מהפך חדש ממקור Z המגיב לתקלות חשמליות פי 1,000 מהר יותר משיטות מסורתיות, נועד לשפר את יציבות רשת החשמל ולמנוע אסונות כמו שריפות בשדה קוצים שנגרמו מקווי חשמל שהופלו. קרדיט: twoday.co.il.com
פרופסור להנדסה הפך חווית ילדות טראומטית עם חשמל לקריירה המוקדשת לשיפור בטיחות החשמל. הוא פיתח מהפך ממקור Z המגיב לתקלות חשמליות פי 1,000 מהר יותר משיטות מסורתיות, במטרה לחזק את יציבות רשת החשמל ולמנוע אסונות כמו שריפות בשדה קוצים שנגרמו מקווי חשמל שהופלו.
כאשר FAMU-FSU המכללה להנדסה פרופסור פאנג פנג היה ילד, הוא ראה את הכוח והסכנה של החשמל ממקור ראשון.
הוא למד בחטיבת הביניים כאשר עיר הולדתו הסינית המרוחקת קיבלה לראשונה שירות חשמלי. משפחתו חלקה נורה ניידת יחידה של 15 וואט המחוברת לכבל. תפקידו היה להחליף את הנורה.
"לילה אחד, הנורה כבה וניסיתי להחליף אותה בחושך מוחלט", אמר פנג. "תקעתי בטעות את האגודל השמאלי בשקע ומיד הייתי בהלם. ירדתי משיווי המשקל וירדתי אל רצפת העפר, רועדת כשהחשמל חרך בגופי. למזלי, יד ימין שלי הסתבכה עם הכבל ומשכה את השקע מיד שמאל, אחרת לא הייתי שורד".
אחרי אותה חוויה של כמעט מוות, פנג ראה בחשמל אתגר. הוא עשה למשימת חייו לחקור את התופעה ו"לאלף את החיה" שהעמידה אותו בסכנה אך גם אפשרה למשפחתו לראות בלילה.
פאנג פנג, פרופסור מכובד להנדסה בהנדסת חשמל ומחשבים במכללה להנדסה FAMU-FSU. קרדיט: Mark Wallheiser/FAMU-FSU College of Engineering
חידושים בבטיחות חשמל
המחקר האחרון של פנג ממשיך את המשימה הזו. במחקר שפורסם ב דוחות מדעייםהוא מראה כיצד התקן מוליכים למחצה שיצר, בשם מהפך Z-source, יכול להפחית במהירות מתח וזרם במקרה של תקלה במעגל קצר או במעגל פתוח.
מנגנוני בטיחות קיימים המפסיקים חשמל בעת תקלה פועלים במהירות, אך לא תמיד מספיק מהר. מפסק מעגל טיפוסי עשוי להימשך כ-50 מילישניות כדי להפעיל – עדיין מספיק זמן כדי להרוג אדם או להצית אש. הממיר/מהפך הדיגיטלי של מקור Z של Peng יכול להגן תוך 5 מיקרו-שניות, או פי 1,000 מהר יותר.
איך זה עובד
כאשר מעגל פועל כרגיל, קווי חשמל וכבלים מעבירים זרם חשמלי למרחק רב מגנראטורים למשתמשי קצה, שהשימוש בהם נקרא עומס במערכת חשמלית. מהנדסים בדרך כלל רוצים שהוא יפעל חזק ככל האפשר כדי לספק כוח למשתמשי הקצה. אבל כשמשהו נשבר או מקצר את המעגל, כמו עץ שהופל, הזרם עובר דרך האובייקט הזה. הבזקים חשמליים המגיעים ל-35,000 מעלות פרנהייט יכול לגרום לחפצים המגעים עם המעגל להתחמם במהירות ולהישרף בעוצמה.
המתג האלקטרוני של Peng מזהה קצרים מהר יותר משיטות קיימות. זה יכול גם להתמודד עם מגוון רחב של מתחי כניסה מבלי להזדקק לרכיבים נוספים. גמישות זו הופכת אותו לשימושי במצבים שבהם אספקת החשמל אינה קבועה או כאשר אתה צריך לעבוד עם רמות מתח שונות ביעילות.
"פיתחנו דרך למקור הכוח להגיב יותר לעומס", אמר. "בלי שמשתמשי הקצה ישימו לב, נוכל להחזיר מיד את רשת החשמל למצב נורמלי, ללא זרם נחשול."
למה זה חשוב
קווי חשמל שהופלו מעוררים מאות שריפות מדי שנה בארצות הברית. השריפות במאווי ב-2023 היו מהקטלניות ביותר בתולדות ארה"ב. לפי האגודה הלאומית להגנה מפני אש, השריפה הזו התחילה כאשר עץ שנפל על קו מתח התלקח.
"מטרת המחקר שלנו היא להפוך את מקור האנרגיה (מתח) להגיב יותר למצב הטעינה", אמר פנג. "אם יש זרם לא צפוי גדול, אנחנו רוצים להפחית את המתח לטווח בטוח כדי למנוע שריפות. גנרטורים מסורתיים ממשיכים לייצר מתח קבוע ללא קשר לזרם."
הנדסה מחדש של הרשת
הפתרון של Peng יכול לשמש לתיקון מחדש של תשתית קיימת כדי להפוך אותה לבטוחה יותר.
גיוון רשת החשמל עם מקורות אנרגיה מתחדשים כמו טורבינות רוח, תאים פוטו-וולטאיים ותאי דלק היא אחת הדרכים לווסת עליות וירידות במתח.
"מלבד אנרגיה מתחדשת, דרך נוספת שבה נוכל למנוע עליות מתח היא לווסת את המערכת באופן מלאכותי באמצעות ממיר חשמל", אמר פנג. "בין אם טבעי או מלאכותי, אנחנו רוצים ליצור משהו שפועל באופן אוטונומי עם הגנה עצמית, גמישות ויתירות. רעיון אחד הוא להשתמש בנגד וירטואלי המיושם על ידי אלקטרוניקת כוח ובקרה כדי לספק את השיכוך והייצוב של מערכת המעגלים".
חלק גדול מרשת החשמל בארצות הברית נבנה והורחבה בשנות ה-60 וה-70. לצד שריפות מקווי חשמל שהופלו, התשתית המזדקנת מציבה בעיות אחרות, כמו הפסקות חשמל או פגיעות להתקפות סייבר.
"הגיע הזמן ליצור מחדש את הרשתות שלנו ו'לאלף את החיה' עם אלקטרוניקת כוח, טכנולוגיית כוח חדשה שהחלה לפרוח בשנות ה-80 כשהתחלתי את קריירת המחקר שלי", אמר פנג. "היה לי באמת מזל להיות בן חסות של כמה מחלוצי האלקטרוניקה והמנהיגים בעולם. צריך כפר כדי לגדל ילד, וצריך את כל החברה/העולם כדי לגרום לרשת החדשה הזו לקרות".
המחקר של פנג נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי והמשרד לטכנולוגיות אנרגיה סולארית.
