Работа является частью более крупного интегрированного портфеля проектов, финансируемых Программой хранения энергии Министерства энергетики (DOE) в Управлении электроснабжения и надежности энергоснабжения.Переносные системы хранения энергии и преобразования энергии, которые могут поместиться внутри одного полуприцепа, могут сделать рентабельным быструю установку систем солнечной, ветровой и геотермальной энергии даже в самых удаленных местах.
«Такие модульные системы могут быть быстро развернуты на нескольких объектах с гораздо меньшим временем сборки и проверки», — сказал исследователь Sandia Тодд Монсон из отдела наномасштабных наук, который возглавлял команду со Стэном Атситти из Sandia’s Energy Storage Technology. Системный отдел.
Sandia производит порошки нитрида железа (γ’-Fe4N) путем измельчения в шаровой мельнице порошков железа в жидком азоте, а затем в аммиаке. Затем порошки нитрида железа консолидируют с помощью метода низкотемпературного спекания в полевых условиях (FAST), который формирует твердый материал из рыхлых порошков за счет приложения тепла, а иногда и давления.Метод производства FAST позволяет создавать сердечники трансформаторов из исходных материалов за считанные минуты без разложения требуемых нитридов железа, как это могло бы случиться при более высоких температурах, используемых при обычном спекании.
Ранее γ’-фаза нитрида железа синтезировалась только в виде тонкой пленки в условиях высокого вакуума или в виде включений в других материалах и никогда не интегрировалась в реальное устройство.Монсон сказал, что с помощью этого метода можно сделать трансформаторы в 10 раз меньше, чем они есть сейчас.Обработка не требуется«FAST позволяет формировать сетку деталей, что означает, что порошки нитрида железа могут быть спечены непосредственно в детали идеального размера, такие как сердечники трансформаторов, которые не требуют какой-либо механической обработки», — сказал Монсон.Благодаря своим магнитным свойствам трансформаторы из нитрида железа можно сделать намного более компактными и легкими, чем традиционные трансформаторы, с лучшей мощностью и большей эффективностью.
Им потребуется только воздушное охлаждение, еще одна важная экономия места. Нитрид железа также может служить более прочным и высокоэффективным материалом сердечника трансформатора в национальной электрической сети.
До сих пор Монсон и его коллеги продемонстрировали изготовление сердечников трансформаторов из нитрида железа с хорошими физическими и магнитными характеристиками, а теперь совершенствуют свой процесс и готовятся к испытаниям трансформаторов на испытательных стендах для преобразования энергии.«Усовершенствованные магнитные материалы имеют решающее значение для систем преобразования энергии следующего поколения, в которых используются преобразователи с высокочастотной связью, и могут дополнить усилия Sandia по разработке материалов для устройств со сверхширокой запрещенной зоной для усовершенствованных систем силовой электроники. Они могут выдерживать более высокие частоты и более высокие температуры, что в конечном итоге приводят к созданию конструкций с высокой удельной мощностью », — сказал Атситти.
Монсон, Атситти и их команда опирались на опыт Сандии в области силовой электроники и магнитных материалов в тесном сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского университета в Ирвине и Университета штата Аризона, которые помогали в обработке материалов и моделировании на системном уровне.Члены команды из Сандиа и Калифорнийского университета в Ирвине подали заявку на патент на процесс синтеза материалов.
«Силовая электроника представляет собой существенный фактор затрат в эффективной системе накопления энергии», — сказал Имре Гюк, менеджер программы накопления энергии в Управлении по поставке электроэнергии и надежности энергоснабжения Министерства энергетики США.