A procura global de electricidade está a aumentar rapidamente. Os data centers ávidos de energia que suportam a inteligência artificial, juntamente com a expansão da produção, estão a exercer uma pressão sem precedentes sobre os sistemas de energia em todo o mundo. Atender a essa demanda exigirá mais do que apenas geração adicional de energia.
Uma solução promissora é utilizar as fontes de energia existentes de forma mais eficiente e com custos mais baixos.
Uma nova abordagem para 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 distribuída. O módulo de potência é o invólucro que contém a eletrônica de potência, que controla o fluxo de eletricidade dentro do sistema. Este novo design oferece eficiência recorde, alta densidade de energia 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 potência 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 plataformas pesadas, como data centers, redes elétricas, microrreatores e aeronaves e veículos militares de última geração.
Por que a indutância ultrabaixa é importante
Uma grande vantagem do ULIS é a sua indutância parasita excepcionalmente baixa, que se refere à resistência que retarda a mudança na corrente elétrica e limita a conversão eficiente de energia. O ULIS reduz essa resistência de sete a nove vezes em comparação com os módulos de potência de carboneto de silício mais avançados da atualidade.
Como o sistema pode alterar a corrente elétrica de forma muito rápida e eficiente, ele converte a eletricidade disponível em energia utilizável. Esta capacidade permite ao ULIS extrair significativamente mais valor do mesmo fornecimento de energia, tornando-o um forte candidato para responder à crescente procura energética global.
“Consideramos o ULIS um verdadeiro avanço”, disse Faisal Khan, principal pesquisador de eletrônica de potência do NREL e principal investigador do projeto. “É um módulo de energia ultrarrápido e preparado para o futuro que tornará os conversores de energia da próxima geração mais acessíveis, eficientes e compactos.”
Construído para oferecer confiabilidade em condições extremas
O ULIS foi projetado não apenas para eficiência, mas também para confiabilidade em ambientes exigentes. De acordo com Khan, o módulo leve, porém robusto, pode monitorar sua própria condição e prever falhas de componentes antes que elas ocorram.
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 significar a diferença entre o sucesso da missão e uma perda catastrófica.
“O ULIS foi um esforço verdadeiramente orgânico, desenvolvido inteiramente aqui no NREL”, disse Khan. “Estamos muito entusiasmados em demonstrar seu poder em cenários do mundo real.”
Uma reformulação radical para produção de baixo custo
Muitos dos ganhos de desempenho do ULIS provêm de um design físico totalmente novo.
Os módulos de potência tradicionais empilham dispositivos semicondutores em um pacote semelhante a uma caixa. Em vez disso, o ULIS organiza seus circuitos em um arranjo plano e octogonal. Essa estrutura em forma de disco acomoda mais componentes em um espaço menor, reduzindo o tamanho e o peso. Ao mesmo tempo, seu inovador roteamento de corrente minimiza a interferência magnética, o que ajuda a fornecer uma saída elétrica mais limpa e maior eficiência geral.
“Nossa maior preocupação era que o dispositivo desligasse muito rapidamente e precisávamos de um layout que não criasse um ponto de estrangulamento no design”, disse Shuofeng Zhao, pesquisador de eletrônica de potência do NREL que projetou a arquitetura de cancelamento de fluxo do ULIS.
Os primeiros conceitos exploravam formas tridimensionais complexas com desenhos como flores ou cilindros ocos. No entanto, estas ideias revelaram-se demasiado caras ou difíceis de produzir. 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 equilibra desempenho, custo e capacidade de fabricação.
“Nós o achatamos 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, também parte da equipe de eletrônica de potência do NREL, desenvolveu novos métodos de fabricação que permitem a construção de estruturas complexas usando apenas ferramentas e instalações internas. O resultado foi um projeto que combinou 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 uma base sólida de cerâmica que pode conduzir eletricidade e calor. Embora eficaz, esta abordagem limita a flexibilidade.
Em vez disso, o ULIS liga o cobre a um polímero flexível chamado Temperion. Essa mudança cria uma estrutura mais fina, mais leve e mais adaptável. O material se liga ao cobre usando apenas calor e pressão, e seus componentes podem ser usinados com ferramentas amplamente disponíveis. Como resultado, os custos de produção caem para centenas de dólares, em vez de milhares.
Outro grande avanço permitiu que o ULIS operasse sem fio. O módulo funciona como uma unidade independente, pode ser controlado e monitorado sem cabos físicos. Este design modular semelhante ao Lego permite que ele seja integrado a uma ampla gama de sistemas, desde servidores de data centers até aeronaves e veículos militares avançados. Atualmente está pendente uma patente sobre um protocolo de comunicação sem fio de baixa latência liderado por Sarwar Islam.
Projetado para tecnologia futura
Embora o ULIS dependa de semicondutores de carboneto de silício atualmente desenvolvidos, o projeto foi feito intencionalmente para evoluir. 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 um objetivo central. À medida que as sociedades se tornam cada vez mais dependentes de electricidade fiável, o ULIS foi concebido para proporcionar eficiência sem sacrificar 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 numa forma utilizável antes de chegar aos consumidores. Esse processo geralmente depende de equipamentos grandes e de baixa frequência que desperdiçam energia. A comutação rápida do ULIS melhora a eficiência, enquanto 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 armazenar energia permite conversores mais leves e potentes. Isso poderia ajudar a tornar as aeronaves elétricas de decolagem e pouso verticais (eVTOL) mais práticas e comercialmente viáveis.
O ULIS pode desempenhar um papel em futuros sistemas de energia de fusão. Embora a fusão comercial esteja em desenvolvimento, estes sistemas exigirão componentes de energia pulsada compactos e confiáveis. A indutância ultrabaixa e o design durável do ULIS o tornam adequado para esse desafio.
À medida que as indústrias procuram eletricidade mais fiável, inteligência artificial avançada e veículos de próxima geração, o ULIS está agora disponível para licenciamento.
