Transformatörler şebekemizin kritik ama neredeyse görünmez bir parçası. Cihazlar elektriğin uzun mesafelerde verimli taşınmasını sağlıyor, ancak karmaşık yapılı ve tedarik sıkıntısı çekiliyor. Temel tasarım yaklaşık bir asırdır pek değişmediği için yenilenmeye ihtiyaç var.
Dünya, elektrikli araçlar, veri merkezleri ve benzeri alanlardan kaynaklanan artan elektrik talebini karşılamaya çalışırken araştırmacılar ve şirketler transformatörleri modernleştirmeye bakıyor. Yeni katı hal transformatörleri tedarik endişelerini hafifletebilir ve şebekenin artan baskıya dayanmasını sağlayabilir.
Geleneksel transformatörler işlerini yapmak için büyük miktarda özel çelik alaşım ve kilometrelerce bakır tele dayanır. Katı hal modelleri ise manyetik bileşenleri yüksek güçlü yarı iletkenlerle birleştirir; bu sayede daha kompakt olur ve elektrik akışının kontrolü artar.
Bu cihazlar hâlâ geliştirme aşamasında ve özellikle uzun mesafe iletimi için gereken yüksek gerilimlerde çalışan en büyük ünitelerin yerini bugün alamıyor. Yine de yeni bir transformatör teknolojisi nesli gelecek şebeke için kritik bir parça olabilir.
Şebekenin omurgası
Elektriğin şebeke üzerinden taşınması tamamen verimli değil: Hatlardan geçerken bir kısmı ısı olarak kayboluyor. Miktar değişiyor; gerilim ne kadar yüksekse akım o kadar düşük oluyor ve kayıp da azalıyor. Dolayısıyla şebekenin temel işlevlerinden biri gerilimi yükseltmek ve düşürmek.
Örneğin yerel güneş santralinizden üretilen elektriğin yüzlerce kilometre uzaktaki evinize verimli ulaşabilmesi için güneş santralinin ürettiğinden daha yüksek bir gerilime ihtiyacı var. İşte burada transformatörler devreye giriyor.
Santralden prizlere kadar olan yolculukta elektrik, güneş çiftliğindeki bir transformatörden ve yakındaki bir trafo merkezindeki bir diğerinden geçebilir; bu iki aşamada gerilim yüksek gerilim iletim hatlarına çıkacak seviyeye yükseltilir. Güneş panelleri doğrudan akım üretir ve bu akım transformatöre girmeden önce bir invertörle alternatif akıma çevrilir. Hedefe yaklaştıkça gerilim yeniden düşürülür; muhtemelen bir trafo merkezinde bir kez ve mahalledeki daha küçük bir transformatörde bir kez.
ABD'de bir güneş santralinden gelen elektrik, yaklaşık 480 voltluk bir invertörle alternatif akıma çevrilebilir, iletim hatları için 115 bin volta yükseltilir ve eviniz için son olarak 120 volt ve 240 volta geri düşürülür.
Geleneksel transformatörler bu işi esasen tel halkaları kullanarak yapar. Bir transformatörün çekirdeği tipik olarak tane yönlendirilmiş elektrik çeliği adı verilen özel bir çelik türünden oluşur. Bakır tel sargıları çekirdeğin her iki ucuna oturur.
Her sargıdaki halka sayısı transformatörün iki ucundaki gerilimi belirler: İkincil sargıda birincile göre daha fazla halka varsa gerilim yükselir, daha azsa düşer. Gelen elektrik transformatörün yukarı akış ucundaki halkalardan geçerken çekirdekte bir manyetik alan oluşur. Bu alan cihazın diğer tarafındaki halkalarda bir gerilim indükler ve enerji yeni gerilimde akmaya devam eder. Bu sürece manyetik indüksiyon denir.
Transformatörler elektrik iletimi ve dağıtımının omurgasını oluşturur, Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü Srdjan Lukic diyor. Gerilimi yükseltme ve düşürme görevinin yanı sıra transformatörler genellikle galvanik izolasyon da sağlar; yani içlerinden doğrudan bir elektrik yolu geçmez. Bu, şebeke boyunca bozulmaların yayılmasını sınırlayarak güvenliği artırabilir.
Sorun, bugünün transformatörlerinin büyük ve hacimli olması ve değiştirilmesinin zor ve pahalı olması, Lukic'e göre.
Katı hal seçeneği
Katı hal transformatörleri esasen bugünün transformatörlerinin tipik tasarımına güç elektroniği olarak adlandırılan yarı iletkenleri ekler; bu yarı iletkenler elektriği dönüştürür ve kontrol eder.
Geleneksel bir transformatör bağlı olduğu şebeke parçasının frekansında çalışırken, katı hal transformatörü akımın frekansını aktif olarak kontrol eder. Tipik olarak katı hal transformatörü önce şebekeden gelen alternatif akımı doğru akıma, ardından silikon karbür gibi bir yarı iletkenle yapılmış anahtarlar kullanılarak daha yüksek frekanslı alternatif akıma çevirir.
Bundan sonra manyetik bir bileşen gerilimi değiştirir. İleri yarı iletkenler akımın frekansı ve kararlılığı üzerinde çok fazla kontrol sağladığı için manyetik çekirdek geleneksel transformatöre kıyasla çok daha küçük olabilir. Bazıları aynı kapasiteye sahipken yaklaşık onda bir boyutunda olur, Lukic diyor.
Son olarak ek güç elektroniği elektriği yüksek frekanslı alternatif akımdan gerekli forma çevirir; genellikle tekrar doğru akıma ve son olarak daha düşük frekanslı alternatif akıma.
Bugün gerilimi yükseltmek ve düşürmek birçok transformatörün tek işi. Katı hal transformatörleri ise çok daha fazlasını yapabilir. doğrultucu ve invertör gibi cihazların işlerini üstlenir; bu cihazlar alternatif akımı doğru akıma ve tersine çevirir. Böylece elektrik ekipmanının toplam ayak izi küçülür ve sistemde kaybolan güç miktarı azalabilir.
Ağustos ayında New York Power Authority ve Electric Power Research Institute, EPRI'nin test sahasında gerçek şebeke koşullarında 1 megavatlık prototip bir katı hal transformatörünü test etti. Cihaz Lukic'in laboratuvarında üretildi ve bu kapasitedeki bir transformatör için ilk test oldu, diyor.
Prototip yaklaşık yüzde 98 verimli çalıştı; yani beslenen enerjinin sadece yüzde 2'si kayboldu. Karşılık gelen geleneksel bir transformatör ve doğrultucu ise birlikte yaklaşık yüzde 96 verimli olurdu, Lukic'e göre. Yüzde 2'lik fark küçük görünse de önemlidir; katı hal transformatörü geleneksel ekipmandaki güç kayıplarını yarıya indirebilir, diyor.
Projenin başlıca hedeflerinden biri bu yeni bileşenlere şebeke işletmecilerinin güvenini artırmaktı, Lukic diyor. Bu cihazlar gelecekte elektrik şebekesinde kullanılabilir. Kısa vadede katı hal transformatörleri veri merkezlerinde sunucu rafları için elektrik sağlamak amacıyla kullanılabilir.
