Хотите выиграть приз в один миллион долларов от Google?

Компания Google только что анонсировала соревнование с призом в один миллион долларов, целью которого должно стать создание обновленного инвертора (преобразователя) тока. Речь идет о девайсе, который будет преобразовывать постоянный ток, получаемый от солнечных панелей и батарей, в ток переменный, который нам всем привычен в быту и от которого питается, скажем, игровая приставка X-BOX, или холодильник, где для вас охлаждается баночка пива. Google нужен максимально компактный инвертор с высоким КПД, который бы позволил, наконец- то, широко внедрять солнечные панели в обычных домах, где они бы стали доминирующей тенденцией при строительстве наших домовладений и их электропроводящих сетей.

Ниже приводится краткий обзор для ускоренного создания представления о том, что же такое инвертор и что, собственно, нужно сделать чтобы «взять» приз от Google.

В последние месяцы Google скооперировался с Институтом Инженерии Электроники и Электричества и объявил о проведении конкурса с названием Little Box Challenge. Нужно попытаться сконструировать инвертор размером с планшет, с эффективностью в 95%, и способный запитать обычное домовладение. Всего делов-то на раз-два! И миллион «баксов» ваш!

Существующие на сегодняшний день инверторы в десятки раз больше, и имеют размер сопоставимый с небольшим холодильником.

Массивный инвертор заставил инженеров экспериментировать с различными материалами и электросхемами, с которыми нынешнее производство не спешило связываться, потому что и существующие материалы и схемы оказались весьма хороши для производственников.

Но Google решил, что этого мало, и есть обширное поле для улучшений!

Мир силовой электроники — это совокупность семейства аппаратов, которые помогают распределять электричество, включая инверторы. Это мир, готовый к инновациям! Новые материалы и электросхемы могут иметь широкое значение в деле энергосбережения и в технологиях, касающихся передачи электричества из одного места в другое.

Чтобы выиграть заявленное Google состязание, изобретателям и инженерам придется использовать новейшие материалы, современнейший дизайн, и передовые наработки инженеров в области энергетики. Каждый инвертор строится вокруг особого коммутатора. Когда прямой постоянный ток – а это фактически поток электронов, двигающийся в одном направлении от солнечной батареи или панели, достигает коммутатора, то последний мгновенно расщепляет поток на два вывода электросхемы. Уже эти два потока прямого постоянного напряжения выводятся на корпус транзистора и впоследствии преобразуются в поток еще «сырого» переменного тока. Далее другие части схемы выравнивают уже этот ток в волну синусоидального напряжения, которая гораздо лучше воспринимается нашими бытовыми приборами.

Основная проблема, с которой сталкиваются соискатели Приза от Google это то, что переключатели инвертора сейчас делаются из кремния. Кремний на самом деле — дешевый и удобный в работе материал, но внутри инвертора он так быстро вибрирует, что начинается процесс трансформации этой энергии движения в тепло.

И вот тут появляется не какая-то умозрительная проблемка, а серьезный изъян: при нагревании высока вероятность разрушения составных электрических частей девайса. Таким образом, инверторы нуждаются в особых металлических блоках — их можно назвать тепло-отводными радиаторами – охлаждаемыми вентиляторами, и которые бы отводили нагнетающееся нагревание от чувствительных частей инвертора.

Чтобы уменьшить размеры инвертора, сжать его, что и требует Google, инженерам, очевидно, придётся придумать, как построить их рядом с коммутаторами, которые в свою очередь нужно создавать из полупроводников. Нужно добиться переключения значительно более быстрого. На эту роль претендуют два кандидата: карбид кремния (SiC) и нитрат галлия (GaN). Более быстрое переключение означает меньшее нагревание, а значит, инвертору не потребуется еще больше вентиляторов и тепло отводных частей.

«Когда переключение происходит с более высокой скоростью и частотой, вот тогда- то все и встает на свои места» — говорит Брэд Лехман, инженер-электрик Северо-Восточного Университета в Бостоне, по совместительству редактор журнала «Transactions on Power Electronics». Карбид кремния (SiC) и нитрат галлия (GaN) уже существуют, и их возможности подчас просто завораживают».

Эти материалы также лучше в том плане, что выравнивают поток «сырого» переменного тока, что выходит из первой части электросхемы, а также места они в инверторе займут меньше, чем обычно, что очень нужно Google.

Другой проблемой с современных инверторных коммутаторов является тот факт, что они создают некоторую пульсацию на стороне постоянного тока инвертора. Это может уменьшить эффективность подсоединенной к солнечным панелям аппаратуры, батареи, что аккумулирует энергию от панелей и других составных частей постоянного тока электросхемы.

Сегодня есть решение по добавлению небольших временных хранилищ — конденсаторов, способных «глушить» пульсацию.

Но конденсаторы имеют и отрицательный эффект: они занимают немало места. Более компактный инвертор, который и стремится получить Google, не может себе позволить делится свободным пространством с чем-то еще и эту проблему придётся решать при помощи обновлённого и инновационного дизайна прибора.

Использование новейших материалов и дизайнерских решений при производстве инверторов должны поднять их эффективность на новый уровень. Правда, сложно сказать, насколько и как успешно это все получится. Скомпоновать составные части девайса в тот размер, что предлагается устроителями состязания, да еще соответствовать при этом строгим правилам Федерального Совета по строительству США- установленным по электромагнитной совместимости – все это представляется нечто гораздо большим, чем экспериментальная круговерть типа «подключи и играй» (как в игровых приставках, например).

«Вы можете получить очень эффективный коммутатор, но вам придется изыскать возможность рассадить весь этот «кустарник» из других составных частей прибора вокруг него» — заявляет Стив Колино, Вице Президент «Эффективного Энергетического Диалога» — компании, которая и выпускает заявленный полупроводник (нитрат галлия) (GaN).

Участники состязания имеют время до 22 июля 1915 года представить свои творения на суд жюри. У Google уже сейчас работают сотни акров солнечных панелей, что питают их серверы, а вообще в планах компании перейти на 100% обеспечение себя экологически чистой «зеленой» энергией. Но требование суперэкологичности пока никак не должно наложить ограничения на результат учреждённого соревнования и приза. Пока нужен уменьшенный и обновленный инвертор.

Изобретатели и инженеры могут сами решить, будут ли они подавать в патентное бюро свое детище, а может быть, будут активно его использовать иными способами, тестируя девайс победителя в агрессивных природных условиях.

Источник статьи — Wired.com, автор — Ник Стоктон, перевод — Михаил Берсенев.