Un professeur espère révolutionner les transformateurs de puissance

Depuis plus de 100 ans, la technologie derrière les réseaux électriques est restée largement la même. Les centrales électriques génèrent du courant alternatif (AC) que les transformateurs "intensifient" pour la transmission sur de longues distances, puis "abaissent" pour une utilisation dans nos maisons, nos bureaux et nos environnements industriels.

Alors que le monde réduit l'utilisation des combustibles fossiles et que les sources d'énergie renouvelables deviennent plus répandues, le stockage de l'énergie deviendra de plus en plus important pour une livraison constante, et les batteries stockent l'électricité sous forme de courant continu (CC).

Alors que davantage d'énergies vertes telles que l'énergie solaire et éolienne sont essentielles pour lutter contre le changement climatique, il y a évidemment des moments où le ciel est nuageux, sombre ou calme. La solution consiste à stocker de l'énergie supplémentaire pendant la production de pointe, puis à distribuer cette énergie dans le réseau en fonction des besoins ultérieurs.

L'avènement des semi-conducteurs de puissance à large bande interdite a conduit à des transformateurs à semi-conducteurs (SST) plus petits et plus légers. Cependant, ils sont basés sur des convertisseurs bidirectionnels AC-DC et DC-DC conventionnels, de sorte qu'ils ont un faible rendement, une faible fiabilité et un coût plus élevé en raison de plusieurs étages qui impliquent de nombreux dispositifs d'alimentation, une réponse transitoire lente et des filtres d'entrée aussi grands et volumineux que les transformateurs qu'ils visent à éliminer.

Le professeur adjoint Pritam Das, membre du corps professoral du département de génie électrique et informatique du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science de l'Université de Binghamton, a étudié divers aspects d'une meilleure intégration des convertisseurs AC-DC et DC-DC bidirectionnels avec une isolation galvanique haute fréquence dans le but à long terme de faire progresser de manière significative la technologie SST.

"Le stockage d'énergie sous forme d'énergie électrochimique sous la forme de batteries lithium-ion ou de batteries à flux redox va être l'un des principaux moyens d'atténuer l'intermittence dans ces types de systèmes d'alimentation basés sur les énergies renouvelables", a déclaré Das.

Un prix CAREER de la National Science Foundation de 537 959 $ sur cinq ans, annoncé en avril, donnera à Das le financement nécessaire pour repenser la façon dont les SST sont réalisés et fonctionnent. Une subvention CAREER soutient les professeurs en début de carrière qui ont le potentiel de servir de modèles académiques dans la recherche et l'éducation.

"Ces nouveaux SST auront 25 % de composants en moins par rapport à ce qui est utilisé actuellement", a-t-il déclaré. « Ils seront également 40 % plus denses en énergie, 5 % plus efficaces, cinq à six fois plus rapides pour la réponse transitoire, 30 % moins chers et conformes aux normes comme IEEE 1547 [qui réglemente la façon dont les systèmes d'alimentation des services publics et les ressources énergétiques distribuées telles que les générateurs éoliens et solaires sont connectés]. Grâce à ces avantages, les nouveaux SST contribuent à la décarbonation du réseau électrique pour un avenir plus durable.

Les demandes de systèmes de stockage d'énergie par batterie dans le cadre du réseau électrique devraient dépasser 4 000 térawattheures aux États-Unis d'ici 2030, et l'utilisation des nouveaux SST issus de cette recherche pour l'intégration au réseau des systèmes de stockage d'énergie seuls réduirait les pertes lors de la conversion de puissance pour le stockage d'énergie d'environ 400 gigawattheures.

Parce qu'ils occupent moins d'espace, les nouveaux SST seront la clé du transport public dans les zones urbaines utilisant des bus électriques, des taxis électriques à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) et d'autres véhicules, des centres de données et d'autres applications où ce que Das appelle les "bons vieux transformateurs" sont impossibles à installer.

"Vous avez l'avantage d'installer facilement des systèmes de recharge de véhicules électriques dans des endroits encombrés, où brancher un transformateur de fréquence de ligne et l'entretenir est un gros problème", a-t-il déclaré.

Das est reconnaissant envers ses étudiants maintenant diplômés pour leur aide dans ses recherches jusqu'à présent : Sunil Dube, PhD '22, qui a remporté le Distinguished Dissertation Award ; et les boursiers de recherche postdoctoraux Watson Kalyan Yenduri et Ramu Nair.

Pour s'assurer que davantage de personnes seront formées à l'électronique de puissance de pointe sur la base de ses recherches sur les SST, le prix CAREER de Das comprend un partenariat avec le SUNY Broome Community College et son département des sciences de l'ingénieur pour recruter des étudiants et des professionnels sur le terrain, en particulier les minorités et les femmes sous-représentées. Il sait que d'autres opportunités s'offrent à ceux qui peuvent relever les défis du changement climatique.

"Pour la subvention, j'ai décrit mon parcours de recherche pendant cinq ans, puis au moins 10 ans au-delà de ces cinq premières années", a-t-il déclaré. « Cela ouvre davantage de recherches et de possibilités de financement à l'avenir de la part de différentes agences. J'ai déjà bénéficié du soutien de l'État de New York et du Département américain de l'énergie, également lorsque je travaillais sur des projets de démonstration et appliqués avec l'industrie. J'espère que cette recherche se traduira par davantage d'investissements dans le travail que nous effectuons ici et attirera également des partenaires de commercialisation qui intègrent notre technologie SST dans leurs produits déployés sur le terrain.