ولا غنى عن وجود وحدات تحويل عالية القوة من طراز AC إلى وحدات تحويل تابعة للبلدان النامية في الصناعة الحديثة، مما يزود كل شيء من مراكز البيانات ومحطات شحن المركبات الكهربائية إلى منافير الطاقة المتجددة ومعدات تصنيع واسعة النطاق، حيث أن هذه النظم تعالج الحمولات الكهربائية المتزايدة باستمرار، فإنها تولد حرارة كبيرة يجب إدارتها بفعالية، وبدون إدارة حرارية قوية، وتناقص الأداء، وتقلص عدد الوحدات التي تستهلك فيها الطاقة الكهربائية، وتحول إلى وحدات مبتكرة أكثر احتمالا.

الدور الحاسم للإدارة الحرارية

إن الحرارة هي الناتج الثانوي الحتمي لتحويل الطاقة الكهربائية، ففي وحدات عالية القوة، يمكن أن تبلغ الخسائر الناجمة عن تحويل المترجمين، والعناصر المغنطية، وأجهزة الاستصلاح، عدة كيلووات من الطاقة الحرارية، وإذا لم يتم إزالة هذه الحرارة بكفاءة، فإن درجات الحرارة في شبه الموصلات يمكن أن تتجاوز حدود التشغيل الآمنة، مما يؤدي إلى ارتفاع حراري في مستويات الحرارة، وانخفاض الكفاءة، وتسارع معدل الحرارة في استخدام أجهزة الرادارات.

إن الطلب المتزايد على الكثافة العالية للطاقة - زيادة القوة لكل وحدة من حجم الوحدة - أم أخرى، يضاعف الحاجة إلى التبريد المتقدم، حيث يحزم المهندسون عناصر أكثر في الضواحي الأصغر، ويكافحون الأساليب التقليدية القائمة على الهواء للحفاظ على هذه القدرات، مما أدى إلى الابتكار في المواد، وديناميات السوائل، وتصميم على مستوى المنظومة لإيجاد حلول للتبريد تكون فعالة ومتماسكة على حد سواء.

النهج التقليدية للتبريد والحدود التي تفرضها

وقد خدمت تقنيات التبريد التقليدية الصناعة جيداً منذ عقود، ولكن لكل منها عيوب متأصلة عندما تطبق على تحويل شركة AC إلى شركة DC ذات قوة عالية.

"الجو بارد مع "فانز

والتبريد بالطائرة بالقوة باستخدام المراوح الخرسانية أو الطاردة المركزية هو أكثر الطرق شيوعا، ويعتمد على مصارف الحرارة لزيادة المساحة السطحية والتدفق الجوي لتحمل الحرارة، وفي حين أن التبريد الجوي بسيط وخفيف التكلفة له قيود كبيرة على مستويات الطاقة العالية، فإن الارتفاع من المراوح العالية السرعة يمكن أن يكون غير مقبول في البيئات الحساسة للضوضاء، كما أن تراكم الغبار ينخفض على مر الزمن، مما يتطلب الصيانة المتكررة(أ).

سائل بارد مع الماء أو غليكول

كما أن نظم التبريد السائلة توزع مياهاً مبردة أو خليط من الماء - من خلال لوحات باردة ملحقة بمكونات إنتاج الحرارة، ولأن السيول لها قدرة على تصريف حراري أعلى بكثير وحرارة محددة من الهواء، فإنها يمكن أن تزيل قدراً أكبر من الحرارة لكل حجم الوحدة، غير أن التبريد التقليدي للسائل قد يطرح أيضاً تحديات: الحاجة إلى المضخات والمستودعات، والوحدات العالية التعقيد، والكلفة، والتسرب.

حروف الدنكس والراديوس

وتعتمد مصارف الحرارة المارة (التي كثيرا ما تكون مصنوعة من الألمنيوم أو النحاس) على الإشعاع الطبيعي، وهي صامتة وخالية من الصيانة، ولكنها تقتصر على كثافة الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة، وبالنسبة لوحدات تحويل الطاقة العالية، تصبح المصارف الحرارية غير عملية وثقيلة، وحتى مع الهواء القسري، فإن المقاومة الحرارية لبوع حراري هي اختناق كبير عندما تتجاوز الحمولات الحرارية عدة مئات من المربعات.

وهذه الأساليب التقليدية تواجه جميعها قيودا مماثلة: فهي لا تستطيع معالجة التدفقات الحرارية القصوى للأجهزة الالكترونية الحديثة للطاقة، أو تتطلب حيزا مفرطا، أو تنطوي على مسائل موثوقية، مما دفع موجة من الابتكار في مجال تكنولوجيا التبريد.

تكنولوجيات التبريد في الجول القادم

ولتلبية مطالب المحولات المتطورة من شركة AC إلى شركة DC، التي تزداد قوة وتضاؤلا، وضع المهندسون مجموعة من الحلول المتقدمة للتبريد، حيث توفر كل تكنولوجيا مزايا فريدة لتطبيقات محددة، ويجري الجمع بين العديد منها في نظم هجينة من أجل تحقيق الأداء الأمثل.

مواد تغير المرحلة

وتستغل مواد تغيير المرحلة الحرارة الكامنة من الاندماج أو التبخير لاستيعاب أو إطلاق كميات كبيرة من الطاقة بدرجة حرارة ثابتة تقريباً، وعندما تنتقل مادة PCM من الصلب إلى السائل إلى الغاز، فإنها ترتفع الحرارة دون ارتفاع مقابل في درجة الحرارة، وتوفر حاجزا حرارياً، وتشمل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الشمعية الشمعية، والهيدرات المالحة، والأحماض الدهون، مع نقاط تذيب مصممة خصيصاً للأجهزة الإلكترونية.

ويمكن أن يؤدي دمج أجهزة التحكم في المواد الكيميائية في نظم التبريد إلى سد ارتفاع درجات الحرارة أثناء الحمولات المطهرة أو العابرة، وعلى سبيل المثال، فإن وجود جهاز تحويل عالي القوة من طراز AC إلى DC في آلة لحام أو في سلة كهربائية قد يواجه طلقات قصيرة من التيار العالي؛ ويستوعب هذا الجهاز الحرارة العابرة ويطلقها ببطء خلال فترات القوى الأدنى، مما يقلل من الحجم المطلوب لعناصر التبريد النشطة ويحسن كفاءة النظام.

وتتسم الإدارة الحرارية القائمة على أساس ثنائي الفينيل متعدد الكلور بأهمية خاصة في التطبيقات المتنقلة أو النائية حيث لا يكون التبريد النشط (الفيا أو المضخات) مستصوباً بسبب استهلاك الطاقة أو الضوضاء أو القيود على الصيانة، غير أن نظم إدارة المركبات تكون أفضل ملاءمة للحمولات المتقطعة أو الدورية؛ وفي إطار العملية المستمرة ذات الطاقة العالية، ستذوب الآلية في نهاية المطاف وتفقد قدرتها على العزل إلى أن تتمكن من إعادة توطيدها.

التبريد

(ب) إن التبريد بالزئبق يشمل مكونات تحويل الطاقة المغمورة مباشرة إلى سوائل ديليكتري لا تُسيّر الكهرباء، وعادة ما يكون السائل زيت اصطناعي، أو سائل فلوروكربون (مثل 3M Novec أو Fluorinert)، أو مخزن حراري قابل للتحلل الأحيائي، وهناك تنفيذان رئيسيان هما: أشعة ذات مرحلتين واحدة، حيث يظل السائل في شكل سائل ويضخ من خلال سائل متغير في مكان آخر.

كما أن التبريد بالزرق يزيل العديد من أوجه التثبيت في الهواء: فهو صامت ومحصن من الغبار والحطام ويمكن أن يحقق معامل نقل الحرارة أعلى من الهواء القسري بعشرة إلى عشرين مرة، كما أنه يتيح كثافة عالية جدا في الطاقة، مما يجعله مثاليا لوحدات مدمجة ذات قدرة عالية مثل إمدادات مركز البيانات أو محولات المحركات في القطارات الكهربائية.

غير أن التبريد بالأشعة يتطلب تطابقاً دقيقاً بين المواد واختتاماً لمنع التسربات، فكلفة السوائل التغذوية، ولا سيما بالنسبة لنظم المرحلتين، يمكن أن تكون كبيرة، وتضيف إدارة السوائل (المضخات والمرشحات ومبادلات الحرارة) تعقيداً في النظام، ومع ذلك، فمع استمرار ارتفاع كثافة الطاقة، فإن التبريد بالارتداد يكتسب انتكاسة في التطبيقات الصناعية والحسابية.

Heat Pipe and Vapor Chamber Technology

إن أنابيب الحرارة وغرف البخار هي أجهزة مربوطة من مرحلتين تنقل الحرارة فوق المسافات ذات مقاومة حرارية منخفضة جدا، ويتكون الأنابيب الحرارية من أنبوب مختوم يحتوي على كمية صغيرة من سوائل العمل (مثل الماء أو الأمونيا أو الثلاجة) وتبخر في هيكل التبريد السطحي الذي ينتقل إلى نهاية الممرات حيث ينشر لاحقا

وبالنسبة للمحولات ذات الطاقة العالية من AC إلى DC، يمكن أن تستخرج الأنابيب الحرارية من مصادر مركزة (مثل وحدات إي جي بي تي أو نظام مورفيتس) وتنقلها إلى مغسلة حرارية أو مبادلات حرارية نائية، مما يتيح مرونة أكبر في تصميم النظام، وهي مصممة وموثوقة ولا تتطلب قطعا متحركة أو طاقة خارجية، وفي العديد من تصميمات الطاقة العالية، تستخدم أنابيب متعددة مقاومة للثومات ذات تأثيرات متوازية على نحو معالجة مئات من الشوئيات الارت.

ويمكن أن تعمل الأنابيب الحرارية الحديثة في تدفقات حرارية تتجاوز 100 دبلومتر/ثاني أكسيد الكربون، رغم أن الأداء يعتمد على التوجه وسوائل العمل وتصميم الوتر، وهي تستخدم على نطاق واسع في المحولات والمصحات ولوازم الطاقة للاتصالات السلكية واللاسلكية والمعدات الصناعية، وهناك تطبيق ملحوظ في محولات السكك الحديدية ذات القوى العالية، حيث تنقل الأنابيب الحرارية الحرارة من وحدات الطاقة الكهربائية إلى أجهزة التصفيق الهوائية الموجودة على سطح القطار.

أجهزة التبريد المتطورة

وبالإضافة إلى لوحات باردة بسيطة، فإن نظم التبريد السائل المتقدمة تتضمن تدفقاً ممتداً من مرحلتين، وأجهزة ميكانيكية صغيرة، وأجهزة لتبريد الطائرات من أجل تحقيق أداء غير مسبوق للتبريد، وفي حلقة مضخة من مرحلتين، يتم تعميم السائل من خلال قنوات ضيقة أو مباشرة على مصدر الحرارة، وتغليب وتكثيف في دورة مغلقة، ويمكن لهذا النهج أن يحقق معامل تهدئة تتراوح بين 000 10 و000 و000 و000 و000 و000 و000 و2K.

وتحتوي اللوحات الباردة الصغيرة على مئات من الصنادل المجهرية الخبيثة إلى معدني، وتوفر مساحة سطحية هائلة لنقل الحرارة، وتوجّه التبريد بالطائرة إلى السطح الساخن، وتعطل طبقة الحدود، وتعزز إزالة الحرارة، وتُستغل هذه التقنيات في أغراض تجارية من أجل استخدامات عالية الطاقة في الفضاء الجوي، والدفاع، والشبكات الكهربائية.

كما أن النظم الهجينة التي تجمع بين أنابيب الحرارة وتبريد السائل آخذة في الظهور، حيث تعمل الأنابيب الحرارية كأجهزة لاصطحاب حرارية إلى لوحة مركزية باردة، تبرد من ثم بواسطة حلقة مضخة، ويقلل هذا الهيكل من عدد وصلات السوائل ويحسن الأداء الحراري.

التبريد الحراري (المعدلات الحرارية)

وتكمن أجهزة التبريد الحرارية في الدول الصلبة التي تستخدم تأثير الفولطية في إحداث تدفق حراري عند تطبيق تيارات كهربائية، وهي مصممة وصمتية ويمكن أن توفر مراقبة دقيقة لدرجات الحرارة، غير أنها غير فعالة نسبياً مقارنة بأساليب أخرى، وتستخدم عموماً فقط في تطبيقات التبريد المنخفضة القوة أو البقعة، وفي تحويل الطاقة الكهرمائية العالية إلى مفاعلات متعددة، تستخدم هذه الأجهزة في بعض الأحيان لتثبيت درجة الحرارة الحساسة.

المواد الناشئة للإدارة الحرارية

وتتيح التطورات في مجال علوم المواد حلولا جديدة للتبريد، وتوفر غرافين ونانووب الكربون درجة عالية جدا من السلوك الحراري (حتى 000 5 من الألف من الألف من الألف من الألف من الألف من الألف من الألف من الألف من الألف من الألف من السائل الحراري، أو كطبقات مضافة في مصارف الحرارة، وتجمع مركبات الماس بين سلوكيات النحاس العالية.

وعلاوة على ذلك، يقوم الباحثون بتطوير هياكل متطورة للوزنات الحرارية باستخدام مسحوق النحاس المقطع أو الرغاوي المعدنية، وتحسين أداء الكبسولة، والعملية التمكينية ضد الجاذبية، ويجري تدريجيا إدماج هذه المواد في المنتجات التجارية للمحولين ذوي القوى العالية.

الاتجاهات المستقبلية والتوجيهات البحثية

وتتطور المشهد المبرد لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مصانع DC بسرعة، وهناك عدة اتجاهات رئيسية ترسم الجيل القادم من نظم الإدارة الحرارية.

التدفقات من أجل تعزيز القدرة على تصريف الحرارة

وتُعدّل السائل النانوي من السائل المقطعي من الجسيمات النانوية (مثل أكسيد الألومنيوم، أو أكسيد النحاس، أو الغرافيني) في سوائل قاعدية مثل الماء أو النفط، بل إن التركيزات الصغيرة من الجسيمات النانوية يمكن أن تزيد من السلوك الحراري بنسبة تتراوح بين 10 و40 في المائة، وتشير بعض الدراسات إلى حدوث تحسينات في التدفق الحرفي في تطبيقات الغليفة.

نظم التبريد الذكية مع رصد الزمن الحقيقي

ويحول جهاز استشعارات (IoT) وأجهزة التحكم المتقدمة الإدارة الحرارية من وظيفة سلبية إلى وظيفة فعالة ومكيفة، وتتكون أجهزة الاستشعار المتحركة التي تدمج في وحدات الطاقة، إلى جانب أجهزة قياس التدفق ومنتجات الضغط، وتغذي البيانات إلى جهاز إنذار مصغر يضبط سرعة المعجبين، أو معدل تدفق الضخ، أو حتى نظم الدمج في المقاييس في الوقت الحقيقي.

وفي وحدات تحويل الطاقة العالية المنتشرة في مواقع نائية (مثل مزارع الرياح البحرية أو المحافير الشمسية)، يمكن لنظم التبريد الذكية أن تُحسّن استهلاك الطاقة إلى أقصى حد من خلال زيادة جهود التبريد من أجل مضاهاة الحمولة الفعلية، والحد من الخسائر الطفيلية، بل إن بعض النظم يمكن أن تتعلم السلوك الحراري للمعدات وتتوقع حدوث تغيرات في حجمها، مع بلوغ أقصى قدر من النمو في الأداء الآلات.

التكامل مع تصميم النظم

فالإدارة الحرارية ينظر إليها بصورة متزايدة في بداية عملية التصميم بدلاً من أن تكون دراسة لاحقة، فالتصميم المشترك للالكترونيات الكهربائية والتبريد يتيح للمهندسين ترتيب عناصر لتقليل المقاومة الحرارية إلى أدنى حد، وإدماج موزعات الحرارة في الهيكل الخارجي، واختيار مواد تضاعف مسارات الحرارة، مثلاً، فإن بعض المحولات ذات الطاقة العالية تُدخل الميكانيكية الصغيرة مباشرة إلى الحد الأدنى من وحدة الطاقة.

والطباعة 3D (الصناعة اليدوية) تتيح إمكانية إنتاج كميات من الجيولوجيا المبردة المعقدة التي كان من المستحيل في السابق اختلاقها، ويمكن إنتاج قنوات التبريد المتجانسة التي تتبع مواقد مصدر الحرارة، وهياكل التكييف لبواليع الحرارة، والبخار العادم في سترات التبريد بالسائل عن طريق تصنيع المعادن المضافة، مما يتيح درجة جديدة من حرية التصميم.

الاستدامة والتبريد الأخضر

كما أن الشواغل البيئية تدفع إلى اعتماد مبردات ذات إمكانات الاحترار العالمي المنخفضة، والمبردات الطبيعية مثل البروبان أو الأمونيا أو ثاني أكسيد الكربون، وفي التبريد غير الدقيق، فإن المصابين بالتغير الأحيائي والمستمدين من الزيوت النباتية يكتسبون الاهتمام كبدائل لفلوروكربونات الاصطناعية، وبالإضافة إلى ذلك، يجري استكشاف استعادة حرارة النفايات من وحدات تحويل الطاقة العالية من أجل تدفئة المباني أو تحويلها إلى عمليات صناعية.

خاتمة

فوحدات تحويل الطاقة العالية إلى وحدات تحويل ثاني أكسيد الكربون هي العمود الفقري للنظم الحديثة للطاقة والصناعية، حيث لا تزال مستويات الطاقة وكثافة الطاقة ترتفع، فإن التبريد الفعال لم يعد اختياريا، بل هو شرط حاسم في التصميم، وفي حين أن أساليب التبريد التقليدية للهواء والسائل قد نجحت، فإنها غير كافية على نحو متزايد لأكثر التطبيقات المطلوبة، فالحلول المبتكرة مثل مواد التغيير التدريجي، وتبريد الأنابيب الحرارية، والثام السائل المتقدمة، توفر الأداء النظيفا.

ويعود المستقبل بتحقيق تقدم أكبر: السائل النانوي الذي يعزز الممتلكات المبردة، والإدارة الحرارية التي تحركها الوكالة الدولية للطاقة والتي تحقق أقصى قدر ممكن من النجاح في الوقت الحقيقي، ونُهج التصميم المتكاملة التي تضفي على الخط بين الإلكترونيات والتبريد، وبإبراز هذه الابتكارات، يمكن للمهندسين أن يكفلوا تشغيل وحدات تحويل الطاقة العالية في كامل إمكاناتها، ودعم البنية التحتية المتزايدة للطاقة المتجددة، والتنقل الكهربائي، والتشغيل الآلي الصناعي.