Dentro de su hogar y oficina, la corriente alterna de bajo voltaje (CA) alimenta las luces, Computadoras y dispositivos electrónicos para uso diario. Pero cuando la electricidad proviene de fuentes remotas de larga distancia, como centrales hidroeléctricas o plantas de generación solar, transportarlo como corriente continua (CC) es más eficiente, y convertirlo de nuevo a corriente CA requiere interruptores voluminosos y costosos. Ahora la empresa General Electric (GE), con la ayuda de científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), está desarrollando un interruptor avanzado que convertirá la corriente CC de alto voltaje en corriente CA de alto voltaje para los consumidores de manera más eficiente, permitiendo la transmisión de energía a larga distancia a un costo reducido. Como paso final, Las subestaciones a lo largo de la ruta reducen la corriente CA de alto voltaje a corriente de bajo voltaje antes de que llegue a los consumidores.

GE está probando un tubo lleno de plasma, el estado cargado de la materia compuesta de electrones e iones libres que PPPL estudia para comprender la energía de fusión y una amplia gama de procesos, que la compañía está desarrollando como dispositivo de conversión. El interruptor debe poder operar durante años con un voltaje tan alto como 300 kilovoltios para permitir que una sola unidad reemplace de manera rentable los conjuntos de interruptores de semiconductores de potencia que ahora se requieren para convertir entre energía CC y CA a lo largo de las líneas de transmisión.

Conmutador de modelos PPPL

Dado que probar un interruptor de plasma de alto voltaje es lento y costoso, GE ha recurrido a PPPL para modelar el interruptor y demostrar cómo la alta corriente afecta el gas helio que la compañía está usando dentro del tubo. La simulación modeló la descomposición (o ionización) del gas, producir una nueva visión de la física del proceso, que los científicos informaron en un artículo aceptado en la revista Ciencia y tecnología de las fuentes de plasma . Los resultados se basan en un artículo de PPPL de 2017 publicado en la revista. Física de Plasmas que modeló el efecto de la ruptura de alto voltaje sin presentar una teoría analítica.

Investigaciones anteriores han estudiado durante mucho tiempo la descomposición de gases a baja tensión. Pero "GE está lidiando con un voltaje mucho más alto, "dijo Igor Kaganovich, subdirector del Departamento de Teoría de PPPL y del Laboratorio de Plasma de Baja Temperatura de PPPL y coautor de los dos artículos. "El mecanismo de ruptura de baja presión y alto voltaje no se ha entendido bien debido a la necesidad de considerar nuevos mecanismos de ionización de gas a altos voltajes, Qué es lo que hicimos."

Los hallazgos identificaron tres regímenes de descomposición diferentes que se vuelven importantes cuando se usa alto voltaje para convertir helio en plasma. En estos regímenes, electrones, Los iones y los átomos neutros rápidos inician la descomposición mediante la retrodispersión (o rebotando) de los electrodos a través de los cuales fluye la corriente. Estos resultados contrastan fuertemente con la mayoría de los modelos anteriores, que consideran solo el impacto de los electrones en el proceso de ionización.

Hallazgos útiles para GE

Los hallazgos resultaron útiles para GE. "Las aplicaciones potenciales del interruptor de gas dependen de su voltaje máximo posible, "dijo el físico de GE Timothy Sommerer, quien dirige el proyecto. "Ya hemos demostrado experimentalmente que un interruptor de gas puede funcionar a 100 kilovoltios y ahora estamos trabajando para probar a 300 kilovoltios. Los resultados del modelo PPPL son científicamente interesantes y favorables para el diseño de interruptores de gas de alto voltaje".