ETH Zürih‘te geliştirilen yeni, akıllı bir orta gerilim transformatörü; son derece kompakt ve enerjiyi verimli hale getiren son dönem yarı iletken teknolojiye sahiptir. Gelecek uygulamalar; elektrikli araçlar, lokomotifler, hızlı şarj istasyonları ve gelecekteki güç şebekelerinde kullanılmak üzere veri merkezlerine yönelik güç kaynaklarına kadar çeşitlilik gösterir.
ETH Zürih elektrik mühendisleri; orta voltajı düşük voltaja dönüştürmek için son derece verimli çalışan akıllı bir elektronik transformatör geliştirdi. Bu türdeki akıllı transformatörler de standart transformatörlerden çok daha küçük. Sistem, özellikle raylı lokomotiflerde olduğu gibi, alanın sınırlı olduğu veya ağırlığın minimumda tutulması gereken yerlerde kullanıma uygun hale getirir.
Demiryolu uygulamaları için çoğu güç ızgarası, orta voltaj seviyesinde alternatif akım sağlar. Lokomotifler daha sonra voltajı daha düşük bir değere indirir.
ETH Profesörü Johann Kolar’ın doktora öğrencisi Rothmund: “Teknik nedenlerden ötürü, alternatif akımın frekansı ne kadar düşükse, gerilimi düşürmek için gerekli olan transformatör de o kadar büyüktür. Ayrıca 16.7 Hertz’de, İsviçre ve diğer birçok Avrupa ülkesinde demiryolu taşımacılığında kullanılan frekans nispeten düşük oluyor.”
Bu boyut problemini ortadan kaldırmak için akıllı transformatörlerin manşonlarının bir numarası vardır: Birincisi, bir ön uç dönüştürücü alternatif akımın frekansını büyük ölçüde artırır, bu da transformatörün kendisinin çok daha küçük olabileceği anlamına gelir. Ardından, sonraki bir dönüştürücü istenen frekansta alternatif akım üretir.
Aşırı Yüksek Frekanslarda Geçiş
Rothmund ve meslektaşı Thomas Guillod; çalıştıkları 10,000 voltluk orta gerilim için az sayıda bileşen bulunduğundan, transformatörleri için birçok bileşeni geliştirmek zorundaydılar. Bir ABD firması tarafından üretilen son derece hızlı anahtarlama (prototipleri sağlayan silikon karbürden üretilen parçalar) özellikle önemlidir. Bunları kullanarak, ETH doktora öğrencileri orta voltajı 75.000 hertz frekansına dönüştürmeyi başardılar. Sonuç olarak, oluşturdukları trafo sistemi, benzer güç değerlerine sahip önceki akıllı trafoların sadece üçte biri kadar büyüklüğündedir. Daha önceki sistemler yüzde 96 civarında bir enerji verimliliği sağlasa da,
Rothmund ve Guillod yüzde 98’ini yönetiyordu. Başka bir deyişle, enerji kayıplarını yüzde 4’ten yüzde 2’ye indirebiliyorlardı.
Alternatif Akımı Düzeltmek
Raylı lokomotifler; bu yeni transformatörler için birçok uygulamadan sadece bir tanesidir. Rothmund’un da belirtiği gibi; geleneksel transformatörlerden farklı olarak, akıllı transformatörler kontrol edilebilir. Akıllı şebekeler olarak bilinen gelecekteki güç şebekelerinde; elektrik dağıtımını aktif olarak yönetmek ve elektrik üretimi ve talebindeki dalgalanmaları dengelemek için kullanılabilir.
Yeni sistem, sadece şebeke üzerindeki alternatif akımın frekansını değiştirmekle kalmaz; aynı zamanda alternatif akımı (AC) doğru akım (DC) haline getirebilir. Bu uygulama; birkaç elektrikli aracı aynı anda şarj edebilen gelecekteki büyük ölçekli hızlı şarj istasyonları olabilir. Bu şarj noktaları; daha sonra mevcut orta voltajlı AC şebekesine doğrudan bağlanabilir. Ayrıca verimli kompakt transformatörler daha sonra orta gerilimi istenen voltaja kadar düşürür.
Rothmund: “Piller, nispeten düşük bir DC gerilimi kullanılarak şarj ediliyor. Konvansiyonel teknolojiyle karşılaştırıldığında, akıllı trafolar; orta gerilim AC şebekesinden DC üretme konusunda avantaj sağlıyor…”
Bu gelişmeden yararlanmak için büyük ölçekli bir başka tüketici sınıfı da veri merkezleridir. Daha verimli güç kaynağı sistemleri sunmak, sadece elektrik faturalarını değil; aynı zamanda üretilen atık ısının miktarını da azaltacak ve böylece soğutma için gereken enerjiyi en aza indirecektir.
İronik olarak, yeni teknoloji dekarbonize edilmiş ve elektriklendirilmiş yeni bir enerji ekonomisine dönüşü kolaylaştırmaktan daha fazlasını yapabilir. Ayrıca, ulaşılması zor olan fosil yakıt rezervlerini kullanmasını daha kolay hale getirebilir. Petrol ve gaz endüstrisi şu anda sondaj platformları yerine denizaltı fabrikaları kullanarak, derin okyanuslarda yer alan açık deniz yataklarına erişim yolları üzerinde çalışıyor. Bunlar okyanus tabanında bulunan pompaları, kompresörleri ve robotları içerecek ve birkaç kilometre uzayan “göbek kordonu” ndan elektrik çekecek.
Yeni teknoloji; kabloların uzun mesafelerde AC’den daha verimli olarak iletilebilen DC’yi taşıyabileceği anlamına gelirken, okyanus tabanındaki nispeten küçük bir dönüştürücü DC’yi makinelerin gerektirdiği AC’ye dönüştürebilir.