Jau seniai žinoma, kad elektros tinklo infrastruktūra sensta, tačiau ypač išsiskiria vienas jos elementas – transformatoriai. Nuo laikų, kai Thomasas Edisonas sukūrė pirmąją lemputę, jie beveik nepakito.

Šiandien daugybė startuolių imasi modernizuoti transformatorius, siekdami juos pakeisti šiuolaikiniais galios elektronikos įrenginiais. Tokie įrenginiai žada suteikti tinklo operatoriams kur kas daugiau kontrolės, valdant, kaip ir kur teka elektra.

„Tai tampa labai galingu įrenginiu, prilygstančiu jūsų interneto maršrutizatoriui“, – sako Subhashishas Bhattacharya, vienas iš DG Matrix įkūrėjų ir technologijų direktorius.

Pastaruoju metu trys startuoliai pritraukė reikšmingų investicijų, kad galėtų didinti savo kietojo kūno (solid-state) transformatorių gamybą. DG Matrix neseniai užsitikrino 60 mln. dolerių A etapui, „Heron Power“ – 140 mln. dolerių B etapui, o praėjusių metų lapkritį „Amperesand“ gavo 80 mln. dolerių sparčiai augančiai duomenų centrų rinkai siekti.

Tradiciniai transformatoriai yra patikimi ir pakankamai efektyvūs, tačiau tuo jų privalumai beveik ir baigiasi. Tai gana primityvūs įrenginiai, daugiausia sudaryti iš vario ir geležies. Jie tik pasyviai reaguoja į pokyčius tinkle ir kiekvienas jų gali atlikti tik vieną specifinę užduotį.

„Seno tipo plieno, vario ir alyvos transformatorius neturi nei stebėsenos, nei valdymo funkcijų“, – aiškina „Heron Power“ įkūrėjas ir generalinis direktorius Drew Baglino. Esant įtampos šuoliams ar netikėtai išsijungus elektrinei, tai tampa rimta rizika.

Naujos kartos įrenginiai gali integruoti galią iš įvairių šaltinių – tradicinių elektrinių, atsinaujinančių išteklių ar baterijų – ir paversti ją tiek kintamąja srove (AC), tiek nuolatine srove (DC), skirtingų lygių įtampomis. Dėl to jie gali pakeisti kelis atskirus įrenginius vienu.

Duomenų centrams kietojo kūno transformatoriai yra itin patrauklūs, nes leidžia sumažinti elektros ūkio užimamą plotą ir suteikia kur kas smulkesnę kontrolę, kaip ir kur paskirstoma elektra.

Kietojo kūno transformatoriai į rinką ateina labai tinkamu metu – senieji transformatoriai masiškai sensta, o naujų poreikis sparčiai auga. Tai klasikinis technologijų „superciklas“. Nacionalinės Uolėtųjų Kalnų laboratorijos (anksčiau – Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija) duomenimis, daugumai šiandien tinkle veikiančių transformatorių jau kelios dešimtys metų. Augant duomenų centrų, elektromobilių įkrovimo stotelių ir kitų vartotojų elektros poreikiams, prognozuojama, kad iki 2050 m. per transformatorius tekanti galia padvigubės.

Nors pirmiausia šios įmonės taikosi į duomenų centrus, jų tikslas – ir pats elektros tinklas, kuriame vien tik JAV gali veikti iki 80 milijonų transformatorių.

„Visus skirstomuosius transformatorius galiausiai reikės pakeisti. Daugiau nei 50 % jų yra 35 metų amžiaus. Reikalingas didžiulis atnaujinimas“, – pabrėžia Baglino.

Kadangi kietojo kūno transformatoriai gaminami iš silicio pagrindo medžiagų, jie yra lankstūs, valdomi ir atnaujinami programiškai. Jie taip pat nėra tiesiogiai priklausomi nuo kainų svyravimų vario rinkoje.

„Galios puslaidininkių kaina nuolat mažėja. Tuo tarpu plieno, vario ir alyvos – deja, ne. Žaliavų kainos gali labai svyruoti ir dažniausiai jos kyla“, – sako Baglino.

Sename transformatoriuje elektra įteka per vienoje O formos geležies šerdies pusėje apvyniotus varinius laidus. Srovei tekant, šerdyje sukuriamas magnetinis laukas, kuris kitoje šerdies pusėje indukuoja elektrą ten apvyniotose kitose vario apvijose. Jei įėjimo pusėje apvijų daugiau nei išėjimo pusėje, išėjimo įtampa sumažėja; jei santykis atvirkščias – įtampa padidėja.

Kietojo kūno transformatoriai atsisako masyvių vario apvijų ir vietoje jų naudoja puslaidininkius – tokius, kaip silicio karbidas ar galio nitridas – dažnio keitimui ir kitiems procesams valdyti. Jie gali būti įvairios konfigūracijos, tačiau pilniausiame variante sudaryti iš trijų pagrindinių dalių: lygintuvo, kuris kintamąją srovę paverčia nuolatine; keitiklio, kuris keičia nuolatinės srovės įtampą; ir keitiklio–keitiklio poros (inverterio), kuris nuolatinę srovę vėl paverčia kintamąja.

Skirtingai nei geležinė šerdis tradiciniuose transformatoriuose, kietojo kūno įrenginiai gali patikimai valdyti energijos srautą abiem kryptimis. Tai ypač naudinga ten, kur būtinas atsarginis maitinimas, pavyzdžiui, duomenų centruose.

Duomenų centre kietojo kūno transformatorius gali pakeisti ne vieną, o keletą skirtingų įrenginių – ne tik transformatorių, mažinantį tinklo įtampą. Kiekviename tokiame objekte būtinas atsarginis maitinimas, todėl paprastai naudojama visa įrenginių grandinė, per kurią į centrą tiekiama energija. Kietojo kūno transformatorius gali atlikti visas šias funkcijas viename įrenginyje.

Ši technologija taip pat palengvina vadinamojo už skaitiklio (angl. behind-the-meter) generacijos integravimą, kai elektros gamybos įrenginiai prijungiami tiesiogiai prie duomenų centro, o ne prie viešojo tinklo. Tokie sprendimai tradiciškai reikalauja atskiro transformatorių komplekto.

Kartu su tinklo masto baterijų sistemomis kietojo kūno transformatoriai gali panaikinti poreikį nepertraukiamo maitinimo šaltiniams (UPS), taip atlaisvindami duomenų centro viduje vietos papildomoms serverių lentynoms.

„Jeigu sudedame visų mūsų pakeistų įrenginių kainą, mes sudarome tik 60–70 % šios sumos“, – teigia DG Matrix bendraįkūrėjas ir generalinis direktorius Haroonas Inamas.

DG Matrix šiuo metu daugiausia dėmesio skiria savo „Interport“ technologijai, kuri leidžia nukreipti galią iš kelių šaltinių į keletą skirtingos įtampos vartotojų. Tokiai architektūrai bendrovė yra užregistravusi ne vieną patentą.

Tuo tarpu „Heron Power“ daugiausia dirba su vidutinės įtampos elektros konversija duomenų centruose, saulės elektrinėse ir didelio masto baterijų sistemose. Duomenų centre jų „Heron Link“ transformatoriai gali užtikrinti stelažams iki 30 sekundžių maitinimą, kol įsijungia atsarginiai šaltiniai. Bendrai paėmus, „Heron Link“ sistemos užima apie 70 % mažiau vietos nei analogiški tradiciniai sprendimai. Saulės elektrinėje „Heron Power“ transformatoriai gali atlikti ir inverterio, ir transformatoriaus funkcijas už tokią pačią kainą, kaip šiandien kainuoja atskiri įrenginiai.

Vis dėlto, lyginant tiesiogiai, kietojo kūno transformatoriai kol kas yra brangesni už geležies šerdies transformatorius. Dėl to artimiausiu metu jie vargiai pakeis didžiules dundančias dėžes elektros pastotėse.

Tačiau duomenų centruose ir elektromobilių įkrovimo hubuose, kur jie gali atstoti keletą skirtingų įrenginių, kietojo kūno transformatoriai greičiausiai sparčiai skverbsis į rinką.

Įsilieję į skirstomuosius tinklus didesniu mastu, jie galėtų sumažinti elektros perdavimo ir skirstymo sąnaudas – vieną didžiausių veiksnių, lemiančių galutinės elektros kainos augimą vartotojams.

Šiandieniniai transformatoriai yra pasyvūs: jie negali aktyviai reaguoti į tinklo svyravimus, todėl skirstomieji tinklai projektuojami su didele atsargine talpa, pasak Baglino. Kietojo kūno transformatoriai, priešingai, gali prisitaikyti prie kintančių sąlygų, leisdami operatoriams per tas pačias linijas saugiai perduoti daugiau energijos.

„Iš tiesų galima padaryti infrastruktūrą pigesnę, nes per tuos pačius stulpus ir laidus praleidžiama daugiau kilovatvalandžių“, – aiškina jis. – „Čia ir atsiskleidžia išmanių įrenginių pranašumas prieš pasyvius mechaninius objektus, sukur­tus prieš 100 metų – tai gali kardinaliai pakeisti situaciją.“