A procura global de electricidade está a crescer rapidamente. Os data centers habilitados para IA com uso intensivo de energia, juntamente com a expansão da produção, estão exercendo uma pressão sem precedentes sobre os sistemas de energia em todo o mundo. Atender a esta procura exigirá mais do que apenas gerar electricidade adicional.
Uma das soluções promissoras é o uso muito mais eficiente e menor das fontes de energia existentes.
Uma nova abordagem para a eficiência energética
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) desenvolveram um novo módulo de energia baseado em carboneto de silício projetado para melhorar drasticamente a forma como a eletricidade é convertida e entregue. O módulo de potência é o invólucro que contém a eletrônica de potência que regula o fluxo de eletricidade entre os sistemas. Este novo design proporciona eficiência recorde, maior densidade de potência e um processo de fabricação que mantém os custos baixos.
A tecnologia é conhecida como Módulo de potência inteligente de indutância ultrabaixa do NREL, ou ULIS. Usando semicondutores de carboneto de silício, o ULIS pode atingir cinco vezes a densidade de energia dos projetos anteriores, ocupando menos espaço. Essa combinação permite que os fabricantes criem equipamentos menores, mais leves e com maior eficiência energética. O módulo de 1.200 volts e 400 A é adequado para data centers, redes de energia, microrreatores e plataformas pesadas, como aeronaves e veículos militares de próxima geração.
Por que a indutância ultrabaixa é importante
Uma das principais vantagens do ULIS é a sua indutância parasita excepcionalmente baixa, que se refere à resistência que retarda as mudanças na corrente elétrica e limita a conversão eficiente de energia. O ULIS reduz essa resistência por um fator de sete a nove em comparação com os módulos de potência de carboneto de silício atuais mais avançados.
Como o sistema pode alternar a corrente elétrica de forma extremamente rápida e eficiente, ele converte mais eletricidade disponível em eletricidade útil. Esta capacidade permite ao ULIS extrair muito mais valor dos mesmos fornecimentos de energia, tornando-o um forte candidato para satisfazer as crescentes necessidades energéticas globais.
“Vemos o ULIS como um verdadeiro avanço”, disse Faisal Khan, principal investigador do NREL para eletrônica de potência e principal investigador do projeto. “Este é um módulo de energia ultrarrápido e preparado para o futuro que tornará a próxima geração de conversores de energia mais acessível, eficiente e compacto.”
Construído para oferecer confiabilidade em ambientes extremos
O ULIS foi projetado não apenas para eficiência, mas também para confiabilidade em ambientes desafiadores. De acordo com Hahn, o módulo leve, mas poderoso, pode monitorar sua própria integridade e prever falhas de componentes antes que elas aconteçam.
Esse recurso é especialmente importante para aplicações de alto risco, como aviação e operações militares. Para aeronaves operando a 30.000 pés ou veículos operando em zonas de combate, a detecção precoce de falhas pode ser a diferença entre o sucesso da missão e uma perda catastrófica.
“ULIS foi realmente um esforço orgânico criado inteiramente aqui no NREL”, disse Hahn. “Estamos muito entusiasmados em demonstrar seus pontos fortes em um ambiente do mundo real.”
Redesenho radical para menor custo de produção
Muitas das melhorias de desempenho do ULIS vêm de um design físico totalmente novo.
Os módulos de potência tradicionais consistem em dispositivos semicondutores dentro de embalagens tipo caixa. Em vez disso, o ULIS tem um layout octogonal plano. Essa estrutura em forma de disco reúne mais componentes em um espaço menor, reduzindo o tamanho e o peso. Ao mesmo tempo, seu inovador roteamento de corrente minimiza a interferência magnética, ajudando a fornecer uma saída elétrica mais limpa e maior eficiência geral.
“Nossa principal preocupação era que o dispositivo ligasse e desligasse muito rapidamente, e precisávamos de um layout que não criasse gargalos no design”, disse Shuofeng Zhao, pesquisador de eletrônica de potência do NREL que projetou a arquitetura de cancelamento de fluxo ULIS.
Os primeiros conceitos exploravam formas tridimensionais complexas, incluindo desenhos que lembravam flores ou cilindros ocos. No entanto, estas ideias revelaram-se demasiado caras ou difíceis de fabricar. A inovação ocorreu quando a equipe simplificou o conceito em uma estrutura quase bidimensional. Sarwar Islam, outro pesquisador de eletrônica de potência do NREL, propôs um design plano que equilibrava desempenho, custo e capacidade de fabricação.
“Nós o esmagamos como uma panqueca”, disse Zhao, “e de repente tivemos um design de baixo custo e alto desempenho que era muito mais fácil de fabricar”.
Joshua Major, que também fazia parte da equipe de eletrônica de potência do NREL, desenvolveu novas técnicas de fabricação que possibilitaram produzir a complexa estrutura utilizando apenas suas próprias ferramentas e equipamentos. O resultado é um projeto que combina as vantagens elétricas dos sistemas tridimensionais com a praticidade da fabricação plana.
Materiais flexíveis e controle sem fio
O ULIS também se afasta dos materiais convencionais. Os módulos de energia tradicionais ligam o cobre diretamente a substratos cerâmicos sólidos para conduzir eletricidade e gerenciar o calor. Embora esta abordagem seja eficaz, limita a flexibilidade.
Em vez disso, o ULIS liga o cobre a um polímero flexível chamado Temprion. Essa mudança cria uma estrutura mais fina, leve e adaptável. O material se liga ao cobre usando apenas calor e pressão, e seus componentes podem ser usinados usando equipamentos amplamente disponíveis. Como resultado, os custos de produção são calculados em centenas de dólares, não em milhares.
Outro avanço importante permite que o ULIS funcione em uma rede sem fio. O módulo pode ser controlado e monitorado sem cabos físicos, funcionando como uma unidade autônoma. Este design modular semelhante ao Lego permite que ele seja integrado a uma ampla gama de sistemas, desde servidores de data centers até aeronaves modernas e veículos militares. Uma patente para um protocolo de comunicação sem fio de baixa latência liderado por Sarwar Islam está atualmente pendente.
Construído para a tecnologia do futuro
Embora o ULIS atualmente dependa de semicondutores avançados de carboneto de silício, o projeto foi deliberadamente projetado para desenvolvimento. O módulo pode ser adaptado para futuros materiais semicondutores, incluindo nitreto de gálio e óxido de gálio, que ainda não atingiram uso comercial.
Juntas, essas inovações apoiam o objetivo final. À medida que a sociedade se torna cada vez mais dependente de eletricidade fiável, o ULIS foi concebido para proporcionar eficiência sem comprometer a fiabilidade.
Onde o ULIS pode fazer a maior diferença
Espera-se que o ULIS tenha um amplo impacto em vários setores.
Na rede eléctrica dos EUA, a electricidade deve ser convertida em formas utilizáveis antes de chegar aos consumidores. Este processo muitas vezes depende de equipamentos grandes e de baixa frequência que desperdiçam energia. A comutação rápida do ULIS melhora a eficiência e a sua capacidade de suportar altas temperaturas pode reduzir os custos de manutenção a longo prazo.
Na aviação, a capacidade do módulo de transportar eletricidade rapidamente e economizar energia permite transdutores mais leves e potentes. Isso poderia ajudar a tornar as aeronaves elétricas de decolagem e pouso vertical (eVTOL) mais práticas e comercialmente viáveis.
O ULIS também pode desempenhar um papel em futuros sistemas de energia de fusão. Embora a fusão comercial continue em desenvolvimento, estes sistemas exigirão componentes de energia pulsada compactos e confiáveis. A indutância ultrabaixa e a construção robusta do ULIS o tornam adequado para esta tarefa.
À medida que as indústrias avançam em direção a uma eletricidade mais fiável, à inteligência artificial avançada e aos veículos da próxima geração, o ULIS está agora disponível para licenciamento.
