• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Skydda elnätet:Avancerad plasmaswitch för effektivare överföring

    Plasma lyser vitt i lågtryckshelium mellan magnetiserad katodelektrod, botten, och anodelektrod, topp. Kredit:General Electric

    Inuti ditt hem och på kontoret, lågspänningsväxelström (AC) driver lamporna, datorer och elektroniska apparater för dagligt bruk. Men när elen kommer från avlägsna långväga källor som vattenkraft eller solenergianläggningar, att transportera den som likström (DC) är effektivare – och att omvandla den tillbaka till växelström kräver skrymmande och dyra omkopplare. Nu är företaget General Electric (GE), med hjälp av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), utvecklar en avancerad switch som kommer att omvandla högspänningslikström till högspänningsväxelström för konsumenter mer effektivt, möjliggör reducerad kostnadsöverföring av långdistanskraft. Som ett sista steg, transformatorstationer längs sträckan minskar högspänningsväxelströmmen till lågspänningsström innan den når konsumenterna.

    GE testar ett rör fyllt med plasma – det laddade tillståndet av materia som består av fria elektroner och joner som PPPL studerar för att förstå fusionsenergi och ett brett utbud av processer – som företaget utvecklar som omvandlingsanordning. Switchen måste kunna fungera i åratal med en spänning så hög som 300 kilovolt för att göra det möjligt för en enda enhet att kostnadseffektivt ersätta de sammansättningar av krafthalvledaromkopplare som nu krävs för att konvertera mellan DC- och AC-effekt längs transmissionsledningar.

    PPPL-modeller byter

    Eftersom att testa en högspänningsplasmaswitch är långsam och dyr, GE har vänt sig till PPPL för att modellera omkopplaren för att visa hur den höga strömmen påverkar heliumgasen som företaget använder inuti röret. Simuleringen modellerade nedbrytningen – eller joniseringen – av gasen, producera ny insikt i processens fysik, vilket forskare rapporterade i en artikel som godkändes i tidskriften Plasmakällor vetenskap och teknik . Resultaten bygger på ett 2017 PPPL-dokument publicerat i tidskriften Plasmas fysik som modellerade effekten av högspänningsnedbrytning utan att presentera en analytisk teori.

    Tidigare forskning har länge studerat lägre spänningsnedbrytning av gaser. Men "GE har att göra med mycket högre spänning, sade Igor Kaganovich, biträdande chef för PPPL-teoriavdelningen och PPPL:s lågtemperaturplasmalaboratorium och en medförfattare till de två artiklarna. "Lågtrycks- och högspänningsnedbrytningsmekanismen har blivit dåligt förstådd på grund av behovet av att överväga nya mekanismer för gasjonisering vid höga spänningar, vilket är vad vi gjorde."

    Fynden identifierade tre olika nedbrytningsregimer som blir viktiga när högspänning används för att omvandla helium till plasma. I dessa regimer, elektroner, joner och snabba neutrala atomer startar nedbrytningen genom att återsprida - eller studsa av - elektroderna genom vilka strömmen flyter. Dessa resultat står i stark kontrast till de flesta tidigare modeller, som endast tar hänsyn till elektronernas inverkan på joniseringsprocessen.

    Resultat användbara för GE

    Resultaten visade sig vara användbara för GE. "Gasomkopplarens potentiella tillämpningar beror på dess maximalt möjliga spänning, " sa GE fysiker Timothy Sommerer, vem som leder projektet. "Vi har redan experimentellt visat att en gasomkopplare kan fungera på 100 kilovolt och vi arbetar nu med att testa på 300 kilovolt. Resultaten från PPPL-modellen är både vetenskapligt intressanta och gynnsamma för design av högspänningsgasbrytare."

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com