أخبار التكنولوجيا

كيف ستساعد التقنيات الإلكترونية المتقدمة الشركات المصنعة على الاستفادة من فرص إزالة الكربون



على المستوى الوطني والعالمي، تركز سياسات إزالة الكربون وإنهاء اعتماد العالم على طاقة الوقود الأحفوري على عدد صغير من التقنيات عالية التأثير:

  • تركيب مزارع الرياح بقدرة متعددة الجيغاوات ومزارع الطاقة الشمسية
  • التوسع في توليد الانشطار النووي واستمرار الاستثمار في الاندماج النووي
  • استبدال محركات الاحتراق بالمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية، وكذلك الطائرات التي تعمل بالطاقة الكهربائية

ويهيمن عدد صغير من الشركات المصنعة العالمية على إنتاج البنية التحتية للطاقة والتقنيات الجديدة لدعم هذه الأنظمة.

لكن تحقيق هدف صافي الصفر يتطلب إزالة الكربون والكهرباء عبر كل أنواع التطبيقات المستهلكة للطاقة تقريبًا، الكبيرة والصغيرة، مع استثناءات قليلة. وهذا له آثار مثيرة للاهتمام بالنسبة للآلاف من الشركات الصغيرة والمتوسطة الحجم المصنعة للمنتجات الإلكترونية في أوروبا. إن فرص الابتكار في تصميم المعدات الأصغر حجما وفيرة، وكثيرا ما تكون الشركات المصنعة للمعدات الأصلية العالمية الكبرى غير مجهزة لسد الثغرات في الأسواق التي تخرج من الاتجاه نحو إزالة الكربون.

ومن ناحية أخرى، يمكن لمصنعي المنتجات الصغيرة الاستفادة من هذه الفرص الجديدة. وفي كثير من الحالات، يمكنهم القيام بذلك من خلال الاستفادة من الميزات والقدرات المتوفرة في أحدث المكونات الإلكترونية.

فرص إزالة الكربون على نطاق أقل من الشبكة

باعتبارها موزعًا واسع النطاق للمكونات الإلكترونية يخدم قاعدة عملاء متنوعة من الشركات المصنعة للمنتجات الصناعية والاتصالاتية والاستهلاكية، تتمتع شركة Future Electronics برؤية شاملة للاتجاهات في التطبيقات وتصميم الأنظمة عبر قارة أوروبا. ومن الواضح لنا أن التوجه نحو إزالة الكربون ــ الذي تقوده الحكومات والشركات والمستهلكون ــ يعمل على خلق فرص جديدة في ثلاثة مجالات على وجه الخصوص.

الأول هو في حصاد الطاقة الشمسية. ويرجع ذلك جزئيًا إلى العوامل الجيوسياسية: فقد قرر العالم الغربي “إزالة المخاطر” من علاقته مع الصين، وسوف يتضمن هذا قدرًا كبيرًا من إعادة إنتاج التقنيات الرئيسية إلى الوطن، بما في ذلك توليد الطاقة الكهروضوئية. لذا فإن تصنيع الألواح الشمسية، الذي يتم اليوم بشكل كامل تقريبًا في المصانع الصينية العملاقة، من المرجح أن يعود جزئيًا إلى أوروبا وأمريكا الشمالية. وهذا يخلق فرصًا للمصنعين الأوروبيين للحصول على حصة غير متوقعة من السوق المغلقة سابقًا.

وعلى المستوى الجزئي، يكون النمو في حصاد الطاقة الشمسية مدفوعًا بالابتكار في التكنولوجيا الإلكترونية التي تدعم حالات الاستخدام الجديدة. وعلى وجه الخصوص، يتيح تجميع الطاقة الشمسية إمكانية إنشاء بنية جديدة لأنظمة الاستشعار. عندما يمكن فصل أجهزة الاستشعار والمشغلات اللاسلكية المستقلة التي لا تحتاج إلى بطارية تمامًا عن طاقة الشبكة ولا تحتاج إلى شحن البطارية أو استبدالها طوال عمرها الافتراضي، يصبح من الممكن إعادة التفكير تمامًا في طريقة تحديد موقعها واستخدامها. إن التحسن في تكنولوجيا تحويل واستخدام الطاقة الشمسية المحصودة يجعل هذا التغيير ممكنا.

المجال الثاني للتغيير المدفوع بإزالة الكربون هو أنظمة تخزين الطاقة (ESSes). على المستويين الوطني والإقليمي، يأمل مشغلو البنية التحتية للكهرباء في استخدام مصادر مختلفة من الطاقة المخزنة لموازنة التقلبات في الطاقة المولدة من مصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وبطريقة أو بأخرى، سيتم استخدام الحوافز المالية لتشجيع الأسر والشركات على نشر المعايير البيئية والاجتماعية والسماح بتبادل الطاقة الكهربائية في الاتجاهين لتحقيق التوازن في الشبكة. لا يزال الابتكار في التصميم مطلوبًا لجعل أنظمة مثل بطاريات السيارات الكهربائية المعاد استخدامها قابلة للاستخدام في الأنظمة البيئية السكنية والتجارية ولتمكين تبادل الطاقة ثنائي الاتجاه عند الطلب. هنا، أصبح تطبيق تكنولوجيا أشباه الموصلات الجديدة – أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة المصنوعة من كربيد السيليكون – ضروريًا لتحقيق كفاءة تحويل أعلى مما هو ممكن مع أشباه موصلات السيليكون.

الفرصة الثالثة هي في القياس، وخاصة في قياس التيار المستمر عند نقطة التحميل. لكي ينتشر اعتماد أنظمة ESS على نطاق واسع، سيحتاج أصحاب معدات ESS إلى الشعور بالثقة بأنهم يحصلون على أموال صحيحة مقابل الطاقة التي يزودونها بالشبكة ويتم إصدار فواتير استهلاكهم بشكل صحيح – وهذا يتطلب عدادات مخصصة.

مثال آخر هو البنية التحتية العامة لشحن السيارات الكهربائية. يتم شحن بطاريات السيارات الكهربائية بشكل أساسي بالتيار المباشر، ولكن عدادات درجة المنفعة المستخدمة في محطات الشحن العامة تقيس عادةً طاقة التيار المتردد التي تستهلكها معدات الشحن. سوف يعترض سائقو المركبات الكهربائية، أو الجهات التنظيمية التي تمثلهم، في النهاية على فرض رسوم على مدخلات التيار المتردد عندما تأتي القيمة بالنسبة لهم من خرج التيار المستمر المزود لبطارية السيارة. يكافئ قياس التيار المتردد مشغلي محطات الشحن على تركيب أجهزة الشحن التي تحتوي على مرحلة تحويل تيار متردد/تيار مستمر رخيصة ولكنها غير فعالة وتعاقب سائق السيارة الكهربائية. وقبل مرور وقت طويل، من المحتمل أن يطلب سوق السيارات الكهربائية استخدام عدادات دقيقة للتيار المستمر عند نقطة التحميل لقياس الطاقة التي يتم توفيرها لبطارية السيارة.

ومن المرجح أن تفتح مثل هذه المتطلبات التنظيمية، إذا تحققت، سوق القياس أمام شركات جديدة ومبتكرة من شأنها أن تفتت السوق، بنفس الطريقة التي حدثت في سوق محولات الطاقة الشمسية.

ابتكار المكونات يولد فرصًا جديدة

الفرص واضحة للعيان. لكن السباق لتحقيق الربح منها سيعتمد إلى حد كبير على مدى نجاح الشركات المصنعة في نشر التكنولوجيا الجديدة التي تمنح الأداء أو ميزة التكلفة.

في تجميع الطاقة الشمسية على نطاق صغير لأجهزة الاستشعار اللاسلكية، تتمثل الوظيفة الحاسمة في التحويل الفائق الكفاءة لمدخلات الطاقة المحصودة إلى مخرجات مفيدة ومنظمّة لتشغيل دائرة الاستشعار. تستمر تقنية المكونات في توفير كفاءة وتكامل محسّنين – وينعكس هذا في مواصفات NEH2000BY من Nexperia، وهو IC مخصص لإدارة الطاقة (PMIC) لتجميع الطاقة الشمسية (انظر الشكل 1). يوفر هذا الجهاز محول DC/DC عالي الكفاءة، والذي يمكن أن يعمل مع مدخلات طاقة محصودة منخفضة تصل إلى 35 ميكروواط. والأهم من ذلك، أن الجهاز يطبق خوارزمية متكاملة لتتبع نقطة الطاقة القصوى، والتي تعمل باستمرار على تحسين تشغيل الدائرة لزيادة الطاقة الموردة للحمل.

جهاز PMIC لحصاد الطاقة NEH2000BY من Nexperia.
الشكل 1: يتم توفير PMIC لحصاد الطاقة NEH2000BY من Nexperia في حزمة QFN ذات 16 محطة بمساحة 3 × 3 مم.

تعمل التكنولوجيا المتقدمة أيضًا على تغيير الآفاق في مجال تخزين الطاقة: حيث تعمل أشباه الموصلات SiC ذات فجوة النطاق الواسعة على تمكين وحدات التخزين من إجراء تحويل الطاقة بشكل أكثر كفاءة، مع فقد أقل للطاقة، مقارنة بأجهزة MOSFET السيليكونية التقليدية أو IGBTs.

يتطلب الانتقال من محولات الطاقة المعتمدة على السيليكون إلى استخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (SiC) اتباع نهج تصميم مختلف: الأداء الحراري الفائق وترددات التبديل الأعلى التي تتيحها تقنية SiC يعني أن الشركات المصنعة يمكنها إعادة التفكير في المكونات الحرارية والمغناطيسية التي تستخدمها. وفقًا لشركة Infineon Technologies، فإن التغيير من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) فائقة التوصيل إلى الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (CoolSiC) يمكن أن يوفر زيادة بنسبة 2٪ تقريبًا في سعة الطاقة دون زيادة حجم البطارية.

نقطة البداية الممتازة لفريق التصميم الذي يقوم بتطوير منتج ESS جديد هي التصميم المرجعي الذي توفره شركة رائدة في تصنيع SiC MOSFET مثل Infineon أو onsemi أو STMicroelectronics. على سبيل المثال، يمكن للوحة محول DC/DC الرنانة REF-DAB11KIZSICSYSisa CLLC من Infineon توفير حمولة تصل إلى 11 كيلووات عند جهد خرج يبلغ 800 فولت (انظر الشكل 2). بفضل قدرته على تدفق الطاقة ثنائية الاتجاه عالية الكفاءة وخصائص التبديل السلس، فهو يمثل لبنة البناء المثالية للنماذج الأولية السريعة لأي تصميم ESS. كما أنها مناسبة للاستخدام في محطات شحن السيارات الكهربائية. وهو يعتمد على 1200 فولت IMZ120R030M1H CoolSiC MOSFET في حزمة TO-247، مدفوعًا بمحرك بوابة 1EDC20I12AH IC.

من المفيد أيضًا في شواحن السيارات الكهربائية ثلاثية الطور التي تم تصنيفها بما يصل إلى 11 كيلووات، استخدام TN4050HA-12GY من شركة STMicroelectronics، وهو مقوم يتم التحكم فيه بالسيليكون بقدرة 40 أمبير/1200 فولت (الثايرستور). يتميز هذا الثايرستور القوي بتصنيف تيار متدفق يبلغ 400 أمبير/10 مللي ثانية، وهو يتيح للمصمم تنفيذ محدد تيار تدفق مدمج في الشاحن الموجود على متن السيارة أو مفتاح المراحل لعاكس الطاقة الشمسية المقدر بما يصل إلى 440 فولت التيار المتردد و 11 كيلو واط.

لوحة التصميم المرجعية REF-DAB11KIZSICSYS من Infineon.
الشكل 2: لوحة التصميم المرجعية REF-DAB11KIZSICSYS من Infineon صغيرة وخفيفة الوزن، مما يسهل دمجها في تصميمات ESS.

المجال الثالث الذي تساعد فيه تكنولوجيا المكونات الشركات المصنعة الصغيرة والمتوسطة الحجم على استغلال الفرص الجديدة هو قياس التيار المستمر. إن تصميم عدادات الكهرباء ذات التيار المتردد من فئة المرافق مقيد للغاية باللوائح التنظيمية. ومع ذلك، في قياس التيار المستمر، هناك مجال لمزيد من الابتكار. عبر المجالات الوظيفية المختلفة، ستقوم أحدث التقنيات بما يلي:

  • إجراء قياس دقيق للطاقة
  • تقليل حجم ووزن وتكلفة العداد
  • توفير اتصال لاسلكي أكثر موثوقية وملاءمة وواجهة سهلة الاستخدام

نقطة البداية المفيدة لتصميم عداد التيار المستمر الجديد هي لوحة تقييم عداد الطاقة EVALSTPM-3PHISO من شركة STMicroelectronics (انظر الشكل 3). استنادًا إلى STPMS2، وهو مُعدِّل سيجما دلتا ثنائي القناة 24 بت، فإنه يقيس الجهد والتيار لكل مرحلة من مراحل التيار المتردد الثلاثة من خلال مقسم الجهد ومستشعر تيار التحويل. يسمح مرشح التمرير العالي القابل للتحديد بقياس تيار التيار المستمر والجهد.

تعمل دوائر الاستشعار وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور على زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء لتوفير أفضل دقة قياس ممكنة.

مجلس التقييم EVALSTPM-3PHISO.
الشكل 3: يقوم مجلس التقييم EVALSTPM-3PHISO بتنفيذ عداد طاقة كامل ثلاثي الطور مزود بأجهزة استشعار لتيار التحويل منخفضة التكلفة.

دعم الخبراء لاستخدام المكونات الجديدة

في جميع هذه التطبيقات وحالات الاستخدام، يمكن تسهيل استخدام تكنولوجيا المكونات الجديدة من خلال الاعتماد على خبرة مجموعة الهندسة المتقدمة في شركة Future Electronics. تضم هذه المجموعة متخصصين إقليميين في مجالات مثل إدارة الطاقة والاستشعار والأنظمة المدمجة. وهو مدعوم بالخبرة الهندسية العملية لمركز التميز، الذي يقوم بتطوير تصميمات مرجعية متطورة لمختلف وظائف تحويل الطاقة.

إن الجمع بين تكنولوجيا المكونات المتقدمة والمشورة المتخصصة ومهارات الابتكار والهندسة التي تتمتع بها الشركات المصنعة للمعدات الإلكترونية الصغيرة والمتوسطة الحجم في أوروبا يوفر أساسًا أكيدًا لاستغلال الفرص الجديدة التي توفرها تحركات القارة نحو إزالة الكربون.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

المنشور كيف ستساعد التقنيات الإلكترونية المتقدمة الشركات المصنعة على الاستفادة من فرص إزالة الكربون ظهر لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *