Professor hofft, Leistungstransformatoren zu revolutionieren

Seit mehr als 100 Jahren ist die Technologie hinter Stromnetzen weitgehend gleich geblieben. Kraftwerke erzeugen Wechselstrom (AC), den Transformatoren für die Übertragung über weite Entfernungen „aufladen“ und dann für den Einsatz in unseren Häusern, Büros und Industrieumgebungen „abschalten“.

Da weltweit der Einsatz fossiler Brennstoffe reduziert wird und erneuerbare Energiequellen immer beliebter werden, wird die Energiespeicherung für eine gleichmäßige Lieferung immer wichtiger, und Batterien speichern Strom als Gleichstrom (DC).

Während mehr grüne Energie wie Solar- und Windenergie der Schlüssel zur Bekämpfung des Klimawandels ist, gibt es natürlich Zeiten, in denen der Himmel bewölkt, dunkel oder ruhig ist. Die Lösung besteht darin, während der Spitzenerzeugung zusätzlichen Strom zu speichern und diesen dann bei Bedarf später ins Netz einzuspeisen.

Das Aufkommen von Leistungshalbleiterbauelementen mit großer Bandlücke führte zu kleineren und leichteren Festkörpertransformatoren (SSTs). Sie basieren jedoch auf herkömmlichen bidirektionalen Wechselstrom-Gleichstrom- und Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern. Daher weisen sie einen geringen Wirkungsgrad, eine schlechte Zuverlässigkeit und höhere Kosten auf, da mehrere Stufen mit vielen Leistungsgeräten, einem langsamen Einschwingverhalten und ebenso großen und sperrigen Eingangsfiltern verbunden sind als Transformatoren wollen sie eliminieren.

Assistenzprofessor Pritam Das – Fakultätsmitglied der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science der Binghamton University – hat verschiedene Aspekte einer besseren Integration bidirektionaler AC-DC- und DC-DC-Wandler mit hochfrequenter galvanischer Trennung erforscht mit dem langfristigen Ziel, die SST-Technologie deutlich voranzutreiben.

„Die Energiespeicherung als elektrochemische Energie in Form von Lithium-Ionen-Batterien oder Redox-Flow-Batterien wird eine der wichtigsten Möglichkeiten sein, die Schwankungen in solchen auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystemen abzumildern“, sagte Das.

Ein im April angekündigter, auf fünf Jahre angelegter, mit 537.959 US-Dollar dotierter CAREER Award der National Science Foundation wird Das die nötigen Mittel geben, um die Art und Weise, wie SSTs realisiert werden und funktionieren, neu zu überdenken. Ein CAREER-Stipendium unterstützt Nachwuchswissenschaftler, die das Potenzial haben, als akademische Vorbilder in Forschung und Lehre zu fungieren.

„Diese neuen SSTs werden 25 % weniger Komponenten im Vergleich zu den derzeit verwendeten haben“, sagte er. „Außerdem werden sie eine um 40 % höhere Leistungsdichte, einen um 5 % höheren Wirkungsgrad, ein fünf- bis sechsmal schnelleres Einschwingverhalten, 30 % billiger und konform mit Standards wie IEEE 1547 sein [der regelt, wie Versorgungsstromsysteme und verteilte Energieressourcen wie Wind und Energie betrieben werden Solargeneratoren sind angeschlossen.] Mit diesen Vorteilen tragen die neuen SSTs zur Dekarbonisierung des Stromnetzes für eine nachhaltigere Zukunft bei.“

Es wird erwartet, dass die Anwendungen für Batterie-Energiespeichersysteme als Teil des Stromnetzes in den USA bis 2030 auf über 4.000 Terawattstunden ansteigen werden, und die Verwendung der neuen SSTs aus dieser Forschung allein für die Netzintegration von Energiespeichersystemen würde die Verluste bei der Stromversorgung reduzieren Umwandlung zur Energiespeicherung um rund 400 Gigawattstunden.

Da sie weniger Platz beanspruchen, werden die neuen SSTs von entscheidender Bedeutung für den öffentlichen Nahverkehr in städtischen Gebieten sein, bei dem Elektrobusse, elektrische Senkrechtstart- und -lande-Taxis (VTOL) und andere Fahrzeuge, Rechenzentren und andere Anwendungen zum Einsatz kommen, die Das als „gut“ bezeichnet „alte Transformatoren“ sind nicht einbaubar.

„Sie haben den Vorteil, dass Sie Ladesysteme für Elektrofahrzeuge problemlos an überlasteten Standorten installieren können, wo der Anschluss und die Wartung eines Netzfrequenztransformators ein großer Aufwand ist“, sagte er.

Das ist seinen mittlerweile graduierten Studenten für ihre bisherige Hilfe bei seiner Forschung dankbar: Sunil Dube, PhD '22, der den Distinguished Dissertation Award gewonnen hat; und die Watson-Postdoktoranden Kalyan Yenduri und Ramu Nair.

Um sicherzustellen, dass mehr Menschen auf der Grundlage seiner Forschung zu SSTs in modernster Leistungselektronik ausgebildet werden, beinhaltet das' CAREER Award eine Partnerschaft mit dem SUNY Broome Community College und seiner Abteilung für Ingenieurwissenschaften, um Studenten und Fachkräfte für diesen Bereich zu rekrutieren. insbesondere unterrepräsentierte Minderheiten und Frauen. Er weiß, dass denjenigen, die den Herausforderungen des Klimawandels begegnen können, noch mehr Chancen bevorstehen.

„Für das Stipendium habe ich meinen Forschungsweg für fünf Jahre und dann mindestens zehn Jahre über die ersten fünf Jahre hinaus dargelegt“, sagte er. „Dies eröffnet mehr Forschung und Möglichkeiten für mehr Finanzierung in der Zukunft von verschiedenen Agenturen. Ich habe bereits Unterstützung vom Staat New York und dem US-Energieministerium erhalten, auch während ich an Demonstrations- und Anwendungsprojekten mit der Industrie arbeitete. Ich hoffe, dass dies der Fall ist.“ Die Forschung wird zu mehr Investitionen in die Arbeit führen, die wir hier leisten, und wird auch Kommerzialisierungspartner anziehen, die unsere SST-Technologie in ihre vor Ort eingesetzten Produkte integrieren.“