ترانسفورماتورها بخش حیاتی اما تقریباً نامرئی شبکه برق ما هستند. این دستگاه‌ها به انتقال کارآمد برق در مسافت‌های طولانی کمک می‌کنند، اما پیچیده‌اند و با کمبود عرضه روبه‌رو هستیم. از آنجا که طراحی اصلی آن‌ها در حدود یک قرن گذشته تغییر چندانی نکرده، به‌روزرسانی آن‌ها ضروری است. 

در حالی که جهان برای پاسخ‌گویی به تقاضای فزاینده برق از سوی خودروهای برقی، مراکز داده و بخش‌های دیگر شتاب گرفته است، پژوهشگران و شرکت‌ها به دنبال نوسازی ترانسفورماتورها هستند. نمونه‌های جدید حالت‌جامد می‌توانند بخشی از نگرانی‌های مربوط به کمبود عرضه را کاهش دهند و کمک کنند شبکه برق از پس فشار روزافزون برآید.

ترانسفورماتورهای متداول عموماً برای انتقال برق میان مدارها به مقادیر زیادی آلیاژهای فولادی تخصصی و کیلومترها سیم مسی متکی‌اند. در مقابل، مدل‌های حالت‌جامد اجزای مغناطیسی را با نیمه‌رساناهای قدرت ترکیب می‌کنند؛ به این ترتیب، کوچک‌تر می‌شوند و امکان کنترل بیشتر جریان برق را فراهم می‌آورند. 

این دستگاه‌ها هنوز در مرحله توسعه‌اند و در حال حاضر نمی‌توانند جایگزین همه ترانسفورماتورهای سنتی شوند؛ به‌ویژه بزرگ‌ترین نمونه‌هایی که با ولتاژهای بالای موردنیاز برای انتقال برق در مسافت‌های طولانی کار می‌کنند. با این حال، نسل جدید فناوری ترانسفورماتورها می‌تواند بخش مهمی از شبکه برق آینده ما باشد.

ستون فقرات شبکه برق

انتقال برق در شبکه کاملاً کارآمد نیست: هنگام عبور برق از خطوط انتقال، بخشی از آن به گرما تبدیل می‌شود و از دست می‌رود. میزان این اتلاف متفاوت است؛ هرچه ولتاژ بیشتر باشد، جریان کمتر می‌شود و برق کمتری از دست می‌رود. بنابراین، یکی از کارکردهای اصلی شبکه برق، افزایش و کاهش ولتاژ است. 

برای نمونه، یک نیروگاه خورشیدی محلی را در نظر بگیرید. برای اینکه برق تولیدشده بتواند با کارایی مناسب صدها کیلومتر را تا خانه شما طی کند، ولتاژ آن باید از ولتاژ تولیدی نیروگاه خورشیدی بیشتر باشد. اینجاست که ترانسفورماتورها وارد عمل می‌شوند. 

برق در مسیر خود از نیروگاه تا پریزهای خانه شما ممکن است از یک ترانسفورماتور در نیروگاه خورشیدی و ترانسفورماتور دیگری در پست برق نزدیک آن عبور کند و در هر مرحله ولتاژش افزایش یابد تا برای انتقال از خطوط فشارقوی به اندازه کافی بالا باشد. پنل‌های خورشیدی برق جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند که پیش از ورود به ترانسفورماتور، باید با اینورتر به جریان متناوب (AC) تبدیل شود. هرچه برق به مقصد نزدیک‌تر می‌شود، ولتاژ دوباره کاهش می‌یابد؛ احتمالاً دست‌کم در دو مرحله: یک بار در پست برق دیگری و بار دیگر در ترانسفورماتور کوچک‌تری در محله شما.

اگر در آمریکا باشید، ممکن است برق تولیدشده در یک نیروگاه خورشیدی با اینورتر و در حدود ۴۸۰ ولت به جریان متناوب تبدیل شود، ولتاژ آن برای انتقال در خطوط برق به ۱۱۵٬۰۰۰ ولت افزایش یابد و در نهایت برای استفاده در خانه، به ۱۲۰ و ۲۴۰ ولت کاهش پیدا کند.

ترانسفورماتورهای متداول این کار را با استفاده از چیزی انجام می‌دهند که در اصل حلقه‌هایی از سیم است. هسته ترانسفورماتور معمولاً از نوعی فولاد ویژه به نام فولاد الکتریکی با دانه‌های جهت‌دار ساخته می‌شود. در دو سوی این هسته، سیم‌پیچ‌های مسی قرار دارند. 

تعداد حلقه‌های هر سیم‌پیچ، ولتاژ دو سوی ترانسفورماتور را تعیین می‌کند: اگر تعداد حلقه‌های سیم‌پیچ ثانویه از سیم‌پیچ اولیه بیشتر باشد، ولتاژ افزایش می‌یابد و اگر کمتر باشد، کاهش پیدا می‌کند. وقتی برق ورودی از حلقه‌های سمت بالادست ترانسفورماتور عبور می‌کند، در هسته میدان مغناطیسی شکل می‌گیرد. این میدان در حلقه‌های سوی دیگر دستگاه ولتاژی القا می‌کند و به این ترتیب انرژی می‌تواند با ولتاژی جدید به جریان خود ادامه دهد. این فرایند القای مغناطیسی نام دارد.

سردجان لوکیچ، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، می‌گوید ترانسفورماتورها ستون فقرات انتقال و توزیع برق‌اند. ترانسفورماتورها علاوه بر افزایش و کاهش ولتاژ، اغلب جداسازی گالوانیکی را نیز فراهم می‌کنند؛ یعنی هیچ مسیر الکتریکی مستقیمی از میان آن‌ها عبور نمی‌کند. این ویژگی می‌تواند به محدودکردن انتشار اختلال در شبکه برق و افزایش ایمنی کمک کند.

لوکیچ می‌گوید مشکل این است که ترانسفورماتورهای امروزی بزرگ و حجیم‌اند و تعویض آن‌ها نیز دشوار و پرهزینه است.

گزینه‌ای حالت‌جامد

ترانسفورماتورهای حالت‌جامد در اصل الکترونیک قدرت، یعنی نیمه‌رساناهایی را که برق را تبدیل و کنترل می‌کنند، به طرح معمول ترانسفورماتورهای امروزی اضافه می‌کنند.

ترانسفورماتور متداول با فرکانس بخشی از شبکه برق که به آن متصل است کار می‌کند، اما ترانسفورماتور حالت‌جامد فرکانس جریان را کنترل می‌کند. ترانسفورماتور حالت‌جامد معمولاً ابتدا برق متناوب ورودی از شبکه را به برق جریان مستقیم تبدیل می‌کند و سپس با استفاده از کلیدهایی ساخته‌شده از نیمه‌رساناهایی مانند سیلیکون کاربید، آن را به برق متناوبی با فرکانس بالاتر تبدیل می‌کند. 

در مرحله بعد، یک جزء مغناطیسی ولتاژ را تغییر می‌دهد. از آنجا که نیمه‌رساناهای پیشرفته به ترانسفورماتورها امکان می‌دهند کنترل زیادی بر فرکانس و پایداری جریان داشته باشند، هسته مغناطیسی می‌تواند بسیار کوچک‌تر از هسته ترانسفورماتور متداول باشد. لوکیچ می‌گوید برخی از این ترانسفورماتورها تقریباً یک‌دهم اندازه نمونه‌های متداول‌اند، اما ظرفیت یکسانی دارند.

در نهایت، الکترونیک قدرت اضافی، برق را از جریان متناوبِ پرفرکانس به شکل موردنیاز تبدیل می‌کند؛ این شکل معمولاً ابتدا جریان مستقیم و سپس جریان متناوبِ کم‌فرکانس است.

امروزه تنها وظیفه بسیاری از ترانسفورماتورها افزایش و کاهش ولتاژ است. اما ترانسفورماتورهای حالت‌جامد کارهای بسیار بیشتری انجام می‌دهند. آن‌ها وظایف دستگاه‌هایی مانند یکسوسازها و اینورترها را نیز بر عهده می‌گیرند؛ دستگاه‌هایی که برق متناوب را به جریان مستقیم و برعکس تبدیل می‌کنند. این کار باعث کاهش فضای اشغال‌شده توسط تجهیزات برقی می‌شود و می‌تواند میزان اتلاف برق در سامانه را کم کند.

در ماه اوت، سازمان برق نیویورک و مؤسسه پژوهش برق (EPRI) یک ترانسفورماتور حالت‌جامد یک‌مگاواتی را در شرایطی نزدیک به شرایط واقعی شرکت‌های برق، در محل آزمایش EPRI آزمایش کردند. لوکیچ می‌گوید این دستگاه در آزمایشگاه او ساخته شده بود و نخستین آزمایش از این نوع روی ترانسفورماتوری با چنین ظرفیتی بود. 

به گفته لوکیچ، نمونه اولیه حدود ۹۸ درصد بازده داشت؛ یعنی فقط ۲ درصد از انرژی ورودی را از دست می‌داد. در مقایسه، یک ترانسفورماتور متداول و یکسوسازِ هم‌ارز، در مجموع حدود ۹۶ درصد بازده داشتند. لوکیچ می‌گوید اختلاف ۲ درصدی شاید ناچیز به نظر برسد، اما اهمیت دارد؛ زیرا ترانسفورماتور حالت‌جامد می‌تواند اتلاف برق تجهیزات متداول را به نصف کاهش دهد. 

لوکیچ می‌گوید یکی از اهداف اصلی این پروژه، کمک به شرکت‌های برق برای افزایش اعتمادشان به این قطعات جدید بود. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا ممکن است در آینده از این دستگاه‌ها در شبکه برق استفاده شود. در کوتاه‌مدت، ترانسفورماتورهای حالت‌جامد می‌توانند در مراکز داده برای تأمین برق رک‌های سرور به کار گرفته شوند. 

این نمونه اولیه هنوز سامانه‌ای با ولتاژ نسبتاً پایین است و با حدود ۱۵٬۰۰۰ ولت کار می‌کند. مراکز صنعتی مانند مراکز داده بزرگ‌تر معمولاً به اتصالات ولتاژ بالاتری نیاز دارند و خطوط انتقال نیز عموماً با ولتاژ صدها هزار ولت کار می‌کنند. سازگارکردن ترانسفورماتورهای حالت‌جامد با این ولتاژهای بالاتر، به توسعه مهندسی بیشتری نیاز دارد. با این حال، لوکیچ می‌گوید این آزمایش با موفقیت نشان داد که ترانسفورماتورهای حالت‌جامد می‌توانند در شرایط واقعی کار کنند. 

لوکیچ می‌گوید شرکت‌هایی که روی توسعه ترانسفورماتورهای حالت‌جامد کار می‌کنند، در حال حاضر عمدتاً بر مراکز داده متمرکز شده‌اند. سرمایه زیادی برای پشتیبانی از توسعه این فناوری جدید سرازیر شده و ولتاژ موردنیاز آن‌ها به اندازه ولتاژ ترانسفورماتورهای بزرگ‌تری نیست که برای انتقال برق در مسافت‌های طولانی به کار خواهند رفت. 

در ماه فوریه، Heron Power برای تجاری‌سازی ترانسفورماتور حالت‌جامد خود که شرکت آن را Heron Link می‌نامد، ۱۴۰ میلیون دلار سرمایه جذب کرد. درو باگلینو، بنیان‌گذار و مدیرعامل شرکت، می‌گوید این فناوری می‌تواند در مراکز داده، نیروگاه‌های خورشیدی و باتری‌های شبکه به کار رود. باگلینو می‌گوید شرکت اکنون آزمایش این فناوری را در مقیاس‌های بزرگ‌تر آغاز کرده است. قرار است به‌زودی باتری‌هایی با ظرفیت ۱۰ مگاوات‌ساعت در دفتر مرکزی Heron در اسکاتس ولیِ کالیفرنیا، با استفاده از ترانسفورماتورهای این شرکت آزمایش شوند. باگلینو می‌گوید شرکت همچنین برای اجرای یک طرح آزمایشی در یک نیروگاه خورشیدی نزدیک برنامه‌ریزی می‌کند.

یکی از چالش‌های ترانسفورماتورهای حالت‌جامد این است که الکترونیک قدرت آن‌ها بیش از ترانسفورماتورهای متداول در معرض انواع خرابی قرار دارد. در یک دستگاه سنتی، بروز خرابی معمولاً به از مدار خارج‌شدن کل دستگاه و در نتیجه قطع برق می‌انجامد. اما باگلینو می‌گوید Heron در طراحی‌هایش این مسئله را در نظر می‌گیرد: شرکت از طراحی ماژولار استفاده می‌کند و دستگاه‌های کوچک متعددی را به کار می‌گیرد که با هم کار می‌کنند. اگر یکی از آن‌ها از کار بیفتد، بقیه سامانه تا زمان تعویض بخش معیوب به کار خود ادامه می‌دهند و برای این کار نیازی به خاموش‌کردن کل سامانه نیست.

Heron Power اکنون در کالیفرنیا کارخانه‌ای به ارزش ۱۰۰ میلیون دلار برای تولید ترانسفورماتورهای پیشرفته می‌سازد. قرار است تولید در این کارخانه در سال ۲۰۲۷ آغاز شود و ظرفیت تولید آن در سال ۲۰۲۹ به حداکثر، یعنی ترانسفورماتورهایی با ظرفیت مجموع ۴۰ گیگاوات در سال، برسد.  

آینده شبکه برق

بنجامین بوچر، تحلیلگر زنجیره تأمین در Wood Mackenzie، می‌گوید شرکت‌های تولیدکننده تجهیزات شبکه برق در سال‌های اخیر ۱٫۷ میلیارد دلار در زنجیره تأمین ترانسفورماتورهای قدرت در آمریکا سرمایه‌گذاری کرده‌اند؛ ترانسفورماتورهایی که در انتقال برق با ولتاژ بالا به کار می‌روند. او اضافه می‌کند که ۱٫۳ میلیارد دلار دیگر نیز در ترانسفورماتورهای توزیع سرمایه‌گذاری شده است؛ دستگاه‌های کوچک‌تری که به تبدیل برق برای خانه‌ها و کسب‌وکارها کمک می‌کنند. 

اما حتی این سرمایه‌گذاری هم با رشد سریع شبکه برق همگام نیست. زمان انتظار برای ترانسفورماتورهای بزرگ متداول ــ از آن نوع که برای اتصال نیروگاه‌های جدید، خطوط انتقال برق در مسافت‌های طولانی و مراکز پرمصرفی مانند مراکز داده لازم‌اند ــ به پنج سال هم رسیده است.

بوچر می‌گوید: «ترانسفورماتورها به یکی از بزرگ‌ترین گلوگاه‌ها برای شرکت‌های برق، توسعه‌دهندگان نیروگاه‌ها و حتی مراکز داده تبدیل شده‌اند.» او می‌گوید چالش اصلی این است که راه‌اندازی تولید ترانسفورماتورهای جدید دشوار است، چون فرایندی بسیار تخصصی است و به نیروی کار ماهر زیادی نیاز دارد. به گفته بوچر، حتی کارخانه‌هایی که راه‌اندازی‌شان سال‌ها پیش اعلام شده، هنوز چند سال با آغاز فعالیت فاصله دارند.

ترانسفورماتورهای حالت‌جامد می‌توانند بخشی از این فشار را کاهش دهند. اما لوکیچ می‌گوید ساخت ترانسفورماتورهای حالت‌جامدِ ولتاژبالا برای اتصال نیروگاه‌ها و خطوط انتقال، هدف نهایی این فناوری است. فناوری حالت‌جامد موجود هنوز برای این کاربردها مناسب نیست؛ بنابراین، صنعت باید مواد و طراحی‌های تازه‌ای توسعه دهد تا از ولتاژهای بالا پشتیبانی کند و برق را در دستگاهی کوچک، ایمن مدیریت کند.

بوچر می‌گوید: «با خطر بزرگی در زیرساخت شبکه برق روبه‌رو هستیم. بدون ترانسفورماتورها، عملاً شبکه برق ندارید.»