Gelijkstroom (DC) voedt zaklampen, smartphones en elektrische auto's, maar grote stroomgebruikers zijn afhankelijk van wisselstroom (AC), die 60 keer per seconde aan en uit gaat. Een van de redenen:AC is eenvoudig uit te schakelen wanneer er een probleem is, ook wel een storing genoemd, zoals een boom die op een hoogspanningslijn valt.

Maar DC heeft inherente voordelen ten opzichte van zijn afwisselende neef, waaronder een hogere efficiëntie en het vermogen om meer kracht over langere afstanden te dragen. Dat kan steeds belangrijker worden, aangezien windmolenparken in landelijke gebieden stroom produceren die nodig is in bevolkingscentra. En toekomstige elektrische vliegtuigen en schepen zullen waarschijnlijk worden aangedreven door DC-systemen met een hoge vermogensdichtheid.

Wisselstroom kan worden uitgeschakeld wanneer het vermogensniveau nul bereikt tijdens een cyclus - het nuldoorgangspunt van een sinusgolf - wat de basis vormt voor stroomonderbrekers die moderne stroomsystemen overal beschermen, van onderstations tot huisinstallaties. Zonder deze afwisselende cycli, echter, gelijkstroom heeft geen geschikt moment om de stroom uit te schakelen.

Nieuwe technologie, gefinancierd door een prijs van $ 3,3 miljoen van het BREAKERS-programma van ARPA-E, kan dat probleem helpen oplossen met behulp van innovaties in vermogenselektronica, piëzo-elektrische aandrijvingen, en nieuwe isolatiematerialen om krachtige DC-stroomonderbrekers mogelijk te maken. Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en de Florida State University (FSU) verwachten dat ze de schakelsnelheid van de schakelaar tien keer sneller kunnen maken dan bestaande apparatuur en de technologie via een consortium van industriële partners op de markt kunnen brengen.

"De overgang van AC naar DC, wat al gebeurt, zal een nieuw paradigma openen voor efficiënt en controleerbaar energiebeheer in toekomstige elektrische systemen en militaire platforms, " zei Michael "Mischa" Steurer, een lid van de onderzoeksfaculteit aan het Center for Advanced Power Systems van de Florida State University. "Dit wordt mogelijk gemaakt door de verbazingwekkende ontwikkelingen die de afgelopen twee decennia hebben plaatsgevonden in de vermogenselektronica."

De hybride stroomonderbreker die door het onderzoeksteam wordt ontwikkeld, zal stapels zeer grote transistors gebruiken om de gelijkstroom uit te schakelen wanneer dat nodig is. Halfgeleiders zijn minder efficiënt in het geleiden van stroom dan conventionele mechanische schakelaars, dus onder normale omstandigheden, de stroom zal door mechanische schakelaars vloeien. Maar wanneer de stroom moet worden uitgeschakeld, stroom wordt kort door de vermogenselektronica geleid totdat de mechanische stroomonderbrekers kunnen worden geopend.

"We stellen een hybride DC-stroomonderbreker voor waarin de stroom twee paden zal hebben, " legde Lukas Graber uit, een assistent-professor aan de School of Electrical and Computer Engineering aan Georgia Tech. "Eén pad zal door de halfgeleiders gaan, die de stroom kan onderbreken wanneer dat nodig is. Het tweede pad gaat via mechanische schakelaars, wat een veel minder resistief pad zal bieden dat efficiënter zal zijn voor normale operaties."

In gewone consumentenelektronica-toepassingen, transistors zijn te klein om slechts een paar volt te zien en te verwerken. De transistors die bij DC-schakeling zullen worden gebruikt, zijn veel groter - een vierkante centimeter - en tientallen of honderden zouden serieel of parallel worden gecombineerd om voldoende capaciteit te bieden voor het schakelen van duizenden volts. Nadat de stroom is verplaatst naar het pad van de halfgeleidertransistor, piëzo-elektrische actuatoren zullen de contacten in de mechanische schakelaars snel scheiden voordat de stroom in de transistors te hoog wordt. Eenmaal gescheiden, de stroom door de transistoren kan worden uitgeschakeld.

"We moeten extreem snel zijn, Graber zei. "We moeten de contacten binnen 250 microseconden scheiden en de stroom binnen 500 microseconden volledig verbreken - slechts een halve milliseconde. Om die reden, we kunnen geen veerbelaste of hydraulische aandrijvingen gebruiken die gebruikelijk zijn bij AC-stroomonderbrekers. Apparaten die afhankelijk zijn van het piëzo-elektrische effect kunnen dat voor ons doen."

De onderzoekers van Georgia Tech en FSU hebben intellectueel eigendom ontwikkeld voor componenten van de voorgestelde DC-onderbrekers, en zullen samenwerken om de technologieën te combineren. Het project staat bekend als Efficient DC Interrupter with Surge Protection (EDISON).

"We zullen de sterke punten van aanzienlijk verschillende technologieën - solid state en mechanisch - combineren tot een systeem dat over het algemeen beter functioneert dan de afzonderlijke componenten, "zei Steurer. "De onderdelen van het systeem moeten binnen een halve milliseconde naadloos samenwerken om ons doel te bereiken."

De onderzoekers, waaronder universitair hoofddocent Maryam Saeedifard, VentureLab-directeur Jonathan Goldman, en postdoctoraal fellow Chanyeop Park bij Georgia Tech en professor Fang Peng, Onderzoeksfaculteit Karl Schöder, en assistent-professor Yuan Li aan de FSU - verwachten een prototype te bouwen dat binnen drie jaar zal worden getest in de testfaciliteit van vijf megawatt van de FSU. De ontwikkeling en het testen zal worden gedaan in samenwerking met een team van industriële partners die uiteindelijk de DC-onderbrekers voor commercieel gebruik zullen overzetten.

Gelijkstroom kan bijzonder nuttig zijn naarmate er meer hernieuwbare energie online komt. Fotovoltaïsche zonne-energie in het westen wekt mogelijk nog steeds stroom op nadat de zon ondergaat in het oosten. Windturbines produceren mogelijk stroom in het midden van het land, terwijl wolken andere delen van het land bedekken. Het overbrengen van vermogen van de ene naar de andere locatie zou daarom belangrijker kunnen worden.

"Er zijn grote afstanden te overbruggen met hernieuwbare energiebronnen, "Zei Graber. "Als we heroverwegen hoe het volgende raster eruit zal zien, DC kan een grotere rol spelen."

Voor degenen die de geschiedenis van elektrische energie kennen, het werk opent een nieuw hoofdstuk van een verhaal dat bijna anderhalve eeuw teruggaat tot twee van de meest gevierde uitvinders aller tijden.

De relatieve verdiensten van DC versus AC vormden de basis voor de "War of Current" tussen uitvinders Thomas Edison en Nickolas Tesla in de jaren 1880. Edison, een voorstander van DC, verloor uiteindelijk van Tesla's AC. Maar als Edison moderne vermogenselektronica had kunnen gebruiken, het verhaal had misschien anders gelopen.

"Edison had gelijk, maar toen had hij het mis, " zei Graber. "DC komt sterk terug, en we zullen een deel zijn om het praktisch te maken."