Dünya genelinde enerji talebi kısmen yapay zekayı (YZ) destekleyen ve yüksek güç tüketen veri merkezleri ile üretimdeki büyüme nedeniyle hızla yükseliyor. Genişleyen enerji ihtiyaçlarını karşılamak, bugün küresel ölçekte acil bir zorluk haline geldi.
Mevcut elektriği daha verimli ve düşük maliyetle kullanmak, gelecek vaat eden stratejilerin başında yer alıyor. Bu hedef doğrultusunda çalışan NREL araştırmacıları, silisyum karbür tabanlı yeni bir güç modülü geliştirdi. Sistemler arasındaki elektrik trafiğini düzenleyen elektronik aksamları barındıran anılan parça, verimlilik, güç yoğunluğu ve üretilebilirlik açısından daha önce ulaşılamamış seviyeler sunuyor.
Söz konusu teknoloji, NREL’in Ultra-Low Inductance Smart (Ultra Düşük Endüktanslı Akıllı) güç modülü veya kısa adıyla ULIS olarak biliniyor. Silisyum karbür yarı iletkenler üzerine inşa edilen ULIS, daha küçük bir alan kaplamasına rağmen eski tasarımların beş katı enerji yoğunluğu sağlıyor. Bu durum, üreticilerin daha kompakt, hafif ve enerji tasarruflu ekipmanlar tasarlamasının önünü açıyor. 1200 volt ve 400 amper değerine sahip olan modül; veri merkezlerinden elektrik şebekelerine, mikro reaktörlerden yeni nesil hava araçları ve askeri araçlara kadar pek çok zorlu alan için özel olarak tasarlandı.
ULIS’in temel avantajı, elektrik akımının değişim hızını sınırlayan bir direnç türü olan parazitik endüktansın olağanüstü düşük seviyede olması. Bahsi geçen direnç, güç dönüşümündeki en büyük engellerden biri kabul ediliyor. ULIS, parazitik endüktansı günümüzün önde gelen modüllerine kıyasla yedi ila dokuz kat oranında azaltıyor. Elektrik akımını son derece hızlı ve verimli anahtarlayabildiği için aynı kaynaktan daha fazla kullanılabilir güç elde edilmesini sağlıyor; özellik artan enerji talebini karşılama konusunda modülü güçlü bir aday haline getiriyor.
NREL baş araştırmacısı Faisal Khan, “ULIS’i gerçek bir atılım olarak görüyoruz.” diyor. Khan sözlerini şöyle sürdürüyor: “Geleceğe hazır, ultra hızlı olan anılan güç modülü; yeni nesil güç dönüştürücülerini daha uygun maliyetli, verimli ve kompakt hale getirecek.”
Araştırmacı ayrıca ULIS’in havacılık ve askeri sistemler gibi yüksek stresli ortamlar için özellikle uygun olduğunu not ediyor. Güçlü ve hafif olmasının yanı sıra modül, kendi durumunu sürekli takip ediyor ve bileşen arızalarını gerçekleşmeden önce tahmin edebiliyor. Deniz seviyesinden 30.000 fit yükseklikte faaliyet gösteren hava araçları veya muharebe bölgelerinde konuşlandırılan askeri araçlar için anılan güvenilirlik seviyesi kritik bir önem taşıyor.
ULIS Tamamen Yeni ve Düşük Maliyetli Bir Tasarıma Sahip
ULIS’in başarısının arkasında, bütünüyle yeni olan tasarımı yatıyor.
Yarı iletkenleri tuğla benzeri kutulara yerleştiren klasik tasarımların aksine ULIS, devrelerini sekizgen ve düz bir yapı etrafında şekillendiriyor. Disk benzeri şekil, daha fazla cihazın daha küçük bir alana sığmasını sağlayarak paketi hafifletiyor. Aynı zamanda özgün akım yönlendirme yöntemi sayesinde manyetik akı iptali en üst düzeye çıkıyor ve özellik modülün ultra yüksek verimlilikle çalışmasına olanak tanıyor.
ULIS’in akı iptal mimarisini tasarlayan Shuofeng Zhao, “En büyük endişemiz, cihazın çok hızlı açılıp kapanmasıydı ve tasarım içinde bir tıkanıklık noktası yaratmayacak bir yerleşime ihtiyacımız vardı.” diyor.
Zhao, orijinal yerleşim planlarından birinin her taç yaprağının ucunda bir yarı iletken bulunan bir çiçeğe benzediğini belirtiyor. Başka bir fikir ise bileşenlerin içeriye kablolandığı içi boş bir silindir oluşturmaktı. Ekibin aklına gelen her fikir ya çok pahalıydı ya da üretimi zordu, ta ki araştırmacılar üç boyutlu düşünmeyi bırakıp tasarımı neredeyse iki boyuta indirene kadar. Sarwar Islam tarafından geliştirilen 2D yapı, karmaşıklığı maliyetle dengelerken üretimi de kolaylaştırdı.
Zhao, “Onu bir pankek gibi dümdüz ettik ve aniden üretimi çok daha kolay, düşük maliyetli ve yüksek performanslı bir tasarıma sahip olduk.” şeklinde konuşuyor.
Diğer bir araştırmacı Joshua Major, ULIS’in karmaşık mimarisini sadece NREL laboratuvar imkanlarını kullanarak ucuza inşa etmek için çeşitli üretim inovasyonları ortaya koydu. Ekibin bir 3D (üç boyutlu) tasarımın yüksek elektriksel performansı ile düz ve üretim dostu bir yerleşim düzeni arasında bulduğu o ince denge, ULIS’in tam potansiyelini açığa çıkardı.
İkinci olarak, geleneksel güç modüllerinin hacimli ve esnek olmayan malzemelerine karşılık ULIS yeni bir yaklaşım benimsiyor.
Geleneksel tasarımlar, bakır levhaların doğrudan bir seramik tabana bağlanmasını gerektiriyor; bu çözüm etkili olsa da sert bir yapı sunuyor. ULIS ise bakırı Temprion adlı esnek bir polimere bağlayarak daha ince ve hafif bir tasarım oluşturuyor.
Malzeme sadece basınç ve ısı kullanarak bakıra kolayca bağlandığı için ULIS hızlı ve ucuz bir şekilde üretilebiliyor. Üretim maliyetleri binlerce dolardan sadece yüzlerce dolara kadar düşüyor.
Üçüncü bir atılım olarak ULIS, dış kablolara ihtiyaç duymadan kablosuz olarak kontrol edilebiliyor. Lego benzeri modüler yapısı sayesinde veri merkezlerinden askeri araçlara kadar her sisteme kolayca entegre oluyor. Söz konusu düşük gecikmeli kablosuz iletişim protokolünün patent süreci devam ediyor.
Son olarak araştırmacılar tasarımı kasten “geleceğe hazır” hale getirdi. ULIS, silisyum karbürün yanı sıra galyum nitrür ve hatta galyum oksit gibi geleceğin yarı iletken teknolojilerine de uyum sağlayacak şekilde ölçeklenebiliyor.
Her bir yenilik tek bir ana fikre katkıda bulunuyor: Kesintisiz elektriğe ihtiyaç duyduğumuz bir dünyada ULIS güvenilirlik sağlıyor.
ULIS’in Yüksek Yoğunluklu Uygulamalar için Bilinçli Tasarımı Etki Yaratmaya Hazırlanıyor
ULIS nerelerde etki yaratabilir?
- ABD güç şebekesini modernize etmek: Şebekeye giren elektriğin dönüştürülmesi günümüzde hantal transformatörlere dayanıyor. ULIS, hızlı anahtarlama kapasitesiyle tüketicilere daha fazla enerji ulaştırırken bakım masraflarını da düşürüyor.
- Gelişmiş hava araçlarını mümkün kılmak: Hafif yapısı ve verimliliği ile “uçan taksiler” olarak bilinen eVTOL araçlarının ticari olarak yaygınlaşmasını destekliyor.
Şehirleri ve veri merkezlerini füzyon yoluyla beslemek: Geleceğin füzyon tabanlı enerji sistemleri için gerekli olan darbeli güç bileşenlerini, ultra düşük endüktanslı yapısıyla mümkün kılıyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com/a-tiny-power-module-could-help-solve-the-worlds-growing-energy-crisis/
