Pregunta neófita sobre AC vs. DC (especialmente para alimentar una casa)

Aquí en los Estados Unidos, la red eléctrica es AC. He oído que la CA permite la transmisión de energía a mayores distancias con menos pérdidas. Sin embargo, con la llegada de los paneles solares, parece que uno podría generar energía de CC directamente y alimentar el hogar de esta manera. No hay grandes distancias involucradas.

¿Por qué no se hace esto? Hasta donde yo sé, los paneles solares retroalimentan la red eléctrica principal. Esto significa que convierten dc a ac, presumiblemente con alguna pérdida. ¿Podría alimentar toda su casa con DC? Suponiendo que vivía en un área soleada y tenía suficiente espacio en el techo, ¿podría alimentar todo (aire acondicionado del refrigerador, etc.), tal vez almacenar la energía en baterías para usar durante la noche? ¿Asumo que necesitarías todos los electrodomésticos nuevos que funcionan con DC?

Parecería un pequeño precio a pagar por ser independiente de la energía. ¿Podrías reutilizar los cables de tu casa actual? Nunca he oído hablar de esto, así que supongo que hay obstáculos importantes. ¿Podría alguien darme la explicación del laico de por qué es una mala idea, o imposible, o simplemente no se ha hecho?

No es imposible, es más complicado y costoso. Todo en su casa está diseñado para funcionar con aire acondicionado. Muchos productos más pequeños incorporan CC, pero vienen con un adaptador de CA porque es la única fuente disponible de energía continua y económica en casi todas partes. El voltaje requerido puede ser diferente para cada dispositivo. Lo más parecido a un estándar para la alimentación de CC es probablemente USB 5.0V, que solo ofrece suficiente corriente para dispositivos pequeños y no nada más grande.

El funcionamiento de una casa con energía solar es más o menos: desde el panel solar al cargador de batería a la batería, al inversor CC-CA a las tomas de pared, más otro regulador de energía y medidor si alimenta energía adicional a la red, lo cual no es un requisito. Uno podría alimentar una casa directamente con CC no regulada de la batería si los electrodomésticos fueron diseñados para funcionar con ella, pero la mayoría no lo son. Si el voltaje de la batería tuviera que ser regulado antes de la distribución a la casa, todo lo que realmente estaría haciendo es cambiar el inversor DC-AC por un regulador DC-DC, básicamente una caja diferente con un costo similar.

Debido al pequeño tamaño del mercado de electrodomésticos de CC (en este momento), serían más difíciles de encontrar y posiblemente más caros que las unidades de CA. Si llega un momento en que casi todas las casas tienen energía solar en el techo, podrían ser tan fáciles de comprar y mantener.

En cuanto a la reutilización del cableado, un cable es solo una tira de cobre y no le importa si le pone CA o CC, SI se mantiene dentro de sus capacidades. Si tuviera que poner mucha más corriente a través del cable debido a un voltaje más bajo, es posible que necesite cables más gruesos, diferentes características de seguridad en las cajas de cableado, fusibles de mayor potencia, etc. Desearía diferentes enchufes en los tomacorrientes para que nadie cometiera un error al enchufar un dispositivo de CA en un tomacorriente que proporciona CC.

En general, es más barato y más simple colocar un inversor DC-AC en la batería que destripar todo el sistema eléctrico de la casa y reconstruirlo, además de comprar todos los electrodomésticos nuevos, además de necesitar un pequeño inversor DC-AC en cada habitación para los dispositivos que no se pueden volver a comprar para ejecutarse desde DC, que en este momento son casi todos los dispositivos. Puede pensar que el inversor de CA proporciona "compatibilidad con versiones anteriores" con los cien años anteriores de dispositivos eléctricos.

Si un neófito ha leído hasta aquí, podría ayudar a definir "SMPS", que es una fuente de alimentación de modo de interruptor. Casi todas las computadoras de escritorio (99.99 ...%) contienen una, al igual que un UPS, fuente de alimentación ininterrumpida.

[PD: Esta es mi primera publicación en SE, debo admitir que me dejé llevar por la historia y los temas periféricos. ¿Culpable como acusado?]

En el interior, el SMPS utiliza un rectificador para convertir la CA entrante a CC, que alimenta un inversor de alta frecuencia *. (Un inversor convierte CC en CA). La CA de ese inversor alimenta un pequeño transformador que es notablemente más pequeño que un transformador de 60 Hz de la misma clasificación, tal vez un 10% más grande, si es así. El transformador proporciona los voltajes de CC necesarios de múltiples devanados secundarios a través de rectificadores. En cierto sentido, no es muy diferente de una correa de transmisión en el motor de un automóvil que proporciona diferentes velocidades para el alternador, el ventilador y otros accesorios. * Al menos 25 kHz, probablemente muchas veces eso.

Una nota de seguridad: la CC que alimenta el inversor es de aproximadamente 300 V aproximadamente, y se suaviza mediante condensadores grandes que almacenan energía durante milisegundos mientras el voltaje instantáneo de la CA entrante no está en su pico o cerca de él. Pueden mantener su carga después de desconectar el cable de alimentación, y son un peligro de descarga peligroso y posiblemente letal.

El inversor utiliza semiconductores, tradicionalmente transistores de potencia, para encender rápidamente la CC, ya sea completamente encendida o completamente apagada en la alta frecuencia. Cuando están encendidos, esos semiconductores son muy eficientes, pierden solo un poco de energía como calor y, cuando están apagados, son aún mejores. Las transiciones durante el cambio son rápidas, pero necesitan una buena ingeniería. Esa es la parte del "modo de cambio". (Sí, hay un oscilador para proporcionar el tiempo para los interruptores).

Los inversores que forman parte de las instalaciones de energía solar proporcionan CA a la frecuencia de la región, 50 Hz en gran parte del mundo y parte de Japón, y 60 Hz para América del Norte, la otra parte de Japón, y la mayoría (si no todos) de Central y países sudamericanos.

Hace algún tiempo, se sugirió que la energía doméstica y de oficinas pequeñas en el futuro estaría a dos voltajes, 320 V (muy probablemente DC, iirc) y algo así como 24 o 32 V, como recuerdo, también DC. El alto voltaje sería para dispositivos que necesitan mucha energía.

Antes de la Administración de Electrificación Rural, la corriente continua de 32 voltios era común, junto con pequeñas turbinas eólicas. Pruebe Wincharger ™ para una marca registrada.

Las líneas largas de transmisión de energía de CA de alto voltaje tienen pérdidas significativas, quizás debido a la capacitancia y la resistencia. Las líneas de CC de alto voltaje, sin embargo, tienen pérdidas mucho menores. Aunque Francia tenía un enlace pionero de HVDC con generadores y motores aislados en serie, llevó un tiempo, probablemente décadas, desarrollar inversores, en particular. ¡La conversión confiable de un megavoltio DC a cientos de megavatios a CA no es para aficionados!

Fuente de alimentación e historia relacionada

Esto es realmente un nombre inapropiado. Realmente son convertidores de potencia . La energía se suministra desde los generadores de la red eléctrica, que son rotados por turbinas. A principios de la década de 1920, todos los receptores de radio funcionaban con baterías, baterías A (típicamente baterías de automóvil, todas de 6 V) y baterías B , no recargables, 22½ V y sus múltiplos, hasta 135 V. Las baterías C existían, pero duró la mitad de una eternidad, aparentemente. Esas baterías de automóviles eran anteriores a los tipos sellados / regulados por válvulas, y el ácido sulfúrico diluido era desagradable para los pisos y alfombras de la sala de estar. Recargar fue una molestia. Las baterías B comprendían muchas celdas de zinc-carbono de 1.5 V, y su costo no era trivial.

En aquel entonces, la energía de los servicios públicos del hogar se estaba volviendo bastante común, y había una necesidad real de operar radios desde el hogar. Al principio, los dispositivos para reemplazar las baterías hicieron el trabajo, y afaik se los llamó "fuentes de alimentación", también "eliminadores de baterías". El término llamó la atención de los ingenieros de radio y, desde entonces, se ha mantenido en uso para la línea de CA / red a los convertidores de CC.

Notas relacionadas:

Antes de que 110 (120?) Voltios se convirtieran en estándar para el servicio de CC en los EE. UU., La CC de los primeros servicios oscilaba entre 50 y 500 V. * La primera aplicación generalizada para motores eléctricos fueron los ventiladores rotativos, típicamente de mesa. Las correas de transmisión se utilizaron para unos pocos. Los antiguos coleccionistas de ventiladores conservan la historia temprana del motor eléctrico. * Un anuncio, reproducido en línea, por uno de los primeros fabricantes de ventiladores ofrecía ese rango de voltajes.

La corriente continua de la red pública no desapareció rápidamente. La ciudad de Nueva York tenía 110 V CC suministrados a al menos un salón de baile de un hotel después de 1960. (Las unidades de elevadores de CC aún pueden existir, incluso hoy). La Audio Engineering Society celebró su exposición anual de la convención a principios de la década de 1960 en The New Yorker Hotel. Cuando se instalaron las exhibiciones, poco después de que los dispositivos se enchufaron y se encendieron, parecían muertos, pero los transformadores de potencia y los motores en ellos se sobrecalentaron; algunos podrían haber sido gravemente dañados. La alimentación de CC a un dispositivo solo de CA aparentemente no dispara los interruptores ni los fusibles.

¡Lo adivinaste! Los enchufes de pared no estaban marcados como DC , y tenían las ranuras emparejadas estándar que todos teníamos antes de la tierra de seguridad del tercer cable.

Hace muchas décadas, era común usar probadores para verificar si la alimentación era CA o CC. Entre dichos probadores se encontraba el papel de prueba de polaridad, que había sido tratado con algo de sal iónica. DC creó un color en un solo cable. Los pequeños tipos de bombilla de neón con cables conectados eran, y aún son, otro. Solo se ilumina el electrodo negativo.

Junto con esto, los dispositivos se anunciaron como OK para usar en AC o DC. Destacan los ruidosos motores de alta velocidad en aspiradoras y taladros eléctricos con cable, entre muchos otros. Esos motores tienen "escobillas" de carbón, conmutadores y rotores enrollados con alambre magnético. Básicamente, son motores de CC con núcleos de campo laminados y un entrehierro ligeramente más ancho alrededor del rotor. Además, las radios anteriores a la Segunda Guerra Mundial, especialmente las ubicuas de cinco tubos, funcionaban bien en CC: invierte el enchufe de alimentación, si aparentemente estaban "muertas" en CC.

Los primeros motores para tranvías, todos de CC, usaban cepillos de alambre de cobre (¿aleación?) Para contactar a sus conmutadores. Esos simplemente no funcionaron, por lo que los bloques de carbono tomaron su lugar. El nombre original atascado.

Aparentemente, muchos interruptores de luz eran rotativos. A medida que giraba la perilla, enrollaba un resorte, y después de un cuarto de vuelta, el mecanismo desenganchaba los contactos de repente, para romper el arco. (¿Sin imanes extraíbles?) Pruebe "Ark-Les" ™ para obtener una marca comercial. Quizás es por eso que decimos "encender / apagar" una luz, aunque las luces de escritorio y mesa con enchufes de interruptor a veces tienen perillas giratorias.

Los interruptores de pared más antiguos para las luces de la habitación, el tipo omnipresente de palanca de subida / bajada, hicieron un chasquido distintivo cuando se operaron. Eso simplemente debe haber sido romper los arcos de CC. Mi apto. tiene ambos tipos

Massachusetts solía exigir que los interruptores de la luz del baño estuvieran fuera de la puerta de la habitación. (Mi apto., Construido en 1957.) Aparentemente, la gente se electrocutó, tal vez porque las tapas removibles para los interruptores rotativos no siempre fueron reemplazadas fielmente.

De hecho, la historia de la protección contra descargas eléctricas ha sido una mejora continua. Un ventilador eléctrico bastante temprano tenía conexiones expuestas, y lo que parecían enlaces fusibles grandes y largos en la parte superior, sin cubiertas.

Incluso hoy en día, los interruptores de falla de arco para circuitos domésticos y de oficinas pequeñas son raros (y bastante caros). En la industria y las empresas de servicios públicos, donde se maneja mucha energía, el arco eléctrico es un peligro grave, que se toma en serio.

Hace un tiempo, me encontré con una explicación para los agujeros en los extremos de nuestros enchufes de cable de corriente del Hemisferio Occidental. Las primeras salidas de pared no tenían resortes de aleación ferrosa, pocas dudas debido a la eventual corrosión. Las aleaciones de resorte no ferrosas de la época aparentemente podían perder los estribos y se estaban cayendo. Los hoyuelos en los contactos de salida engancharon los agujeros, al menos haciendo frente a las consecuencias, si no se mantiene un buen contacto.

Los electrodomésticos realmente antiguos tenían cables de alimentación que terminaban en hilos de rosca macho, los mismos que los de nuestras bombillas.

Si estas diversiones son malos modales, me disculpo!

Puede alimentar la CC de su casa, sin embargo, el problema sigue siendo que, si bien la mayoría de los dispositivos rectifican CA a CC, están diseñados para una entrada de CA. Es por eso que necesita un inversor, incluso si tiene alguna pérdida, alimenta sus productos electrónicos para lo que fueron diseñados. Incluso entonces, los sistemas solares de conexión a la red de los que hablas solo ayudan a aumentar la potencia de la red. Necesita un poco de paneles solares y amortiguación (baterías) para separarse completamente de la red, e incluso así, su capacidad se limita a su configuración, en lugar de poder extraer dinámicamente de la red cuando sea necesario. Teniendo más opiniones basadas, no creo que valga la pena y te pierdes muchos de los beneficios. Por ejemplo, digamos que el 50% de la población recibe paneles solares, no lo suficiente para satisfacer sus necesidades de energía individualmente. Sin embargo, junto con una configuración e inversores basados ​​en conexión a la red, pueden reducir la carga en la propia empresa de generación de energía. Sin embargo, también me pregunto acerca de la seguridad de DC con los estándares de cableado actuales. Tal vez alguien más experimentado podría intervenir, sin embargo, dado que la CA no está en el voltaje máximo todo el tiempo (vuelve a 0V), le da un poco de margen de enfriamiento. DC por otro lado es constante.

PODRÍAS hacer esto. Si sus electrodomésticos fueron construidos para usar CC. Lo cual no son. Dado que las casas están conectadas a CA, los fabricantes de electrodomésticos diseñan y construyen para usar CA. Eso es lo principal que te detiene.

Existen normas en diferentes partes del mundo sobre cómo debería ser la alimentación de CA (120 voltios a 60 Hz para EE. UU., 220 voltios a 50 Hz para Europa, por ejemplo) y las bombillas, aspiradoras, televisores, computadoras, etc. son fabricado a esos estándares. Hasta donde sé, no hay un estándar internacionalmente reconocido para DC. Ergo, buena suerte para encontrar dispositivos que utilicen la distribución de corriente continua. Hay algunos que usan 12 voltios de CC, destinados a ser utilizados en vehículos y barcos, pero son bastante limitados.

Durante mucho tiempo pensé que sería ideal conectar una casa a 500 voltios de CC y tener inversores de punto de uso que pudieran producir lo que quieras. 500 voltios le permitiría suministrar cualquiera de sus cargas existentes con el mismo cableado (la sección transversal del cable limita los amperios; mayor voltaje = amperios más bajos para una carga dada, de modo que los cables puedan manejar AL MENOS tanto como antes). 500 VDC también es la especificación máxima para la carga rápida de vehículos eléctricos que conozco.

Si estuviera suministrando 500 V CC a través de la casa, un circuito PWM, un IGBT y un puente H serían suficientes para invertirlo en cualquier voltaje de CA <353 voltios. Si creamos CA en el punto de uso, para un complemento, no para toda la casa, los componentes para eso podrían ser mucho más pequeños y más baratos. Sí, estaría poniendo uno o dos de estos en cada zócalo, lo que aumentaría el costo total. Pero sería posible conectar ese estéreo hecho para los EE. UU. Junto a la lámpara hecha para Europa (o viceversa). O bien, una variación de ese dispositivo en el zócalo podría suministrar la CC que su computadora portátil, televisor de pantalla plana, etc. necesita, directamente, sin convertir CC -> CA -> de nuevo a CC con el bloque de alimentación. Podría decirse que la conversión de CC de alto voltaje a CC de bajo voltaje sería más eficiente que ese proceso. Y "eficiente"

Hace algunos años, estaba leyendo un artículo de alguien que cableó dos veces su casa para los habituales 120 VCA a 60 Hz (EE. UU.) Y 48 VCC. Estaba desconectado de la red, agregaba más cargas de forma rutinaria e intentaba evitar gastar dinero en un nuevo inversor de mayor capacidad, más baterías y más paneles solares. Seleccionó 48 V CC porque podía obtener convertidores reductores simples basados ​​en resistencias para otros dispositivos de CC. Su contestador automático funcionaba con DC reducido, en lugar de una "verruga de pared" conectada a AC. Lo mismo para su computadora portátil. Sus luces de seguridad de detección de movimiento usaban ambas; el detector de movimiento se conectó a DC reducido (sí, tuvo que descifrar la carcasa y modificarlo él mismo) y la iluminación usó AC. Cambiar varias cosas a CC fue lo suficientemente eficiente como para que su paquete de baterías existente duró significativamente más tiempo y pudo quedarse con su inversor y su conjunto solar existentes. El sistema resultante, aunque más complejo, fue más eficiente. Esto suena como el tipo de cosas por las que preguntas.

Las casas usan CA porque era más fácil hacer transformadores elevadores / reductores para CA cuando toda esta infraestructura comenzó a construirse. Al menos una persona ha hecho referencia a la Guerra de las Corrientes. Westinghouse y Tesla (defensores de AC) se ganaron a Edison (proponente de DC) porque la facilidad del aumento / disminución del voltaje de CA lo hizo eficiente y relativamente barato para construir algunas plantas de energía y distribuir energía de alto voltaje en toda la creación, luego reduzca a niveles utilizables más cerca del punto de uso. DC requería que la energía se produjera muy localmente, ya que era difícil subirla / bajarla. En aquel entonces, subir DC significaba que tenía un motor de bajo voltaje que hacía girar un generador de alto voltaje. No tenían conmutación de estado sólido basada en semiconductores en esos días.

Sobre SMPS, sin ninguna modificación, puede tener algunos problemas para ejecutarlo en DC.

El rectificador DC BUS. Solo se conducirán 2 diodos (considerando un rectificador de puente completo), si tienen dimensiones reducidas (sin margen de seguridad) pueden suponer un problema. (Para esto, simplemente conecte la CC directamente al bus de CC o reemplácela con un diodo de corriente más alta).

El PFC Dependiendo de cómo se implemente el PFC, esto puede convertirse en un problema. Algunos controladores esperaban que los cruces por cero crearan una representación sinusoidal de la corriente para comparar y corregir la forma de onda de corriente del dispositivo. En estos casos en los que se usa un PFC de tipo de refuerzo, el voltaje en el bus de CC es mayor, por lo que es posible resolverlo, pero no es tan fácil como alimentar CC al dispositivo sin modificaciones.

Sobre otras cosas, hay algunos dispositivos que controlan la potencia aplicada al dispositivo mediante el control de ángulo de fase. Bajo DC se engancharán de manera simple.

AC permite la transmisión de energía a mayores distancias con menos pérdida

No exactamente, las pérdidas de calor se minimizan al transmitir a alto voltaje, ya que las pérdidas de calentamiento son generalmente proporcionales al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia, lo que permite conductores de bajo costo y largas distancias.

... paneles solares ... [¿por qué no se hace esto?

Busque el precio de comprar y mantener suficientes paneles solares para alimentar su casa.

¿Podría alimentar toda su casa con DC?

Si. La mayoría de los dispositivos digitales funcionarán bien en DC. Los electrodomésticos como refrigeradores y lavadoras requieren corriente alterna para hacer funcionar los temporizadores y los motores de corriente alterna.

¿Podrías reutilizar los cables de tu casa actual?

Sí, el cobre es cobre.

Esto no se hace porque es mucho más caro. A la larga, sin embargo, hay un retorno de la inversión.

Cuando comencé a buscar casas con energía solar a principios de la década de 1990 (EE. UU.), Las cosas estaban en un estado de cambio.

La vieja forma de hacer las cosas era como sugirió el interrogador: administrar la casa con 12V, con luces de 12V, refrigerador de 12V, etc. Algunas personas abogaron por 24V en lugar de 12V para una mejor eficiencia de transmisión dentro del hogar. I 12V era más común porque ya había un mercado para cosas apagadas de baterías de automóvil de 12V.

Pero los inversores se estaban volviendo más eficientes y menos costosos, por lo que el consejo más moderno (a principios de la década de 1990) fue obtener un inversor y usar luces, electrodomésticos, etc. estándar. En lugar de invertir dinero en electrodomésticos de 12V no estándar y más costosos, compre algunos paneles fotovoltaicos adicionales.

Hola: Al dimensionar los cables para usar en una casa hay dos consideraciones (1) la capacidad de ampacidad del cable debe ser mayor que la corriente máxima que llevará. Esto permite que fluya suficiente corriente para soplar el interruptor si el cable está sobrecargado y (2) el tamaño del cable debe ser lo suficientemente grande como para que la caída de voltaje a la carga máxima sea inferior al 2%.

Si intenta cablear su casa a 12 V CC, encontrará que necesita una barra de bus (no puede comprar un cable lo suficientemente grande en diámetro) para transportar la misma cantidad de energía que obtiene de un circuito de 120 CA y 15 amperios. Incluso si solo alimenta cargas de baja corriente, el costo del cobre será muy alto.

Pero alimentar una casa con paneles solares no tiene sentido económico debido al costo de las baterías. Es mucho mejor usar un inversor de servicios públicos y simplemente bombear la energía a la red de CA Incluso en este caso, la mayoría de los inversores están muy cerca de los paneles y producen 240 VCA para minimizar el costo de cobre de llevar la energía de los paneles al tomacorriente de 240 VCA más cercano de la casa.

Tengo un panel solar de 200 W que impulsa un pequeño inversor enchufado a un tomacorriente de 120 VCA después de pasar por un Kill-A-Watt para poder ver cuánta energía está generando. El panel no está dirigido, por lo que obtener 60 vatios es el pico para un día de verano.

No estoy de acuerdo con muchas de las otras respuestas. Cuanto más avanzados sean nuestros dispositivos, más fácil será implementar su propuesta, siempre y cuando se trate de voltajes de CC a nivel de bus (150-170 V en los EE. UU.). Casi todo lo que usamos funciona con DC, por lo que hay conversión de energía de todos modos, y afortunadamente, casi todos los dispositivos relativamente nuevos usan SMPS para la conversión de AC-DC; estos convertidores de potencia no tienen problemas para aceptar entradas de CC (ya que lo primero que hacen con la entrada es rectificarlo en CC de todos modos). Los únicos electrodomésticos que debería tener en cuenta son los motores eléctricos grandes, aunque muchos electrodomésticos nuevos utilizan motores BLDC y trifásicos impulsados ​​por controladores que, una vez más, funcionan con CC. Además, cualquier cosa que tenga una entrada de transformador (piense en receptores estéreo de alta fidelidad) tendrá problemas para ejecutarse en CC. Para estos electrodomésticos,