Da quase morte à alta tecnologia: domesticando a besta da eletricidade

Um professor de engenharia transformou uma experiência traumática da infância com eletricidade em uma carreira dedicada a melhorar a segurança elétrica. Ele desenvolveu um inversor de fonte Z que responde a falhas elétricas 1.000 vezes mais rápido do que os métodos tradicionais, com o objetivo de fortalecer a estabilidade da rede elétrica e prevenir desastres como incêndios florestais causados ​​por linhas de energia derrubadas.

Quando Fang Peng, professor da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU, era menino, ele viu em primeira mão o poder e o perigo da eletricidade.

Ele estava no ensino médio quando sua remota cidade natal chinesa recebeu pela primeira vez serviço elétrico. Sua família compartilhava uma única lâmpada portátil de 15 watts presa a um cabo. Era seu trabalho substituir a lâmpada.

“Uma noite, a lâmpada apagou e tentei trocá-la na escuridão total”, disse Peng. “Eu acidentalmente enfiei meu polegar esquerdo na tomada e fiquei imediatamente chocado. Perdi o equilíbrio e caí no chão de terra, tremendo enquanto a eletricidade queimava meu corpo. Felizmente, minha mão direita se enroscou no cabo e arrancou a tomada da minha mão esquerda, caso contrário eu não teria sobrevivido.”

Depois daquela experiência de quase morte, Peng viu a eletricidade como um desafio. Ele fez do trabalho de sua vida estudar o fenômeno e “domar a fera” que o colocava em perigo, mas também permitia que sua família visse à noite.

Fang Peng, Distinto Professor de Engenharia em Engenharia Elétrica e de Computação na Faculdade de Engenharia FAMU-FSU. Crédito: Mark Wallheiser/Faculdade de Engenharia FAMU-FSU

Inovações em Segurança Elétrica

A pesquisa mais recente de Peng dá continuidade a essa missão. Em um estudo publicado em Relatórios Científicosele mostra como um dispositivo semicondutor que ele criou, denominado inversor de fonte Z, pode reduzir rapidamente a tensão e a corrente no caso de um curto-circuito ou falha de circuito aberto.

Os mecanismos de segurança existentes que interrompem a eletricidade durante uma falha funcionam rapidamente, mas nem sempre com rapidez suficiente. Um disjuntor típico pode levar cerca de 50 milissegundos para ser ativado – tempo suficiente para matar uma pessoa ou provocar um incêndio. O conversor/inversor digital de fonte Z da Peng pode proteger em 5 microssegundos, ou 1.000 vezes mais rápido.

Como funciona

Quando um circuito está operando normalmente, as linhas e cabos de energia transportam corrente elétrica por uma longa distância dos geradores até os usuários finais, cujo uso é chamado de carga em um sistema elétrico. Os engenheiros normalmente desejam que ele funcione o mais forte possível para fornecer energia aos usuários finais. Mas quando algo quebra ou causa curto no circuito, como uma árvore caída, a corrente viaja através desse objeto. Flashes elétricos que atingem 35.000 graus Fahrenheit pode fazer com que os objetos em contato com o circuito aqueçam rapidamente e queimem com intensidade.

O interruptor eletrônico de Peng detecta curtos-circuitos mais rapidamente do que os métodos existentes. Ele também pode lidar com uma ampla gama de tensões de entrada sem a necessidade de componentes extras. Essa flexibilidade o torna útil em situações onde a fonte de alimentação não é constante ou quando é necessário trabalhar com diferentes níveis de tensão de forma eficiente.

“Desenvolvemos uma maneira de a fonte de energia responder melhor à carga”, disse ele. “Sem que os usuários finais percebam, podemos trazer imediatamente a rede elétrica de volta ao normal, sem picos de corrente.”

Por que é importante

Linhas de energia derrubadas provocam centenas de incêndios florestais todos os anos nos Estados Unidos. Os incêndios florestais de 2023 em Maui foram alguns dos mais mortíferos da história dos EUA. De acordo com a Associação Nacional de Proteção contra Incêndios, o incêndio começou quando uma árvore que caiu sobre uma linha de energia pegou fogo.

“O objetivo do nosso estudo é tornar a fonte de energia (tensão) mais responsiva às condições de carga”, disse Peng. “Se houver uma corrente grande inesperada, queremos reduzir a tensão para uma faixa segura para evitar incêndios. Os geradores tradicionais continuam gerando uma tensão constante independentemente da corrente.”

Reengenharia da rede

A solução da Peng pode ser usada para modernizar a infraestrutura existente para torná-la mais segura.

Diversificar a rede elétrica com fontes de energia renováveis, como turbinas eólicas, células fotovoltaicas e células de combustível, é uma forma de regular aumentos e diminuições de tensão.

“Além das energias renováveis, outra forma de evitar picos de energia é regular artificialmente o sistema com um conversor de energia”, disse Peng. “Seja natural ou artificial, queremos criar algo que funcione de forma autônoma com autoproteção, resiliência e redundância. Uma ideia é usar um resistor virtual implementado pela eletrônica de potência e controle para fornecer amortecimento e estabilização do sistema de circuito.”

Grande parte da rede elétrica nos Estados Unidos foi construída e ampliada nas décadas de 1960 e 1970. Juntamente com os incêndios provocados por linhas elétricas derrubadas, a infraestrutura envelhecida coloca outros problemas, como cortes de energia ou vulnerabilidade a ataques cibernéticos.

“É hora de refazer as nossas redes e 'domar a fera' com a electrónica de potência, uma nova tecnologia de energia que começou a florescer na década de 1980, quando comecei a minha carreira de investigação”, disse Peng. “Tive muita sorte de me tornar protegido de vários pioneiros da eletrônica de potência e líderes mundiais. É necessária uma aldeia para criar uma criança e é necessária toda a sociedade/mundo para fazer esta nova rede acontecer.”

Referência: “Fontes de impedância (fontes Z) com proteção inerente contra falhas para redes elétricas resilientes e livres de incêndios” por Fang Zheng Peng, 6 de fevereiro de 2024, Relatórios Científicos.
DOI: 10.1038/s41598-024-53452-y

A pesquisa de Peng foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Escritório de Tecnologias de Energia Solar.