Pergunta do neófito sobre CA x CC (especialmente para alimentar uma casa)

Aqui nos Estados Unidos, a rede elétrica é AC. Ouvi dizer que a CA permite a transmissão de energia a grandes distâncias e com menos perdas. No entanto, com o advento dos painéis solares, parece que se pode gerar energia DC diretamente e alimentar a casa dessa maneira. Não há grandes distâncias envolvidas.

Por que isso não é feito? Até onde eu sei, os painéis solares retornam à rede elétrica principal. Isso significa que eles convertem dc em ac, presumivelmente com alguma perda. Você poderia alimentar toda a sua casa usando DC? Supondo que você morasse em uma área ensolarada e tivesse espaço suficiente no telhado, você poderia alimentar tudo (ar condicionado da geladeira etc.), talvez armazenando a energia das baterias para uso noturno? Presumo que você precisaria de todos os novos aparelhos que funcionem com o DC?

Parece um preço pequeno a pagar para ser independente de energia. Você poderia reutilizar os fios da sua casa? Eu nunca ouvi falar disso, então suponho que existem grandes obstáculos. Alguém poderia me dar a explicação do leigo sobre por que é uma má idéia, ou impossível, ou simplesmente não foi feita?

Não é impossível, é apenas mais complicado e caro. Tudo em sua casa foi projetado para funcionar com AC. Muitos produtos menores aceitam DC, mas eles vêm com um adaptador CA, porque é a única fonte disponível de energia contínua e barata em quase todos os lugares. A tensão necessária pode ser diferente para cada dispositivo. A coisa mais próxima de um padrão para alimentação CC é provavelmente o USB 5.0V, que oferece apenas corrente suficiente para pequenos aparelhos e não para nada maior.

O funcionamento de uma casa movida a energia solar é basicamente: painel solar para carregador de bateria para bateria, inversor DC-CA para tomadas na parede, além de outro regulador e medidor de energia se estiver fornecendo energia extra de volta à rede, o que não é um requisito. Poder-se-ia alimentar uma casa diretamente com corrente contínua não regulada da bateria se os aparelhos fossem projetados para funcionar com ela, mas a maioria não é. Se a tensão da bateria tivesse que ser regulada antes da distribuição para a casa, tudo o que você realmente faria seria trocar o inversor DC-AC por um regulador DC-DC, basicamente uma caixa diferente com custo semelhante.

Devido ao pequeno tamanho do mercado de equipamentos DC (no momento), eles seriam mais difíceis de encontrar e possivelmente mais caros que as unidades CA. Se chegar a hora em que quase todas as casas têm energia solar no telhado, elas podem ser igualmente fáceis de comprar e manter.

Quanto à reutilização da fiação, um fio é apenas uma tira de cobre e não se importa se você coloca CA ou CC nele, se você permanecer dentro de seus recursos. Se você tiver que colocar muito mais corrente no fio devido à tensão mais baixa, poderá precisar de fios mais grossos, diferentes recursos de segurança nas caixas de fiação, fusíveis com classificação mais alta e assim por diante. Você deseja plugues diferentes nas tomadas, para que ninguém cometa o erro de conectar um dispositivo CA a uma tomada que fornece DC.

No geral, é mais barato e mais simples colocar um inversor DC-AC na bateria do que estripar todo o sistema elétrico da casa e reconstruí-lo, além de comprar todos os novos aparelhos, além de ainda precisar de um pequeno inversor DC-AC em cada sala para os dispositivos que não podem ser recomprados para rodar no DC - que atualmente são quase todos os gadgets. Você pode pensar no inversor de CA como fornecendo "compatibilidade retroativa" com os cem anos anteriores de dispositivos elétricos.

Se um neófito já leu até aqui, pode ajudar a definir "SMPS" - essa é uma fonte de alimentação de modo comutado. Quase todos os computadores de mesa (99,99 ...%) contêm um, assim como uma fonte de alimentação ininterrupta de no-break.

[PS: Este é meu primeiro post no SE, devo admitir que me empolguei com a história e com os tópicos relacionados à periferia. Culpado como cobrado?]

No interior, o SMPS usa um retificador para converter a entrada CA para CC, que alimenta um inversor de alta frequência *. (Um inversor converte CC em CA.) O CA desse inversor alimenta um pequeno transformador que é notavelmente menor que um transformador de 60 Hz da mesma classificação, talvez 10% maior, se isso. O transformador fornece as tensões CC necessárias de vários enrolamentos secundários através de retificadores. Em certo sentido, não é muito diferente de uma correia de transmissão no motor de um carro que fornece velocidades diferentes para o alternador, ventilador e outros acessórios. * Pelo menos 25 kHz, provavelmente muitas vezes isso.

Uma nota de segurança: O CC que alimenta o inversor é aproximadamente de 300 V, e é suavizado por grandes capacitores que armazenam energia por milissegundos enquanto a tensão instantânea do AC de entrada não atinge seu pico ou está perto dele. Eles podem manter a carga depois de desconectar o cabo de alimentação, e são um risco de choque perigoso, possivelmente letal.

O inversor usa semicondutores, tradicionalmente transistores de potência, para ligar rapidamente o DC totalmente ou totalmente na alta frequência. Quando ligados, esses semicondutores são muito eficientes, perdendo apenas um pouco de energia como calor e, quando desligados, ainda melhor. As transições durante a troca são rápidas, mas precisam de uma boa engenharia. Essa é a parte "switch mode". (Sim, há um oscilador para fornecer o tempo para os comutadores.)

Os inversores que fazem parte das instalações de energia solar fornecem CA na frequência da região, 50 Hz em grande parte do mundo e parte do Japão, e 60 Hz na América do Norte, na outra parte do Japão, e na maioria das instalações (se não todas) na Central. e países da América do Sul.

Algum tempo atrás, havia uma sugestão de que a futura potência doméstica e de pequenos escritórios estaria em duas voltagens, 320 V (provavelmente DC, IIRC) e algo como 24 ou 32 V, se bem me lembro, também DC. A alta voltagem seria para dispositivos que precisam de muita energia.

Antes da Administração de Eletrificação Rural, 32 volts DC eram comuns, junto com pequenas turbinas eólicas. Experimente o Wincharger ™ para obter uma marca comercial.

As longas linhas de transmissão de energia CA de alta tensão apresentam perdas significativas, talvez devido à capacitância e à resistência. Linhas CC de alta tensão, no entanto, têm perdas muito menores. Embora a França tenha uma ligação HVDC pioneira com geradores e motores isolados em série, demorou um tempo, provavelmente décadas, para desenvolver inversores, em particular. A conversão confiável de um megavolt DC em centenas de megawatts em CA não é para amadores!

Fonte de alimentação e histórico relacionado

Este é realmente um nome impróprio. Eles são realmente conversores de energia . A energia é fornecida pelos geradores da rede elétrica, que são rotacionados por turbinas. No início da década de 1920, todos os receptores de rádio eram alimentados por baterias, baterias A (geralmente baterias de carro, todas de 6 V) e baterias B , não recarregáveis, 22½ V e múltiplos, até 135 V. mas durou metade da eternidade, aparentemente. Essas baterias de carro já eram do tipo seladas / reguladas por válvulas e o ácido sulfúrico diluído era desagradável para os pisos e tapetes da sala de estar. Recarregar era um incômodo. As baterias B compreendiam muitas células de zinco-carbono e 1,5 V, e seu custo não era trivial.

Naquela época, a energia da rede doméstica estava se tornando bastante comum, e havia uma necessidade real de operar rádios a partir da energia da casa. A princípio, os dispositivos para substituir as baterias fizeram o trabalho, e depois foram chamados de "fontes de alimentação", também "eliminadores de bateria". O termo chamou a atenção dos engenheiros de rádio e, a partir de então, permaneceu em uso para linha CA / rede elétrica para conversores CC.

Notas relacionadas:

Antes que 110 (120?) Volts se tornasse padrão para o serviço de energia elétrica nos Estados Unidos, a energia elétrica inicial variava de 50 a 500 V. * A primeira aplicação generalizada para motores elétricos eram ventiladores rotativos, normalmente de mesa. Correias de transmissão foram usadas por alguns. Os colecionadores de ventiladores antigos preservam a história inicial dos motores elétricos. * Um anúncio, reproduzido on-line, por um dos primeiros fabricantes de ventiladores, oferecia essa faixa de tensões.

A energia DC do utilitário não desapareceu rapidamente. A cidade de Nova York tinha 110 V DC fornecida a pelo menos um salão de hotel depois de 1960. (os elevadores de corrente contínua ainda podem existir até hoje.) A Audio Engineering Society realizou sua exposição anual da convenção no início dos anos 1960 no The New Yorker Hotel. Quando as exposições foram montadas, logo depois que os dispositivos foram conectados e ligados, eles pareciam mortos, mas os transformadores e motores neles superaqueciam; alguns podem ter sido muito danificados. A alimentação de corrente contínua a um dispositivo somente CA aparentemente não desarma os disjuntores ou funde os fusíveis.

Você adivinhou! As tomadas da parede não estavam marcadas como CC e tinham os slots emparelhados padrão que todos tínhamos antes do aterramento de segurança do terceiro fio.

Muitas décadas atrás, era comum o uso de testadores para verificar se a energia era CA ou CC. Entre esses testadores, havia papel de teste de polaridade, que havia sido tratado com um pouco de sal iônico. DC criou uma cor em apenas um fio. Os pequenos tipos de lâmpadas de neon com fios conectados eram e ainda são outro. Somente o eletrodo negativo brilha.

Junto com isso, os dispositivos foram anunciados como OK para uso em CA ou CC. Notáveis ​​foram os barulhentos motores de alta velocidade em aspiradores de pó e furadeiras elétricas com fio, entre muitos outros. Esses motores têm "escovas" de carbono, comutadores e rotores enrolados com fio magnético. Basicamente, são motores DC com núcleos de campo laminado e um espaço de ar um pouco maior ao redor do rotor. Além disso, os rádios pré-Segunda Guerra Mundial, notadamente os onipresentes tubos de cinco tubos, operavam bem em corrente contínua - inverter o plugue de energia, se aparentemente estivessem "mortos" em corrente contínua.

Os primeiros motores de bondes, todos DC, usavam escovas de arame de cobre (liga?) Para entrar em contato com os comutadores. Eles simplesmente não funcionaram, então os blocos de carbono tomaram seu lugar. O nome original travou.

Aparentemente, muitos interruptores de luz eram rotativos. Ao girar o botão, você enrola uma mola e, depois de um quarto de volta, o mecanismo destrava os contatos repentinamente, para quebrar o arco. (Sem ímãs de ruptura?) Tente "Ark-Les" ™ para obter uma marca comercial. Talvez seja por isso que dizemos "ligar / desligar" uma luz, embora as luzes de mesa e de mesa com soquetes de interruptor às vezes tenham botões giratórios.

Os interruptores de parede mais antigos para luzes da sala, do tipo onipresente alavanca para cima / para baixo, fizeram um estalo distinto quando operados. Isso simplesmente deve ter sido quebrar arcos de corrente contínua. Meu apt. tem dois tipos

Massachusetts costumava exigir que os interruptores de luz do banheiro estivessem do lado de fora da porta da sala. (Meu apt. Faz, construído em 1957.) Aparentemente, as pessoas eram eletrocutadas, talvez porque as tampas removíveis dos interruptores rotativos nem sempre eram fielmente substituídas.

De fato, a história da proteção contra choques elétricos tem continuado melhorando. Um ventilador elétrico bem cedo tinha conexões expostas, e o que pareciam grandes elos fusíveis longos no topo, sem tampas.

Ainda hoje, interruptores com falha de arco para circuitos domésticos e de pequenos escritórios são raros (e bastante caros). Na indústria e nas concessionárias, onde é manuseada muita energia, o arco elétrico é um risco sério, sendo levado a sério.

Algum tempo atrás, me deparei com uma explicação para os orifícios nas pontas dos nossos plugues comuns de cabos de energia do Hemisfério Ocidental. As primeiras tomadas da parede não tinham molas de liga ferrosa, pouca dúvida por causa de eventual corrosão. As ligas de mola não ferrosas da época aparentemente podiam e perderam a paciência, e os plugues estavam caindo! As covinhas nos contatos de saída encaixavam nos orifícios, pelo menos lidando com as quedas, se não mantendo um bom contato.

Os aparelhos elétricos bem antigos tinham cabos de força que terminavam em roscas macho, iguais às de nossas lâmpadas.

Se essas diversões são más maneiras, peço desculpas!

Você pode alimentar o controlador de domínio da sua casa, mas permanece o problema de que, enquanto a maioria dos dispositivos retifica CA para CC, eles são projetados para uma entrada CA. É por isso que você precisa de um inversor, mesmo que haja alguma perda, você alimenta seus eletrônicos para o que eles foram projetados. Mesmo assim, os sistemas solares ligados à rede de que você fala só ajudam a aumentar a energia da rede. Você precisa de alguns painéis solares e buffer (baterias) para se separar completamente da grade e, mesmo assim, sua capacidade é limitada à sua configuração, em vez de poder puxar dinamicamente da grade quando necessário. Para obter mais opiniões, não acho que valeria a pena e você perde muitos benefícios. Por exemplo, digamos que 50% da população recebe painéis solares, insuficientes para satisfazer suas necessidades de energia individualmente. Contudo, Juntamente com uma instalação e inversores baseados em ligação à rede, eles podem reduzir a carga na própria empresa de geração de energia. No entanto, também me pergunto sobre a segurança da CC com os padrões de fiação atuais. Talvez alguém mais experiente possa entrar na conversa, no entanto, como a CA não está no pico de tensão o tempo todo (retorna a 0V), isso dá um pouco de espaço para resfriamento. DC, por outro lado, é constante.

Você poderia fazer isso. Se seus aparelhos foram construídos para usar o DC. O que eles não são. Como as casas são cabeadas para CA, os fabricantes de aparelhos projetam e constroem para usar CA. Essa é a principal coisa que impede você.

Em diferentes partes do mundo, existem padrões para a aparência da energia CA (120 Volts a 60 Hz nos EUA, 220 Volts a 50 Hz na Europa, como exemplos) e lâmpadas, aspiradores de pó, TVs, computadores etc. fabricado com esses padrões. Até onde eu sei, não existe um padrão reconhecido internacionalmente para DC. Portanto, boa sorte em encontrar aparelhos que usem a distribuição de energia CC. Existem alguns que usam 12 Volts DC, destinados a serem usados ​​em veículos e barcos, mas são bastante limitados.

Há muito tempo, pensei que seria ideal conectar uma casa a 500 Volts DC e ter inversores de ponto de uso que podem produzir o que você quiser. 500 Volts permitem fornecer qualquer uma das suas cargas existentes com a mesma fiação (a seção transversal do fio limita os amperes; tensão mais alta = amperes mais baixos para uma determinada carga, para que os fios possam manusear PELO MENOS tanto quanto antes). 500 VDC também é a especificação máxima para carregamento rápido de veículos elétricos que eu conheço.

Se você estivesse fornecendo 500 VCC pela casa, um circuito PWM, um IGBT e uma ponte H seriam suficientes para invertê-lo em qualquer voltagem CA <353 Volts. Se criarmos CA no ponto de uso, para um plug-in, não para toda a casa, os componentes para isso poderão ser muito menores e mais baratos. Sim, você colocaria uma ou duas delas em cada soquete, o que aumentaria o custo total. Mas seria possível conectar o aparelho de som feito para os EUA ao lado da lâmpada feita para a Europa (ou vice-versa). Ou uma variação desse dispositivo no soquete pode fornecer ao controlador de domínio que seu laptop, TV de tela plana etc. precisa, diretamente, sem converter DC -> CA -> de volta em DC novamente com o bloco de energia. Indiscutivelmente, a conversão de corrente contínua de alta tensão em corrente contínua de baixa tensão seria mais eficiente do que esse processo. E "eficiente"

Alguns anos atrás, eu estava lendo um artigo de alguém que cabeava sua casa pelos 120 VAC habituais a 60 Hz (EUA) e 48 VCC. Ele estava fora da rede, adicionando mais cargas rotineiramente e estava tentando evitar gastar dinheiro com um novo inversor de maior capacidade, mais baterias e mais painéis solares. Ele selecionou 48 VCC porque poderia obter conversores de redução simples baseados em resistores para outros dispositivos CC. Sua secretária eletrônica saiu do controle remoto em vez de uma "verruga" ligada à corrente alternada. O mesmo vale para o seu laptop. Suas luzes de segurança de detecção de movimento usavam os dois; o detector de movimento foi conectado à CC descendente (sim, ele teve que quebrar o gabinete e modificá-lo ele mesmo) e a iluminação usou AC. Mudar várias coisas para DC foi eficiente o suficiente para que sua bateria existente durasse significativamente mais e ele foi capaz de permanecer com seu inversor e painel solar existentes. O sistema resultante, embora mais complexo, foi mais eficiente. Parece o tipo de coisa que você está perguntando.

As casas usam CA porque era mais fácil fazer transformadores step-up / down para CA quando toda essa infraestrutura começou a ser construída. Pelo menos uma pessoa referenciou a Guerra das Correntes. Westinghouse e Tesla (defensores da CA) conquistaram Edison (defensor da CC) porque a facilidade do aumento / redução da tensão CA tornou eficiente e comparativamente barato construir algumas usinas de energia e distribuir energia de alta tensão por toda a criação; reduza-o para níveis utilizáveis ​​mais próximos do ponto de uso. A DC exigia que a energia fosse produzida localmente, pois era difícil intensificá-la. Naquela época, aumentar a CC significava que você tinha um motor de baixa tensão ligando um gerador de alta tensão. Eles não tinham comutação de estado sólido baseada em semicondutores naqueles dias.

Sobre o SMPS, sem nenhuma modificação, você pode ter alguns problemas ao executá-lo no DC.

O retificador de barramento CC. Apenas 2 diodos (considerando um retificador de ponte completa) serão conduzidos; se eles tiverem dimensões próximas (sem margem de segurança), poderão representar um problema. (Para isso, basta conectar o CC diretamente ao barramento CC ou substituir por um diodo de corrente mais alto).

O PFC. Dependendo de como o PFC é implementado, isso pode se tornar um problema. Alguns controladores esperavam que o cruzamento de zero criasse uma representação sinusoidal da corrente para comparar e corrigir a forma de onda da corrente do dispositivo. Nos casos em que é utilizado um PFC do tipo boost, a tensão no barramento CC é mais alta, resolvendo isso é possível, mas não tão fácil quanto alimentar CC no dispositivo sem modificações.

Sobre outras coisas, existem alguns dispositivos que controlam a energia aplicada ao dispositivo pelo controle de ângulo de fase. Sob DC eles travam simples.

A CA permite a transmissão de energia a grandes distâncias, com menos perdas

Não exatamente, as perdas de calor são minimizadas pela transmissão em alta tensão, pois as perdas de aquecimento são geralmente proporcionais ao quadrado da corrente multiplicado pela resistência, permitindo condutores baratos e longas distâncias.

... painéis solares ... por que isso não foi feito?

Procure o preço de compra e manutenção de painéis solares suficientes para abastecer sua casa.

Você poderia alimentar toda a sua casa usando DC?

Sim. A maioria dos aparelhos digitais funcionará bem no DC. Aparelhos como geladeiras e lavadoras requerem CA para acionar temporizadores e motores CA.

Você poderia reutilizar os fios da sua casa?

Sim, cobre é cobre.

Isso não é feito porque é muito mais caro. A longo prazo, no entanto, há um retorno sobre o investimento.

Quando eu comecei a olhar para casas movidas a energia solar no início dos anos 90 (EUA), as coisas estavam em um estado de fluxo.

A maneira antiga de fazer as coisas era como o questionador sugeria: administrar a casa em 12V, com luzes de 12V, geladeira de 12V, etc. Algumas pessoas defendiam 24V em vez de 12V para uma melhor eficiência de transmissão dentro de casa. I 12V era mais comum, porque já havia um mercado para itens alimentados por baterias de 12V.

Mas os inversores estavam se tornando mais eficientes e menos dispendiosos; portanto, o conselho mais moderno (no início dos anos 90) era obter um inversor e usar luzes, aparelhos etc. etc. Em vez de investir dinheiro em aparelhos de 12V não-padrão e mais caros, compre alguns painéis fotovoltaicos extras.

Oi: Ao dimensionar os fios para uso em uma casa, há duas considerações (1) a classificação de ampacidade do fio deve ser maior que a corrente máxima que ele carregará. Isso permite que corrente suficiente flua para explodir o disjuntor se o fio estiver sobrecarregado e (2) o tamanho do fio deve ser grande o suficiente para que a queda de tensão na carga máxima seja inferior a 2%.

Se você tentar conectar sua casa a 12 VCC, descobrirá que precisa de uma barra de barramento (você não pode comprar fios com diâmetro suficiente) para transportar a mesma quantidade de energia que obtém de um circuito de 120 CA 15 A. Mesmo se você alimentar apenas cargas de baixa corrente, o custo do cobre será muito alto.

Mas alimentar uma casa a partir de painéis solares não faz sentido econômico por causa do custo das baterias. É muito melhor usar um inversor de serviço público e apenas bombear a energia de volta para a rede CA. Mesmo neste caso, a maioria dos inversores está muito perto dos painéis e produz 240 VCA para minimizar o custo de cobre da energia dos painéis para a tomada de 240 VCA mais próxima da casa.

Eu tenho um painel solar de 200 W dirigindo um pequeno inversor conectado a uma tomada de 120 VCA depois de passar por um Kill-A-Watt, para que eu possa ver quanta energia está gerando. O painel não é direcionado e, portanto, obter 60 Watts é o pico para um dia de verão.

Não concordo com muitas das outras respostas. Quanto mais avançados forem nossos aparelhos, mais fácil será sua proposta de implementar - desde que falemos de tensões CC no nível do barramento (150-170V nos EUA). Quase tudo o que usamos é executado em DC, portanto, há conversão de energia de qualquer maneira - e, felizmente, quase todos os dispositivos relativamente novos usam SMPS para a conversão AC-DC; esses conversores de energia não têm problema em aceitar entradas CC (já que a primeira coisa que fazem com a entrada é retificá-la para CC de qualquer maneira). Os únicos aparelhos que você deve observar são os grandes motores elétricos - embora muitos aparelhos novos usem motores BLDC e trifásicos acionados por controladores que - novamente - funcionam com corrente contínua. Além disso, qualquer coisa com uma entrada de transformador - pense em receptores estéreo hi-fi - terá problemas em execução no DC. Para esses aparelhos,