¿Cómo se puede realimentar energía "físicamente" a la red?

No puedo comprender cómo, por ejemplo, varios hogares pueden alimentar su... energía a una red utilizando las líneas de los servicios públicos.

Así es como lo hacen las centrales eléctricas, así que ¿por qué no? Todo lo que se requiere es mantener la frecuencia de CA correcta y en fase con la red y luego elevar el voltaje por encima del voltaje de la red. La corriente fluirá del voltaje más alto al más bajo.

¿Se puede inyectar el exceso de energía fotovoltaica directamente a la red mediante un inversor?

Sí, pero se requiere un inversor conectado a la red. Mantendrá la frecuencia y la sincronización con la red y también tendrá características para desconectarse de una manera segura garantizada cuando se corte la energía eléctrica. Esto evita que intentes encender la ciudad con tu pequeño panel solar y también evita la electrocución del liniero que hace las reparaciones.

¿O es necesario pasar por un "intermediario" como una batería, y desde allí la CC se puede convertir en CA?

Teóricamente no, pero puede haber razones prácticas o separadas para tener uno allí.

¿La empresa de servicios públicos distribuye automáticamente el exceso de energía de los hogares individuales a otras cargas en la red?

Se puede considerar como agua de alimentación en las tuberías nacionales. Generalmente será retirado por el consumidor más cercano. Si el voltaje de la red comienza a aumentar, los programadores de carga deben reducir el suministro.

¿Lo están "purgando" en algún lugar similar a una válvula de presión en los casos en que no pueden manejarlo todo?

En el caso de las centrales de vapor, sí, habrá que ventilar el exceso de vapor. Las turbinas eólicas se pueden apagar del viento. Hydro se puede apagar rápidamente. Las turbinas de gas pueden apagarse rápidamente.

Otro problema es que hay múltiples productores de energía que usan líneas que se extienden cientos de millas, y ahora hay hogares que alimentan de energía estas líneas, así que supongo que un solo productor de energía debe estar a cargo de una sección completa, así que no hay congestión.

Es más probable que esté controlado por la compañía de red en estos días.

La forma en que lo veo es que una empresa de servicios públicos puede enviar electricidad trifásica a través de múltiples líneas, por ejemplo, 1 fase por línea, para una fuente de alimentación trifásica. La mayoría de los hogares solo necesitan una fase y, por lo tanto, una línea que ingresa al hogar. Pero si la electricidad viaja en forma de CA a lo largo de largas distancias, ¿no se devolvería el exceso de energía de una casa (producida por PV) a la línea monofásica que ingresa a la casa y entonces se cancelaría potencialmente la frecuencia de la energía que ingresa a la casa? ¿hogar?

El inversor siempre se bloquea en la fase del suministro entrante antes de que comience a generar. Todo el tiempo que genera está (casi) en fase con el suministro, por lo que la potencia es aditiva.

No puedo comprender cómo, por ejemplo, varios hogares pueden alimentar su exceso de energía fotovoltaica (PV) a una red utilizando las líneas de los servicios públicos. A mí me parece que tendría que haber una línea de "alimentación" dedicada en la que una casa devuelva su exceso de energía fotovoltaica a la red, y que esta línea sería compartida por varias casas, sin embargo, solo una casa podría usarla en un tiempo, de modo que se mantengan la fase y las frecuencias adecuadas y se evite la congestión.

Los cables que corren a lo largo de la calle pueden transportar corriente en cualquier dirección. Si está generando más de lo que está usando, se corta la energía. Si está usando más de lo que está generando, entra energía.

Los transformadores también pueden funcionar en ambos sentidos. En el Reino Unido, normalmente sería 11 kV de entrada, 415/240 V de salida. Pero si introduce 415 V (o 240 V en una fase) en el secundario, obtendrá 11 kV en el lado de la red.

Otro problema es que los fotovoltaicos emiten CC, por lo que sería necesario un inversor para convertir la electricidad en CA para que la energía pueda volver a la red. ¿Se puede inyectar el exceso de energía fotovoltaica directamente a la red mediante un inversor? ¿O es necesario pasar por un "intermediario" como una batería, y desde allí la CC se puede convertir en CA?

Las baterías son completamente opcionales. Son buenos para ahorrar electricidad de repuesto para cuando está oscuro. Pero el inversor funcionará bien sin uno.

¿La empresa de servicios públicos distribuye automáticamente el exceso de energía de los hogares individuales a otras cargas en la red? ¿Lo están "purgando" en algún lugar similar a una válvula de presión en los casos en que no pueden manejarlo todo?

La electricidad de los hogares se suma a la red de la misma manera que cualquier otro generador. Sin embargo, los 4kW de una casa se ven tan eclipsados ​​por los 4MW de una turbina eólica, o los 400MW de una gran central eléctrica, que nadie se da cuenta. La red en su conjunto se supervisa constantemente y los generadores se ajustan hacia arriba y hacia abajo según sea necesario para mantener todo en equilibrio.

Y también

Algún tipo de interruptor para determinar si la energía va a la casa o vuelve a la red

Innecesario. Todo se arregla solo. Si no tiene una batería en el sistema, el inversor siempre generará tanto como pueda. Si eso es más de lo que está usando el hogar, el exceso irá a la red. Si es menos de lo que usa la casa, entonces la casa funcionará con una combinación de energía generada y de la red.

Si tiene una batería, necesita un inversor más inteligente. Intentará alimentar la casa si puede, poniendo energía de repuesto en la batería. Una vez que la batería esté llena, se exportará cualquier repuesto. Por la noche, el inversor consumirá la batería y producirá la energía suficiente para alimentar la casa. Todo esto lo hace una bobina de detección de corriente en el suministro de entrada, por lo que siempre sabe si entra o sale energía.

Ah, la aparente paradoja de la energía. No olvides que la electricidad va y viene por igual. Después de todo, es un sistema de CA.

Entonces, ¿cómo podríamos alimentar alguna electricidad a cualquier hogar? Respuesta: no tenemos que hacerlo.

En cambio, las cosas se vuelven mucho más claras una vez que comenzamos a emplear terminología física. (A veces, las respuestas incluso parecen simples y obvias). Primero, nunca digas "electricidad". Si te refieres a energía, di energía, o tal vez "julios". Si te refieres a carga, di carga, culombios o "electrones".

En lugar de vender "electricidad", las empresas de servicios públicos en realidad venden energía electromagnética. Los electrones dentro de los cables pueden moverse igualmente de un lado a otro, pero la energía se comporta de manera muy diferente.

Al igual que con cualquier línea de transmisión, la energía en la red eléctrica de CA viaja por el espacio que rodea los cables. Es posible que ya sepa que tanto las señales como la "energía eléctrica" ​​viajan casi a la velocidad de la luz. Eso es porque son lo mismo que la luz; lo mismo que las ondas de radio que se propagan a lo largo de una guía de ondas, lo mismo que los campos magnéticos alrededor de los inductores o los campos electrónicos entre las placas de los condensadores.

Desafortunadamente, todas estas ideas correctas solo se enseñan en la escuela de ingeniería, mientras que en la escuela primaria K-12, en cambio, a todos nos alimentan con "mentiras a los niños", una colección de explicaciones demasiado simplificadas que tienen poco que ver con la realidad. ¿Electrones atravesando cobre sólido a la velocidad de la luz? ¿Baterías y condensadores "almacenando carga", etc.? Estas ideas distorsionadas primero deben abandonarse, si queremos tener alguna esperanza de comprender profundamente la red de CA.

Para comprender la física EM básica, incluso antes de tratar las ecuaciones, primero debemos darnos cuenta de:

• La palabra "conductor" significa "materiales que están llenos de electricidad móvil". Por ejemplo, los metales contienen una enorme cantidad de carga eléctrica gratuita, aproximadamente 10 000 culombios por centímetro cúbico de cobre. En el cobre, cada átomo del metal dona un electrón móvil al "mar común". Los físicos lo llaman el "mar de electrones" o el "océano de carga". Un trozo de alambre es como una tubería que viene precargada con electricidad y no se permiten burbujas.

• En los sistemas de CA, la electricidad se mueve de un lado a otro solamente. No fluye a través de la red y no fluye a través de los circuitos. La electricidad (electrones) ya estaba dentro del cable, incluso antes de que se conectara la fuente de alimentación. Los generadores no generan electricidad y las cargas no consumen electricidad. En cambio, los generadores son bombas de carga. En cambio, los electrones dentro de los cables simplemente se mueven de un lado a otro. (O en los circuitos de CC, todos los electrones se mueven lentamente en círculos cerrados, sin que se gane ni se pierda electricidad. Se mueven como un volante lento; una correa de transmisión lenta).

• La energía eléctrica fluye casi instantáneamente de una fuente a una carga. En un circuito de CA, esta energía no se mueve de un lado a otro. Fluye continuamente hacia adelante, como olas.

• La energía eléctrica, o energía electromagnética, se compone de campos e y campos b, correspondientes a voltios y amperios respectivamente. Cuando la energía eléctrica se envía a través de un cable coaxial, toda la energía se encuentra dentro del dieléctrico de plástico. Cuando se envía a través de circuitos o a lo largo de líneas de transmisión, se ubica en un espacio vacío que rodea los cables (vea el diagrama de campos a continuación. Ese es un diagrama de la energía que fluye a lo largo de su línea de alimentación de CA). Si bien los amperios pueden estar realmente dentro de los cables, todos los julios se encuentran en el espacio exterior.

• La electricidad se mueve ligeramente de un lado a otro, mientras que la energía eléctrica fluye hacia adelante. En otras palabras, dos cosas separadas fluyen a lo largo de cualquier circuito. No hay una sola cosa llamada "electricidad". Este no es un concepto complicado; se trata de Waves-versus-Medium. En los circuitos, los electrones lentos del metal de cobre actúan como medio para las ondas de energía viajeras, mientras que las ondas de la velocidad de la luz se encuentran en los campos EM justo fuera de los cables.

• Durante la escuela de ingeniería, en nuestra clase de campos/ondas sobre teoría de líneas de transmisión, tenga en cuenta que las líneas de transmisión no tienen corte de baja frecuencia. Funcionan igual en frecuencias de microondas, HF, audio y hasta CC. La teoría de la línea de transmisión no se trata solo de la radio, se trata de todos los circuitos en todas partes. El flujo de energía EM se compone de campos b creados por corrientes de circuito y campos electrónicos creados por potenciales de circuito. Después de todo, un suministro de CA de alta frecuencia puede alimentar una bombilla incandescente con la misma facilidad con la que puede alimentar una antena dipolo. (Pero en el caso del dipolo, en lugar de ser absorbidos por la bombilla, los campos EM que viajan saltan de los cables y se propagan hacia el espacio vacío).

(Fuente de la imagen: Mi página - EN UN CIRCUITO SIMPLE, ¿DÓNDE FLUYE LA ENERGÍA? )

Arriba: campo b de un circuito, campo e de un circuito y los vatios del flujo de energía EM

Ahora, respuestas.

¿Qué sucede con el exceso de energía alimentada a la red eléctrica? Bueno, imagine que todas las dínamos son solo suministros de CC convencionales, o incluso baterías. Imagine que las cargas son solo resistencias, o quizás bombillas incandescentes. Ahora, ¿qué sucede cuando el exceso de energía se alimenta a la red? ¡¿Cómo podemos siquiera hacer tal cosa?! Fácil: simplemente aumente ligeramente el voltaje de uno de sus suministros de CC. Todas las bombillas se encenderán ligeramente más brillantes. Idealmente, la energía añadida fluye a todas las bombillas de toda la red (pero si los conductores de la red tienen una ligera resistencia, las bombillas más cercanas recibirán un poco más de sobretensión/energía). Lo mismo sucede en la red de CA. Una forma sencilla de alimentar el "exceso de energía" es aumentar el voltaje de una de las dínamos de CA. El voltaje de la red aumentará ligeramente,

Tenga en cuenta que si subimos el voltaje de una batería, entonces lucha con las otras baterías y carga otras baterías conectadas a la red. O al menos para los cables que tienen algunos ohmios, reduce su corriente de salida, si no la invierte. Para una red de CA con dínamos, sucede lo mismo, y si una dínamo tiene un voltaje demasiado alto, hará girar las otras dínamos como si fueran motores de CA , o tal vez solo reduzca sus corrientes de salida, si los cables de la red están No es perfectamente conductor.

¿Hay una cantidad mínima de (julios) que se puede alimentar a la red? ¡No, a menos que esté hablando de fotones EM individuales! Por ejemplo, si su fuente de alimentación de CC está configurada exactamente con el mismo voltaje que toda la red de baterías (por ejemplo, 120 V CC), entonces su corriente de suministro será cero. La potencia en ese suministro de CC será cero y no fluirá energía. Ahora intente aumentar el voltaje del suministro de CC. Esto produce una corriente (como si toda la red fuera una resistencia gigante) y ahora hay algunos vatios de flujo de energía, dirigidos fuera de su fuente de alimentación de CC y saliendo a la red. No hay un límite inferior para esto (puede ajustarlo para producir un amperio, un mA o un picoamperio). Simplemente multiplique esta corriente por 120 V, para encontrar la tasa de flujo de energía que se inyecta en la red.

¿Fotovoltaica? Conectar suministros de CC a sistemas de CA es conceptualmente bastante complicado.

Por lo tanto, para aclarar, suponga que toda la red eléctrica son baterías o generadores de CC (y deje que las preguntas se respondan solas). Eso, o para una red de CA, primero conecte sus paneles fotovoltaicos a un motor de CC y conecte el eje del motor para que pueda hacer girar una pequeña dínamo de CA que está conectada a la red de CA. Tenga en cuenta que una dínamo de este tipo girará constantemente a 3600 RPM, "en ralentí" o "girando libremente", con el motor de CC actuando como generador, la corriente del motor de CC idealmente es cero y no se envía energía a la red de CA.

Con la configuración anterior, cada vez que el panel fotovoltaico produce corriente de salida cero, el motor de CC gira sin torsión, mientras que la dínamo de CA gira libre (no hay torsión en el eje de conexión, para cojinetes ideales sin fricción). En ese caso, la dínamo de CA está "ralentí" a 3600 RPM/60 Hz y no envía energía a la red. La fuerza contraelectromotriz del motor de CC giratorio coincidirá con los voltios de salida del panel fotovoltaico, con corriente de accionamiento cero. A continuación, agregue luz solar más brillante, conduzca un poco el motor de CC de rueda libre. Esto empuja la dínamo de CA ligeramente hacia adelante, aumentando ligeramente el voltaje de salida de CA. Matemáticas: si sumamos la potencia instantánea de la dínamo durante un ciclo de CA, encontraremos que la energía eléctrica ahora fluye fuera de la dínamo hacia la red. (Je, o en lugar de eso, ponga su pulgar contra el eje entre la dínamo de CA y el motor de CC cuando esté

Si conectamos el eje de un motor de CC a una dínamo de CA, se llama convertidor rotatorio y realiza la misma tarea que los inversores de estado sólido modernos. Para comprender el flujo de energía, vale la pena comprender primero los motores de CC que impulsan dínamos. Luego, descubra los detalles del circuito de conmutación de transistores que simula una dínamo de CA impulsada por motor.

PD

En física, ¿ qué es la electricidad ? ¿Cuál es la estrecha definición técnica de la palabra "Electricidad?". Vea mi artículo: Podríamos preguntarle a JC Maxwell, Einstein, Faraday, toda esa multitud. Todos están de acuerdo: la electricidad no es el flujo de las cargas, y la electricidad no es una forma de energía. ¡Tradicionalmente, la electricidad son los culombios! De esa forma, un flujo de culombios es lo mismo que un "flujo de electricidad", o en otras palabras, una corriente eléctrica. La corriente no es electricidad. La corriente es un movimiento de alguna electricidad preexistente.

En la red de CA, el flujo de energía está controlado principalmente por el ángulo de fase del voltaje (no por la magnitud como en los sistemas de CC).

Para enviar energía a la red, un inversor debe generar EMF desplazada en relación con el voltaje de la red. Para conseguirlo se puede disponer de un inversor con generador de frecuencia interno. El circuito de control aumentará lentamente la frecuencia del generador hasta que el flujo de energía a la red alcance el valor deseado. Cuando el flujo de energía supera el valor, comenzará a disminuir la frecuencia. Todas las desviaciones de frecuencia están en un rango muy pequeño alrededor de 60 Hz (o 50 Hz en Europa) y solo se necesitan para lograr el cambio de ángulo de fase de voltaje (el cambio es una integral de las desviaciones de frecuencia). El inversor siempre permanece sincronizado con el voltaje de la red.

El sistema de control similar está instalado en cada generador de energía. Cuando hay un exceso de energía en la red, los generadores comienzan a acelerar. El sistema nota esto y reduce la cantidad de alimentación de vapor/agua a la turbina, lo que reduce la velocidad del generador a la velocidad/frecuencia normal.