محوّل بلا نواة مغناطيسية، أو شبكة صُمّمت للطاقة الخضراء + test

المحتويات

• لا يكفي نصب توربينات الرياح
• ما هو المحوّل الصلب
• ثلاثة مسارات لجهد واحد
• عزل يأتي مباشرة من النباتات
• وحدات بلا رئيس
• أرقام من المختبر
• خضراء لا بالاسم فقط
• أكثر من مجرد تجربة
• ما ينبغي تذكره
• خمسة أسئلة: هل لديك ما يلزم لتصبح مهندس طاقة؟ (اختبار)

⇑لا يكفي نصب توربينات الرياح

يُناقش التحول في مجال الطاقة عادةً من زاوية الرياح والشمس والماء، أي مصادر الطاقة نفسها. لكن تغيير المصادر ليس سوى نصف المهمة. فلا تزال الطاقة المنتجة من منشآت الطاقة المتجددة بحاجة إلى النقل والتوزيع، وهذا يتطلب بنية تحتية جديدة للشبكة، وبصورة عاجلة.

«يحتاج التحول في مجال الطاقة إلى شبكات كهربائية أكثر مرونة ورقمية وصلابة، وقادرة على استيعاب حصص عالية من الطاقة المتجددة»، يقول جوناتان بيريس ريفاس (Jonatan Peris Rivas) من مؤسسة CIRCE الإسبانية التي تنسق مشروع SSTAR الممول من الاتحاد الأوروبي.

⇑ما هو المحوّل الصلب

بطل المشروع هو المحوّل الصلب، ويُختصر بـ SST. وهو جهاز متقدم من إلكترونيات القدرة يُستبدل فيه المحوّل التقليدي ذو النواة المغناطيسية بمفاتيح أشباه موصلات تعمل بتردد عالٍ. يبدو الأمر كتغيير في التصميم يخص المتخصصين، لكنه عمليًا ينقل عنصرًا أساسيًا من الشبكة إلى عالم الإلكترونيات.

وضع فريق SSTAR لنفسه هدفًا محددًا: إخراج هذه التقنية من مرحلة الجهد المنخفض وتهيئتها للعمل في شبكات الجهد العالي. وكانت الفكرة أن يُظهر الفريق أن محوّلات SST ذات الجهد العالي يمكنها أن تنتقل من المفهوم إلى نماذج أولية مُثبتة في التجارب، مدعومة ببيانات موثوقة عن الأداء والسلامة والاستدامة.

⇑ثلاثة مسارات لجهد واحد

سار العمل بالتوازي في ثلاثة اتجاهات. كان كل منها يجيب عن تحدٍّ مختلف، من المواد مرورًا بالإلكترونيات نفسها وصولًا إلى طريقة التحكم في النظام بأكمله:

• سائل عازل مستدام ذو أساس حيوي، يهدف إلى تحسين أداء العزل في الجهاز؛
• وحدة SST عالية الجهد قائمة على نقل القدرة الحثي ثنائي الاتجاه، ويُختصر بـ IPT؛
• بنية تحكم لامركزية متتالية بقناطر H، تتيح إضافة وحدات أخرى دون وحدة تحكم مركزية.

⇑عزل يأتي مباشرة من النباتات

يُظهر المسار الأول أن هندسة الطاقة الحديثة لا تقتصر على أشباه الموصلات. ولعزل عناصر النموذج الأولي، أعدّ الفريق سائلًا من أصل نباتي. وأُنتجت عينة بسعة 200 لتر، مخصصة للنموذج الأولي للمحوّل. وفي هذا النهج لا تتعلق الخضرة بمصدر الطاقة فحسب، بل أيضًا بالمواد التي تُصنع منها المعدات نفسها.

⇑وحدات بلا رئيس

المساران الثاني والثالث مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. فالوحدة عالية الجهد تنقل الطاقة في الاتجاهين بفضل القدرة الحثية. أما البنية اللامركزية فتعني أنه يمكن توصيل الوحدات الفردية على التوالي وزيادة عددها دون أن تشرف على المجموع وحدة تحكم مركزية واحدة. ويهدف هذا التصميم إلى تسهيل توسيع نطاق الحل.

⇑أرقام من المختبر

جرى دمج جميع العناصر والتحقق من صحتها في منصتي اختبار معتمدتين. وحقق النموذج الأولي القائم على تقنية IPT نقل قدرة بلغ 76.7 كيلوواط عند 1500 فولت، وكانت كفاءته في التشغيل الرنيني نحو 95%.

وكان اختبار النسخة المتتالية مثيرًا للاهتمام بالقدر نفسه. فقد وصل الباحثون 28 وحدة على التوالي وحاكوا ظروف شبكة بجهد 66 كيلوفولت وتيار 100 أمبير RMS. وهذا يعادل 660 كيلوواط لكل فرع، وكل ذلك دون وحدة تحكم مركزية. وتؤكد النتائج قابلية النظام للتوسع وفعاليته التقنية معًا.

⇑خضراء لا بالاسم فقط

لم يكتفِ الفريق بالقياسات الكهربائية. فقد أُجري أيضًا تقييم للاستدامة. «أظهر تقييمنا اللاحق للاستدامة أن مفهوم SSTAR يمكن أن يحسّن الأداء البيئي بدرجة كبيرة، ولا سيما عند تشغيله بكهرباء متجددة»، يقول بيريس ريفاس.

كما أشار الباحثون إلى المواضع التي تملك فيها التقنية الجديدة أفضل الفرص. وسمّوا الشبكات الصغرى الصناعية ومراكز البيانات ومنشآت الطاقة المتجددة البحرية بوصفها الأكثر وعدًا.

⇑أكثر من مجرد تجربة

وفقًا للفريق، رسم المشروع طريقًا واضحًا نحو محوّلات صلبة عالية الجهد واعدة تقنيًا وأكثر استدامة وملائمة لاحتياجات الشبكة الفعلية. وقد أصبحت محوّلات SST نفسها تقنية جادة تدعم الأنظمة المبنية على مصادر الطاقة المتجددة.

«لم يتوقف المشروع عند أفكار المختبر، بل أنتج نماذج أولية مُثبتة، وتقييمًا للاستدامة وللأثر الاجتماعي، وخارطة طريق واضحة لبلوغ النضج التقني»، يؤكد بيريس ريفاس. ويرى أن أكبر نجاح للمشروع هو الجمع بين الحلول التقنية ورؤية على مستوى النظام بأكمله. وبناءً على النتائج، يواصل الباحثون تطوير النماذج الأولية، ويبحثون عن شركاء صناعيين واستثمارات وفرص تمويل جديدة.

⇑ما ينبغي تذكره

التحول في مجال الطاقة لا يتعلق بمصادر الطاقة الجديدة فقط، بل بأجهزة جديدة في الشبكة نفسها أيضًا. فقد أظهر مشروع SSTAR أن المحوّلات الصلبة يمكنها الخروج من المختبر والعمل في نطاق الجهد العالي، بكفاءة عالية وبنية قابلة للتوسع وعزل نباتي الأساس. وبالنسبة إلى طلاب هندسة الطاقة والهندسة الكهربائية والإلكترونيات، فهو مثال جيد على كثرة المجالات التي تلتقي في جهاز واحد: من مواد العزل، مرورًا بإلكترونيات القدرة، وصولًا إلى أنظمة التحكم.

⇑خمسة أسئلة: هل لديك ما يلزم لتصبح مهندس طاقة؟ (اختبار)