicondutores avançados de carboneto de silício, o design é construído intencionalmente para o crescimento. O módulo poderá ser adaptado a futuros materiais semicondutores, incluindo nitreto de gálio e óxido de gálio que ainda não atingiram uso comercial.
Juntas, essas inovações apoiam um propósito central. À medida que a sociedade se torna cada vez mais dependente de eletricidade fiável, o ULIS foi concebido para aumentar a eficiência sem sacrificar a fiabilidade.
Onde o ULIS pode ser mais útil
Espera-se que o ULIS tenha um impacto generalizado em vários setores.
Na rede elétrica dos EUA, a eletricidade deve ser convertida numa forma utilizável antes de chegar aos consumidores. Esse processo geralmente depende de equipamentos grandes e de baixa frequência que desperdiçam energia. A comutação rápida do ULIS aumenta a eficiência, enquanto a sua capacidade de suportar altas temperaturas reduz os custos de manutenção a longo prazo.
No setor aeroespacial, o módulo pode transmitir energia rapidamente e economizar energia, tornando os conversores mais leves e potentes. Isso poderia ajudar a tornar as aeronaves elétricas de decolagem e pouso verticais (eVTOL) mais práticas e comercialmente viáveis.
O ULIS também poderia desempenhar um papel em futuros sistemas de energia de fusão. Embora a fusão comercial ainda esteja em desenvolvimento, estes sistemas exigirão componentes de energia pulsada compactos e confiáveis. A indutância ultrabaixa e o design durável do ULIS o tornam ideal para enfrentar esse desafio.
O ULIS está agora disponível para licenciamento à medida que as indústrias buscam eletricidade mais confiável, inteligência artificial avançada e veículos de próxima geração.
