A corrente contínua (DC) alimenta as lanternas, smartphones e carros elétricos, mas os principais usuários de energia dependem da corrente alternada (AC), que liga e desliga 60 vezes por segundo. Entre os motivos:O AC é simples de desligar quando há um problema - conhecido como falha - como uma árvore caindo em um cabo de força.

Mas DC tem vantagens inerentes sobre seu primo alternativo, entre eles, maior eficiência e capacidade de transportar mais potência em distâncias mais longas. Isso pode ser cada vez mais importante, pois os parques eólicos nas áreas rurais produzem a energia necessária nos centros populacionais. E as futuras aeronaves e navios elétricos provavelmente serão movidos por sistemas DC de alta densidade de potência.

A corrente alternada pode ser desligada quando o nível de energia chega a zero durante um ciclo - o ponto de cruzamento zero de uma onda senoidal - que é a base para disjuntores que protegem os sistemas de energia modernos em todos os lugares, desde subestações até instalações residenciais. Sem esses ciclos alternados, Contudo, a corrente contínua não tem tempo oportuno para desligar a energia.

Nova tecnologia financiada por um prêmio de US $ 3,3 milhões do programa BREAKERS da ARPA-E poderia ajudar a resolver esse problema usando inovações em eletrônica de potência, atuadores piezoelétricos, e novos materiais de isolamento para viabilizar disjuntores CC de alta potência. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade do Estado da Flórida (FSU) esperam permitir velocidades de chaveamento do disjuntor dez vezes mais rápidas do que os equipamentos existentes e comercializar a tecnologia por meio de um consórcio de parceiros da indústria.

"A transição de AC para DC, o que já está acontecendo, abrirá um novo paradigma para o gerenciamento eficiente e controlável de energia em futuros sistemas elétricos e plataformas militares, "disse Michael" Mischa "Steurer, um membro do corpo docente de pesquisa no Center for Advanced Power Systems da Florida State University. "Isso será possibilitado pelos desenvolvimentos surpreendentes que aconteceram nas últimas duas décadas na eletrônica de potência."

O disjuntor híbrido em desenvolvimento pela equipe de pesquisa usará pilhas de transistores muito grandes para desligar a CC quando necessário. Os semicondutores são menos eficientes na condução de corrente do que os interruptores mecânicos convencionais, então, sob condições normais, a corrente fluirá através de interruptores mecânicos. Mas quando a energia deve ser desligada, a corrente será direcionada brevemente através da eletrônica de potência até que os disjuntores mecânicos possam ser abertos.

“Estamos propondo um disjuntor CC híbrido em que a corrente terá dois caminhos, "explicou Lukas Graber, professor assistente na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Georgia Tech. "Um caminho será através dos semicondutores, que pode interromper a corrente quando necessário. O segundo caminho será por meio de interruptores mecânicos, que fornecerá um caminho muito menos resistivo que será mais eficiente para operações normais. "

Em aplicações comuns de eletrônicos de consumo, os transistores são muito pequenos para ver e lidar com apenas alguns volts. Os transistores que serão usados ​​na comutação DC são muito maiores - um centímetro quadrado - e dezenas ou centenas deles seriam combinados em série ou paralelo para fornecer capacidade suficiente para comutar milhares de volts. Depois que a corrente foi movida para o caminho do transistor de estado sólido, os atuadores piezoelétricos irão separar rapidamente os contatos nas chaves mecânicas antes que a corrente aumente muito nos transistores. Uma vez separados, a corrente através dos transistores pode ser desligada.

"Precisamos ser extremamente rápidos, "Graber disse." Temos que separar os contatos em 250 microssegundos e interromper completamente a corrente em 500 microssegundos - apenas meio milissegundo. Por essa razão, não podemos usar atuadores com mola ou hidráulicos comuns aos disjuntores CA. Dispositivos que dependem do efeito piezoelétrico podem fazer isso por nós. "

Os pesquisadores da Georgia Tech e FSU desenvolveram propriedade intelectual para os componentes dos disjuntores DC propostos, e trabalharão juntos para combinar as tecnologias. O projeto é conhecido como Interruptor DC Eficiente com Proteção contra Surtos (EDISON).

"Combinaremos os pontos fortes de tecnologias significativamente diferentes - estado sólido e mecânico - em um sistema que funcione melhor no geral do que seus componentes individuais, "disse Steurer." As peças do sistema precisam trabalhar juntas em meio milissegundo para atingir nosso objetivo. "

Os pesquisadores, incluindo a Professora Associada Maryam Saeedifard, VentureLab Diretor Jonathan Goldman, e pós-doutorado Chanyeop Park na Georgia Tech e o professor Fang Peng, Professor de pesquisa Karl Schoder, e o professor assistente Yuan Li da FSU - espera construir um protótipo que será testado nas instalações de teste de cinco megawatts da FSU dentro de três anos. O desenvolvimento e o teste serão feitos em colaboração com uma equipe de parceiros industriais que, por fim, farão a transição dos disjuntores DC para uso comercial.

A corrente contínua pode ser particularmente útil à medida que mais energia renovável fica online. A energia fotovoltaica no oeste ainda pode estar gerando energia depois que o sol se põe no leste. As turbinas eólicas podem estar produzindo energia no meio do país, enquanto as nuvens cobrem outras partes do país. Transmitir energia de um local para outro pode, portanto, se tornar mais importante.

“Existem grandes distâncias a serem superadas com energias renováveis, "Graber disse." Quando repensarmos como será a próxima grade, DC pode desempenhar um papel maior. "

Para quem conhece a história da energia elétrica, a obra abre um novo capítulo de uma história que remonta quase um século e meio a dois dos inventores mais celebrados de todos os tempos.

Os méritos relativos de DC versus AC forneceram a base para a "Guerra da Corrente" entre os inventores Thomas Edison e Nickolas Tesla na década de 1880. Edison, um proponente da DC, acabou perdendo para o CA de Tesla. Mas se Edison tivesse sido capaz de usar a eletrônica de potência moderna, a história poderia ter sido diferente.

"Edison estava certo, mas na hora ele estava errado, "Graber disse." DC está voltando forte, e faremos parte para torná-lo prático. "