تحسين شبكة الطاقة باستخدام أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة للغاية

في فبراير 2023، أطلقت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) برنامج ULTRAFAST التابع لوكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة – الطاقة (ARPA-E). يركز هذا البرنامج بشكل خاص على تطوير مواد أشباه الموصلات والأجهزة وتكنولوجيا وحدة الطاقة. يسعى برنامج ULTRAFAST إلى تعزيز سرعة وكفاءة تقنيات أشباه موصلات الطاقة، مما يتيح التبديل والتشغيل بشكل أسرع عند مستويات التيار والجهد الأعلى. سيؤدي ذلك إلى تحسين التحكم والسلامة في الشبكة.

يهدف برنامج ULTRAFAST إلى تطوير تقنيات متقدمة للأجهزة ووحدات الطاقة ذات التصنيف الأسرع والأعلى تصنيفًا. وستمكن هذه التقنيات من تنفيذ أنظمة مبتكرة لإدارة الطاقة والحماية والتحكم للشبكة وأنظمة توزيع الطاقة المستقلة الخضراء المستقبلية مثل السيارات الكهربائية والطيران الكهربائي بالكامل.

الشبكة تحتاج إلى الابتكار

ويواجه النظام الكهربائي الوطني العديد من العقبات، مثل تدهور البنية التحتية، وزيادة الظواهر الجوية المتطرفة، وظهور المخاطر السيبرانية والمادية. وتؤدي هذه المشكلات إلى انقطاع التيار الكهربائي الذي يكبد الولايات المتحدة خسارة مالية تزيد على 150 مليار دولار سنويًا، علاوة على ذلك، تشهد الولايات المتحدة ارتفاعًا كبيرًا في الحاجة إلى الكهرباء بسبب هدفها الطموح المتمثل في تحقيق صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050.

ولتحقيق هدف الحد من انبعاثات الكربون، من الضروري كهربة العديد من القطاعات، مثل النقل والعمليات الصناعية والبنية التحتية الحضرية. وهذا يعني أن أنظمة الطاقة في الولايات المتحدة يجب أن تتوسع بنسبة 60٪ بحلول عام 2030 وأكثر من ثلاثة أضعاف بحلول عام 2050 لتلبية الطلب المتزايد. تهدف مبادرة ULTRAFAST إلى تقديم التقدم التكنولوجي في إلكترونيات الطاقة التي من شأنها تعزيز أمان الشبكة واعتماديتها (الشكل 1) مع تمكينها في الوقت نفسه من تلبية متطلبات الكهرباء المتزايدة لدعم أهداف إزالة الكربون.

لقد كانت قدرة الشبكة على التكيف مع المتطلبات الجديدة مقيدة تقليدياً بقدراتها التنظيمية. حاليًا، يتم توجيه تدفقات الطاقة عند مستويات الجهد العالي والمتوسط ​​بشكل أساسي من خلال المحطات الفرعية التي تستخدم المعدات الكهروميكانيكية التقليدية والمحولات منخفضة التردد وأجهزة الحماية البطيئة. يمكن أن تختلف سرعات استجابة هذه المكونات خلال دورات الخطوط المتعددة. يعيق هذا القيد قدرة الشبكة على تنظيم واستيعاب وإعادة توجيه وفصل تيارات الطاقة، وبالتالي يمثل مخاطر وحساسيات كبيرة، بما في ذلك حدوث انقطاعات متتالية للتيار الكهربائي.

نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة وسهولة التصنيع وعمليات التصنيع الراسخة، فقد كان السيليكون مادة أشباه الموصلات المفضلة لأجهزة الطاقة. ومع ذلك، فإن أجهزة السيليكون تقترب من سعتها القصوى من حيث قدرتها على حجب الجهد الكهربائي، والعمل في درجات حرارة عالية، وتبديل الترددات. ويرجع ذلك إلى الصفات المادية المتأصلة في السيليكون، والتي تكون مقيدة بفجوة نطاق قصيرة ومجال كهربائي حرج.

الهدف الأساسي لـ ULTRAFAST هو تحسين عتبات أداء أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG) والسيليكون ذات فجوة النطاق الواسعة جدًا (UWBG). إن تقدم أشباه الموصلات WBG، مثل كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم، وكذلك أشباه الموصلات UWBG، بما في ذلك نيتريد الغاليوم الألومنيوم والماس وأكسيد الغاليوم ونيتريد البورون، يقدم آفاقًا مثيرة لتطوير أجهزة أكثر كفاءة.

تقترب أشباه الموصلات التقليدية المصنوعة من السيليكون من أقصى قدراتها من حيث السرعة والمتانة. ومع ذلك، فإن أشباه الموصلات المصنوعة من الماس لديها القدرة على إحداث تحول كبير في شبكات الطاقة.

مزايا أشباه الموصلات القائمة على الماس

تمتلك أشباه الموصلات القائمة على الماس قدرات سرعة لا مثيل لها، مما يجعلها مفيدة للغاية. تسمح حركة الإلكترون الرائعة التي يتمتع بها Diamond بمعدلات تحويل أسرع، مما يتيح بدوره نقل البيانات ومعالجتها بسرعة داخل شبكة الطاقة. ولا تعمل السرعة المتزايدة على تعزيز قدرة الشبكة على الاستجابة بسرعة فحسب، بل تسمح أيضًا بالمراقبة والتحكم في الوقت الفعلي، وتحسين توزيع الطاقة وتقليل الخسائر.

علاوة على ذلك، تضمن الموصلية الحرارية الاستثنائية للماس التشتت الفعال للحرارة، وبالتالي تقليل احتمالية ارتفاع درجة الحرارة وزيادة إجمالي كفاءة الطاقة. تعمل أشباه الموصلات القائمة على الماس على تعزيز استدامة البنية التحتية لشبكة الطاقة وفعاليتها من حيث التكلفة من خلال تقليل هدر الطاقة وزيادة الإنتاجية.

تمتلك أشباه الموصلات القائمة على الماس متانة ملحوظة واستقرارًا كيميائيًا، مما يميزها عن السيليكون. الماس مقاوم للأضرار الناجمة عن الإشعاع ولديه قدرة كبيرة على تحمل التغيرات في درجات الحرارة، مما يسمح له بالعمل دون انقطاع في ظل ظروف صعبة للغاية. وتؤدي هذه المرونة إلى انخفاض فترات عدم النشاط، وانخفاض نفقات الصيانة وزيادة الاعتمادية على شبكة الطاقة، والتي تعد عناصر حاسمة للبنية التحتية المعاصرة للطاقة.

إن استخدام أشباه الموصلات القائمة على الماس (الشكل 2) له تداعيات كبيرة على إلكترونيات الطاقة. توفر الأجهزة القائمة على الماس اختراقات كبيرة في تطبيقات إدارة الطاقة، بما في ذلك مجموعة واسعة من المكونات، مثل مفاتيح الجهد العالي والعاكسات والمقومات ومنظمات الجهد.

مشروع الماس PCSS

ومن بين المؤسسات التي فازت بالجائزة جامعة إلينوي، التي تم اختيارها لتلقي تمويل بقيمة 3.5 مليون دولار من وزارة الطاقة الأمريكية ARPA-E.

تعمل جامعة إلينوي في أوربانا – شامبين الآن على تطوير أجهزة تبديل أشباه الموصلات الماسية التي لديها القدرة على إحداث تقدم كبير في حماية شبكة الطاقة. يتكون الجهاز قيد النظر من مواد UWBG التي يتم تنشيطها بالضوء. لقد نجح في معالجة القيود في الجهد والتيار التي تتم مواجهتها عادةً في الأجهزة التقليدية الموصلة للضوء. إذا أثبتت الأداة نجاحها، فإنها ستكون بمثابة عنصر أساسي في إلكترونيات الطاقة التي تعمل في درجات حرارة أعلى، وأكثر كفاءة وتوفر موثوقية أكبر.

ويركز فريق البحث، برئاسة البروفيسور المشارك جان بيرم، على استخدام الماس كمادة مبتكرة لأجهزة أشباه الموصلات. ووفقا لتفسير بيرم، يتكون الماس بشكل أساسي من الكربون، وهو ليس باهظ الثمن بطبيعته. وبالتالي، فإن إنتاج الماس المزروع في المختبر يقلل بشكل كبير من تكلفته، مما يجعله أقل تكلفة.

يقول بيرم إن مفاتيح أشباه الموصلات الضوئية توفر قدرة تجاوز سريعة مع القليل من التكامل، بهدف التخفيف من انقطاع التيار الكهربائي الذي يؤثر على ما متوسطه نصف مليون أمريكي يوميًا ويؤدي إلى تكلفة سنوية قدرها 150 مليار دولار للعائلات الأمريكية. ومع ذلك، فإن مفتاح أشباه الموصلات الضوئية التقليدي (PCSS)، الذي تم إنشاؤه في عام 1970، غير قادر على تحقيق مستويات الجهد/التيار اللازمة بمعدلات تدفق الجهد/التيار المطلوبة.

الماس عبارة عن مادة UWBG تتمتع بقوة انهيار استثنائية وقابلية تنقل فائقة للحامل وموصلية حرارية ممتازة. يوفر Diamond، بالمقارنة مع أشباه الموصلات WBG وUWBG الأخرى، إمكانية التبديل بشكل أسرع وتقنيات الأجهزة ووحدات الطاقة ذات التصنيف الأعلى، والتي يمكن أن تحدث ثورة في إدارة الطاقة.

تم إنشاء نظام PCSS لأول مرة في عام 1970. وقد قام فريق بيرم بتحديث التصميم والمواد التي كانت رائدة في ذلك الوقت. بالإضافة إلى استخدام الماس كمادة أولية، قاموا أيضًا بتعديل بناء الجهاز من خلال دمج قناة موصلة معدنية مخفية، مما يسهل تدفق تيارات كهربائية أكبر. يتم تنشيط الأجهزة بواسطة مصادر الضوء فوق البنفسجي، وهي تقنية تم تطويرها لأول مرة في مختبر الفيزياء والهندسة البصرية.

هدف فريق البحث هو تطوير جهاز يمكن أن يكون بمثابة عنصر حاسم في إلكترونيات الطاقة التي تعمل في درجات حرارة أعلى بينما تكون أيضًا أكثر كفاءة ويمكن الاعتماد عليها.

أصبحت آفاق شبكات الطاقة في المستقبل مرتبطة بشكل أوثق بأشباه الموصلات القائمة على الماس. ومع البحث والتطوير المستمر، يمكننا أن نتوقع تغييرًا كبيرًا في البنية التحتية للشبكة، والتي تتميز بزيادة السرعة والمتانة، مدفوعة بالصفات الاستثنائية للماس. ومن خلال اعتماد هذه التكنولوجيا المتطورة، فإننا نضع الأساس لمستقبل تكون فيه الطاقة أكثر استدامة وموثوقية وتحسينًا.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

ظهر المقال تحسين شبكة الطاقة باستخدام أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة للمرة الأولى على Power Electronics News.