Corriente continua (CC) alimenta linternas, smartphones y coches eléctricos, pero los principales usuarios de energía dependen de la corriente alterna (CA), que se enciende y apaga 60 veces por segundo. Entre las razones:La CA es fácil de apagar cuando hay un problema, conocido como falla, como la caída de un árbol en una línea eléctrica.

Pero DC tiene ventajas inherentes sobre su primo alterno, entre ellos una mayor eficiencia y la capacidad de transportar más potencia en distancias más largas. Eso podría ser cada vez más importante a medida que los parques eólicos en áreas rurales producen la energía necesaria en los centros de población. Y es probable que los futuros aviones y barcos eléctricos estén propulsados ​​por sistemas de CC de alta densidad de potencia.

La corriente alterna se puede apagar cuando el nivel de potencia llega a cero durante un ciclo, el punto de cruce por cero de una onda sinusoidal, que es la base de los interruptores que protegen los sistemas de energía modernos en todas partes, desde subestaciones hasta instalaciones domésticas. Sin estos ciclos alternos, sin embargo, La corriente continua no tiene el momento oportuno para desconectar la alimentación.

La nueva tecnología financiada por un premio de $ 3.3 millones del programa BREAKERS de ARPA-E podría ayudar a resolver ese problema utilizando innovaciones en electrónica de potencia, actuadores piezoeléctricos, y nuevos materiales de aislamiento para hacer factibles los disyuntores de CC de alta potencia. Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Estatal de Florida (FSU) esperan permitir velocidades de conmutación de interruptores diez veces más rápidas que los equipos existentes y comercializar la tecnología a través de un consorcio de socios de la industria.

"La transición de CA a CC, que ya esta pasando, abrirá un nuevo paradigma para la gestión eficiente y controlable de la energía en los futuros sistemas eléctricos y plataformas militares, "dijo Michael" Mischa "Steurer, un miembro de la facultad de investigación en el Centro de Sistemas Avanzados de Energía de la Universidad Estatal de Florida. "Esto será posible gracias a los asombrosos desarrollos que se han producido durante las últimas dos décadas en la electrónica de potencia".

El disyuntor híbrido que está desarrollando el equipo de investigación utilizará pilas de transistores muy grandes para apagar la CC cuando sea necesario. Los semiconductores son menos eficientes en la conducción de corriente que los interruptores mecánicos convencionales. así que en condiciones normales, la corriente fluirá a través de interruptores mecánicos. Pero cuando hay que apagar la energía, la corriente se enrutará brevemente a través de la electrónica de potencia hasta que se puedan abrir los disyuntores mecánicos.

"Estamos proponiendo un interruptor de circuito de CC híbrido en el que la corriente tendrá dos caminos, "explicó Lukas Graber, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. "Un camino será a través de los semiconductores, que puede interrumpir la corriente cuando sea necesario. El segundo camino será a través de interruptores mecánicos, lo que proporcionará una ruta mucho menos resistiva que será más eficiente para las operaciones normales ".

En aplicaciones comunes de electrónica de consumo, los transistores son demasiado pequeños para verlos y manejar solo unos pocos voltios. Los transistores que se utilizarán en la conmutación de CC son mucho más grandes (un centímetro cuadrado) y docenas o cientos de ellos se combinarían en serie o en paralelo para proporcionar suficiente capacidad para conmutar miles de voltios. Después de que la corriente se haya movido a la ruta del transistor de estado sólido, Los actuadores piezoeléctricos separarán rápidamente los contactos en los interruptores mecánicos antes de que la corriente aumente demasiado en los transistores. Una vez separados, la corriente a través de los transistores se puede desconectar.

"Necesitamos ser extremadamente rápidos, ", Dijo Graber." Tenemos que separar los contactos en 250 microsegundos y romper completamente la corriente en 500 microsegundos, sólo medio milisegundo. Por esta razón, no podemos utilizar actuadores hidráulicos o cargados por resorte comunes a los interruptores de CA. Los dispositivos que dependen del efecto piezoeléctrico pueden hacer eso por nosotros ".

Los investigadores de Georgia Tech y FSU han desarrollado la propiedad intelectual de los componentes de los interruptores de CC propuestos, y trabajarán juntos para combinar las tecnologías. El proyecto se conoce como Interruptor DC eficiente con protección contra sobretensiones (EDISON).

"Combinaremos las fortalezas de tecnologías significativamente diferentes, de estado sólido y mecánicas, en un sistema que funciona mejor en general que sus componentes individuales, ", dijo Steurer." Las piezas del sistema tienen que trabajar juntas sin problemas en medio milisegundo para lograr nuestro objetivo ".

Los investigadores, incluida la profesora asociada Maryam Saeedifard, Jonathan Goldman, director de VentureLab, y el becario postdoctoral Chanyeop Park en Georgia Tech y el profesor Fang Peng, Facultad de investigación Karl Schoder, y el profesor asistente Yuan Li en FSU:esperan construir un prototipo que se probará en las instalaciones de prueba de cinco megavatios de FSU dentro de tres años. El desarrollo y las pruebas se realizarán en colaboración con un equipo de socios industriales que, en última instancia, harán la transición de los interruptores de CC al uso comercial.

La corriente continua podría ser particularmente útil a medida que se conecten más energías renovables. Es posible que la energía fotovoltaica en el oeste todavía esté generando energía después de que se ponga el sol en el este. Las turbinas eólicas pueden estar produciendo energía en la parte media del país, mientras que las nubes cubren otras partes del país. Por lo tanto, la transmisión de energía de un lugar a otro podría ser más importante.

"Hay que salvar grandes distancias con las energías renovables, ", Dijo Graber." Cuando reconsideremos cómo será la próxima cuadrícula, DC puede jugar un papel más importante ".

Para aquellos que conocen la historia de la energía eléctrica, la obra abre un nuevo capítulo de una historia que se remonta a casi siglo y medio a dos de los inventores más célebres de todos los tiempos.

Los méritos relativos de DC versus AC proporcionaron la base para la "Guerra de la corriente" entre los inventores Thomas Edison y Nickolas Tesla en la década de 1880. Edison, un proponente de DC, finalmente perdió ante el AC de Tesla. Pero si Edison hubiera podido utilizar la electrónica de potencia moderna, la historia podría haber resultado diferente.

"Edison tenía razón, pero en ese momento se equivocó, "Dijo Graber." DC está volviendo fuerte, y seremos parte de hacerlo práctico ".