Il professore spera di rivoluzionare i trasformatori di potenza

Per più di 100 anni, la tecnologia alla base delle reti elettriche è rimasta sostanzialmente la stessa. Le centrali elettriche generano corrente alternata (CA) che i trasformatori "aumentano" per la trasmissione su lunghe distanze e poi "diminuiscono" per l'uso nelle nostre case, uffici e ambienti industriali.

Man mano che il mondo riduce l’uso di combustibili fossili e le fonti di energia rinnovabile diventano più diffuse, lo stoccaggio dell’energia diventerà sempre più importante per una fornitura costante e le batterie immagazzinano l’elettricità come corrente continua (CC).

Sebbene una maggiore quantità di energia verde, come quella solare ed eolica, sia fondamentale per combattere il cambiamento climatico, ci sono ovviamente momenti in cui i cieli sono nuvolosi, bui o calmi. La soluzione è immagazzinare energia extra durante i picchi di generazione e poi distribuirla nella rete secondo necessità in seguito.

L'avvento dei dispositivi a semiconduttore di potenza con gap a banda larga ha portato alla realizzazione di trasformatori a stato solido (SST) più piccoli e leggeri. Si basano tuttavia su convertitori bidirezionali AC-DC e DC-DC convenzionali, quindi hanno bassa efficienza, scarsa affidabilità e costi più elevati a causa di stadi multipli che coinvolgono molti dispositivi di potenza, risposta transitoria lenta e filtri di ingresso altrettanto grandi e ingombranti come i trasformatori che intendono eliminare.

Il professore assistente Pritam Das, membro della facoltà del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica presso il Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science dell'Università di Binghamton, ha studiato vari aspetti di una migliore integrazione dei convertitori AC-DC e DC-DC bidirezionali con l'isolamento galvanico ad alta frequenza con l’obiettivo a lungo termine di far avanzare in modo significativo la tecnologia SST.

"Lo stoccaggio dell'energia sotto forma di energia elettrochimica sotto forma di batterie agli ioni di litio o batterie a flusso redox sarà uno dei modi principali per mitigare l'intermittenza in questi tipi di sistemi energetici basati su energie rinnovabili", ha affermato Das.

Un premio CARRIERA quinquennale da 537.959 dollari della National Science Foundation annunciato ad aprile darà a Das i finanziamenti per ripensare il modo in cui gli SST vengono realizzati e funzionano. Una sovvenzione CARRIERA sostiene i docenti all'inizio della carriera che hanno il potenziale per fungere da modelli accademici nella ricerca e nell'istruzione.

"Questi nuovi SST avranno il 25% in meno di componenti rispetto a quelli utilizzati ora", ha affermato. "Saranno inoltre il 40% più densi di potenza, il 5% più efficienti, da cinque a sei volte più veloci per la risposta ai transitori, il 30% più economici e conformi agli standard come IEEE 1547 [che regola il modo in cui i sistemi di alimentazione dei servizi pubblici e le risorse energetiche distribuite come l'energia eolica e i generatori solari sono collegati]. Con questi vantaggi, i nuovi SST contribuiscono alla decarbonizzazione della rete elettrica per un futuro più sostenibile."

Si prevede che le applicazioni per i sistemi di accumulo dell’energia tramite batterie come parte della rete elettrica supereranno i 4.000 terawattora negli Stati Uniti entro il 2030, e l’utilizzo dei nuovi SST derivanti da questa ricerca per l’integrazione nella rete dei soli sistemi di accumulo dell’energia ridurrebbe le perdite durante l’alimentazione. conversione per l’accumulo di energia di circa 400 gigawattora.

Poiché occupano meno spazio, i nuovi SST saranno fondamentali per il trasporto pubblico nelle aree urbane utilizzando autobus elettrici, taxi elettrici a decollo e atterraggio verticale (VTOL) e altri veicoli, data center e altre applicazioni in cui ciò che Das definisce "buono" vecchi trasformatori" sono impossibili da installare.

"Si hanno i vantaggi di installare facilmente sistemi di ricarica per veicoli elettrici in luoghi congestionati, dove collegare un trasformatore di frequenza di linea e mantenerlo è una grande seccatura", ha affermato.

Das è grato ai suoi studenti ora laureati per il loro aiuto nella sua ricerca finora: Sunil Dube, PhD '22, che ha vinto il Distinguished Dissertation Award; e i ricercatori post-dottorato Watson Kalyan Yenduri e Ramu Nair.

Per garantire che più persone vengano formate nell'elettronica di potenza all'avanguardia sulla base della sua ricerca sugli SST, il CAREER Award di Das prevede una partnership con il SUNY Broome Community College e il suo dipartimento di scienze ingegneristiche per reclutare studenti e professionisti sul campo, soprattutto le minoranze e le donne sottorappresentate. Sa che ci sono più opportunità in vista per coloro che possono rispondere alle sfide del cambiamento climatico.