الإلكترونيات الكهربائية والطاقة الجديدة

مع الاستمرار في تحسين هياكل الطاقة العالمية والتقدم في تقنيات الطاقة المتجددة، تلعب الإلكترونيات الكهربائية دورًا متزايد الأهمية داخل أنظمة الطاقة الجديدة. من العاكسات الفوتوفولطية إلى أنظمة توليد الطاقة من الرياح، وامتدادًا إلى أنظمة تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية أصبحت الأجهزة الإلكترونية للقدرة شائعة الوجود بشكل كبير. ومع ذلك، فإن المطالب بكثافة طاقة عالية وكفاءة عالية وعمر خدمة ممتد تؤدي إلى توليد هذه الأجهزة لكميات كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل. وإذا لم يتم التحكم في هذه الحرارة بشكل فعال، فإن ذلك لا يقلل فقط من كفاءة الجهاز، بل ويُضعف أيضًا وبشكل كبير موثوقية النظام وعمره الافتراضي. وبالتالي، وباعتبارها المكون الأساسي للإدارة الحرارية في أنظمة الإلكترونيات القدرة، فإن تصميم وتطبيق مشتتات الحرارة يكتسب أهمية كبيرة لتطوير صناعة الطاقة الجديدة.

الأجهزة الإلكترونية للقدرة مثل تولد أجهزة IGBTs وMOSFETs والدايودات القدرة حرارة كبيرة في ظل ظروف تشغيل عالية التردد وعالية القدرة. تؤدي زيادة درجات الحرارة إلى ارتفاع الفاقد الناتج عن التبديل، وزيادة مقاومة التوصيل، وتسريع عملية تقادم مواد أشباه الموصلات، وقد تؤدي حتى إلى حدوث تشغيل حراري غير متحكم به. وبالتالي، فإن مشتتات الحرارة في الأنظمة الإلكترونية للقدرة لا تُعد مجرد أدوات تبريد سلبية، بل مكونات حيوية تضمن استقرار النظام، وتمديد عمره الافتراضي، وتحسين كفاءته. وخصوصًا في تطبيقات الطاقة الجديدة، حيث تعمل الأجهزة الكهربائية غالبًا باستمرار ضمن درجات حرارة محيطة متغيرة، فإن أداء مشتت الحرارة يؤثر بشكل مباشر على التشغيل الموثوق للنظام.

• عكسات الطاقة الشمسية

تشكل العاكسات الكهروضوئية القلب النابض لأنظمة الطاقة الشمسية، حيث تقوم بتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب. وتُنتج الأجهزة الكهربائية داخل العاكسات حرارة أثناء عمليات التبديل عالية التردد. وقد يؤدي عدم كفاية إدارة الحرارة إلى تقليل كفاءة العاكس أو حتى توقفه. وتشمل تكوينات مشتتات الحرارة الشائعة مشتتات حرارة من الألومنيوم المبثوق ولوحات تبريد سائلة. فمشتتات الحرارة من الألومنيوم المبثوق تعزز تبديد الحرارة من خلال هياكل زعانف مُحسّنة، مما يتيح التبريد بالحمل الطبيعي أو الهواء القسري. أما اللوحات المبردة بالسوائل، فتستخدم سوائل دوارة لإزالة الحرارة، ما يجعلها مناسبة للعاكسات الكهروضوئية ذات الكثافة القدرة العالية أو التي تعمل في بيئات مغلقة.

• محطة شحن المركبات الكهربائية

تُنتج محطات الشحن حرارة كبيرة أثناء نقل الطاقة بكفاءة، حيث يتحدد مستوى الموثوقية والسلامة وطول العمر التشغيلي مباشرةً بناءً على أداء مشتت الحرارة. تتعرض الوحدات الأساسية للطاقة (مثل IGBTs أو SiC MOSFETs) لخسائر كهربائية كبيرة عند تحويل التيار المتردد من الشبكة إلى تيار مستمر مطلوب للبطارية، مما يؤدي إلى إطلاق هذه الطاقة على شكل حرارة. وإذا لم يتم تبديد هذه الحرارة بسرعة، فإن ذلك يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المكونات الأساسية، ما يسبب تدهور الكفاءة وانخفاض الأداء أو حتى تلف دائم. إن نظام إدارة الحرارة الفعّال يُعد أمرًا أساسيًا لضمان تشغيل محطات الشحن بشكل مستقر في ظل ظروف ارتفاع درجات الحرارة والأحمال العالية، والحفاظ على إنتاجها للقدرة المصنفة (مثل 120kW أو 360kW أو أعلى)، ويؤثر هذا بشكل مباشر على سلامة الشحن وتجربة المستخدم.

حاليًا، تعتمد إدارة الحرارة في محطات الشحن بشكل رئيسي على نهجين تقنيين: التبريد بالهواء والتبريد بالسوائل :

1. مشعاعات التبريد بالهواء القسري: هذا هو الحل الشائع للجيل الأول من محطات الشحن متوسطة إلى منخفضة القدرة. تعتمد هذه الطريقة على زيادة مساحة التلامس بين المكونات الكهربائية والهواء من خلال الزعانف الحرارية، ثم استخدام مراوح لتحقيق تبادل حراري قسري بالحمل. وتتميز هذه الطريقة بهيكل بسيط وتكلفة منخفضة، لكن كفاءتها في التبريد محدودة، وتصدر ضجيجًا ملحوظًا من المراوح، كما أنها عرضة لتأثير الغبار البيئي، مما يجعلها غير قادرة على تلبية متطلبات تطور الكثافة العالية للقدرة.

2. الأنظمة المبردة بالسوائل: بالنسبة لمضخات الشحن السريع عالية القدرة (عادةً 150 كيلوواط فأكثر)، أصبح التبريد السائل الطريقة السائدة. تعتمد هذه الأنظمة على ألواح تبريد سائلة تتلامس بشكل وثيق مع المكونات المنتجة للحرارة. بعد امتصاص الحرارة، يقوم المائع الناقل بنقلها إلى مبادل حراري بعيد من نوع سائل-إلى-سائل أو سائل-إلى-هواء (المبرد الرئيسي) لإطلاق الحرارة. ويتفوق التبريد السائل بشكل كبير على التبريد الهوائي من حيث الكفاءة، ويوفر مساحة أكثر إحكاماً، ويمنح حماية مغلقة للمكونات الداخلية الحيوية، ويقلل الضوضاء بشكل كبير. وفي الوقت الحالي، تمتد تقنية التبريد السائل في أجهزة الشحن الفائقة السرعة حتى كابل فوهة الشحن، مما يضمن السلامة والتصميم خفيف الوزن عند التيارات العالية.

يفرض التقدم السريع في الإلكترونيات الكهربائية والأنظمة الجديدة للطاقة مطالب متزايدة على أداء مشتتات الحرارة. ومن خلال التصميم المُحسّن واختيار المواد بعناية والتحكم الذكي، لا تحل مشتتات الحرارة تحديات إدارة الحرارة بكفاءة فحسب، بل تساهم أيضًا في تحسين كفاءة الأنظمة وتمديد عمر المكونات ودفع عجلة التنمية المستدامة لتكنولوجيا الطاقة الجديدة. وفي المستقبل، ومع التقدم المستمر في علوم المواد وتقنيات إدارة الحرارة، ستصبح مشتتات الحرارة مكونات أساسية لا غنى عنها في قطاع الطاقة الجديدة، حيث توفر دعماً تقنياً قوياً لتحقيق الانتقال إلى الطاقة الخضراء.