Uso de 500 W para alimentar un elemento calefactor eléctrico de 4 kW

Tengo un calentador de agua de 120 litros alimentado por un elemento calefactor de 4kW. Tengo dos paneles solares de 350 W con un total de ~700 W, de los cuales espero obtener ~ 500 W de energía de manera confiable. Estoy buscando una manera de tomar los 500 W a 24 V de los paneles solares, aumentar el voltaje con un convertidor de CC a CC, almacenar la energía en un condensador y descargarla a la potencia nominal en el elemento calefactor. Entonces, por cada 8 segundos de carga, el elemento calefactor funcionaría durante 1 segundo.

¿Alguien conoce algún módulo comercial que pueda hacer este tipo de cosas? ¿Cuáles son mis opciones para lograr esto?

¿Por qué quieres tener un ciclo de 8/1 segundos? ¿O es solo un ejemplo? Simplemente puede alimentar el calentador con un convertidor de CC a CC sin almacenar energía durante tanto tiempo.
¿Por qué un condensador? Utilice una batería grande. Deje que se cargue todo el día y tendrá suficiente energía para operar su calentador de agua por un tiempo.
@MathKeepsMeBusy No deseo alterar el elemento calefactor. No creo que pueda conectar un elemento calefactor de 240v a 24v, ya que no se calentará a la temperatura nominal.
@JRE No hay batería en el sistema, y ​​no tiene sentido agregar este costo si voy a convertir la energía en calor de todos modos. Cargar un condensador tiene muchas menos pérdidas de energía que cargar una batería y luego descargarla.
Un condensador lo suficientemente grande como para hacer cualquier bien será mucho más grande y mucho más caro que una batería.
Si todo lo que desea es agua caliente, busque un colector solar en lugar de células fotovoltaicas.
El calentamiento solar de agua es más eficaz que la fotovoltaica para calentar cuando se desea agua caliente.
@PaulB. No necesita modificar su elemento calefactor. Vea la respuesta de Neil_UK. Pero si desea tener un ciclo de trabajo, puede usar un ciclo de 40 uSec con 5 uSec a tiempo y obtener el mismo resultado pero con un capacitor de 1/200,000 del tamaño.
Suponiendo que se trate de calentadores resistivos estándar, no es necesario aumentar el voltaje ni almacenarlo para ráfagas breves. Solo alimenta la energía directamente.
@JRE 1kw/s fue un ejemplo. El punto era que el tiempo de carga sería 8 veces mayor que el de descarga. Eso incluso podría lograrse con condensadores de fuente de alimentación listos para usar que funcionen en el rango de milisegundos en un ciclo de descarga de carga de 8/1. En cualquier caso, se proporcionó una respuesta suficientemente buena y la probaré este fin de semana.
@Math Keeps Me Busy Fue solo un ejemplo. Sí, dados los comentarios y las respuestas proporcionados, parece que puedo aumentar el voltaje con un convertidor CC-CC a ~ 80 V y debería estar listo, lo que hace que mi vida sea mucho más fácil. Lo intentaré este fin de semana.

Respuestas (4)

Tienes un elemento calefactor de 4 kW a 230 V:

R = 230 2 4000 = 13.2 Ω
Este calentador consumiría 500 W de potencia cuando el voltaje es V = PAG ∗ R ≈ 500 ∗ 13.2 = 81 V

Así que necesitas un convertidor boost. Pero también podría conectar dos paneles en serie.

Panel de ejemplo

Tabla de especificaciones del panel de ejemplo

Entonces tienes un voltaje MPPT de 38.5 X 2 = 77V, que se acerca mucho a tus necesidades.

Voltaje MPPT VS. irradiancia

Curva MPPT del panel de ejemplo

Puede ver que el voltaje MPPT no cambia drásticamente. Si sus paneles tienen características similares, simplemente puede conectarlos al calentador y obtendrá el máximo. rendimiento, ya que no se producirían pérdidas adicionales en el convertidor.

Gracias. Esto es lo que he estado buscando.
Esto se correlaciona muy bien con lo que hizo este tipo, punto de máxima potencia pero sin seguimiento. Enlace de YouTube: youtu.be/KVeGummoXS0
Pero también tenga en cuenta que la mayoría de los elementos calefactores tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo. Esto significa que, para un voltaje más bajo que produciría 4kW, el elemento tendrá una resistencia más baja de lo esperado. Entonces, su voltaje a través del calentador será un poco más bajo de lo que espera.

Un elemento calefactor de 4 kW no tiene que funcionar a 4 kW. Producirá una salida de calor promedio de 500 W, ya sea que se utilice el 100 % del tiempo con 500 W o el 12,5 % del tiempo con 4 kW.

Use un convertidor de CC a CC para producir el voltaje correcto para impulsar el elemento a 500 W. No necesita almacenar energía en baterías o capacitores.

Mejor, si su controlador de panel MPPT funcionará con una carga resistiva, configúrelo para controlar el calentador.

Mejor aún, absorba la luz del sol directamente en los tubos de calentamiento de agua, obtendrá una eficiencia de calentamiento de agua mucho mayor que con la electricidad.

Desafío de marco

Estás trabajando en una forma complicada de:

  • Convierta la radiación solar (también conocida como luz solar) en electricidad, generalmente a una tasa de alrededor del 15% de eficiencia
  • Usar la electricidad para calentar agua a un precio bajo (es decir, mucho más bajo que la capacidad de diseño del calentador de agua)

Ahora bien, si todo esto fuera esencialmente "gratis", valdría la pena. Pero estamos hablando de inversores, convertidores, baterías, condensadores, etc. No gratis de ninguna manera. Además, la electricidad generada no está disponible para hacer funcionar otras cosas que requieren electricidad: computadoras y otros productos electrónicos de consumo, ventiladores, luces, etc.

En cambio, si utilizas la radiación solar para calentar directamente el agua, es mucho más eficiente. Esto requiere algunos equipos adicionales: el colector solar y las tuberías desde/hacia el calentador de agua. Pero funciona. De hecho, Israel (y creo que algunos otros países también) usan esto para agua caliente residencial de forma regular. Entonces sus paneles solares son libres de proporcionar electricidad para todo lo demás.

Este problema no es exclusivo de la energía solar. Por ejemplo, la calefacción eléctrica "ordinaria" (también conocida como "tostadora gigante") es 100% eficiente en la conversión de electricidad en calor, pero la electricidad, en muchos lugares, se genera de manera muy ineficiente a partir de combustibles fósiles. En esa situación, usar gas natural para generar calor directamente es mucho más eficiente. (Dejando de lado el problema de la "bomba de calor" por el momento, eso cambia la ecuación de otras maneras). Este es especialmente el caso si usa un generador para energía de respaldo: un generador doméstico generalmente será menos eficiente en general que uno a escala de servicios públicos. generador, por lo que usar un generador para hacer funcionar la calefacción eléctrica consumirá el gas mucho más rápido que el mismo gas quemado para generar calor (con la electricidad que solo se usa para el ventilador, los controles, etc.).

La calefacción hidrónica solar también es común donde vivo en Colorado, EE. UU. Sin embargo, las bombas de calor con energía fotovoltaica parecen ser más populares para las nuevas construcciones.
Estás diciendo lo obvio aquí. Un colector solar térmico tiene una potencia nominal de 1,7 a 2,5 kw para la misma área que tiene una potencia nominal de 250 a 300 w para un panel solar. Obviamente, se espera una tasa de recaudación de ~2/10. Los puntos de venta son, el costo es bajo, la instalación está ahí, el sistema es híbrido, por lo que en los días con poca luz solar, aún puedo cambiar a electricidad con solo presionar un interruptor, la caldera está adentro donde ya está caliente, por lo que no hay pérdidas adicionales. días fríos.

PSA: la CC de alto voltaje es peligrosa

OK primero, 240V >>DC<< no es nada con lo que jugar. La naturaleza de la energía de CC cambia drásticamente a voltajes tan altos. Es mucho más peligroso que la alimentación de CA equivalente. Solo mire el equipo de manejo de energía: verá que la clasificación de CC es mucho más baja que la clasificación de CA. El equipo de CA de 240 voltios se encuentra en cualquier tienda para el hogar. Los equipos de 240 V CC son industriales/especializados caros o chinos peligrosos y baratos.

Por lo tanto, debe manejar cualquier potencia superior a aproximadamente 50 V como CA, no como CC. Y aún debe tomar todas las precauciones requeridas por los códigos eléctricos modernos o de su país para esa alimentación de CA.

Entonces, ¿qué tal esto? Use un inversor de CA de 120 V. y un diodo

Ahora, los calentadores de agua son resistencias simples. Con los calentadores de resistencia, si reduce a la mitad el voltaje, reduce a un cuarto la potencia. Está diseñado para 4000W @ 240VAC, pero a 120VAC, son solo 1000W.

Los inversores de 120 V CA están fácilmente disponibles.

Ahora, ¿qué sucede si pasa 120 V CA a través de un diodo? Obtiene la mitad de la potencia, ya que solo llega la mitad de la onda sinusoidal. Ahora estamos en 500W @ 120V.

"Eso fue fácil" :)

Ahora todo lo que necesita es un inversor de 120 V que responda a un voltaje bajo apagándose durante 8 segundos.

¿Cómo responde un inversor típico a la rectificación de media onda a la potencia nominal? La baja potencia probablemente esté bien, pero supongo que aún es más estresante que simplemente una menor resistencia. ¡Haz eso a la potencia nominal, y no creo que te guste en absoluto!
Un diodo a una resistencia es la carga menos inductiva imaginable, por lo que todo sucede en tiempo real. Entonces, ¿cómo sabría el inversor ? No tiene memoria, ni siquiera de 10 ms. Es simplemente ver el cambio de carga, que un inversor puede manejar mejor, pero nuevamente, sin memoria, por lo que no hay concepto de "cambio". @AaronD En cuanto al tamaño, es un problema de selección de productos. No esperaría nada más que humo mágico de un inversor Chinesium funcionando a potencia nominal para cualquier carga.
Habiendo recibido hace muchos años una descarga tonta de un suministro de laboratorio de 200 V CC, estoy de acuerdo en que una electrocución de CC grave es aterradora como el infierno: ¡una bestia totalmente diferente a la CA!
lo que realmente desconcierta a la gente es lo dócil y bien portado que es 5V y 12VDC, es como un labrador retriever de voltajes. No aprecian cuán bruscamente DC se convierte en un glotón rabioso a voltajes más altos. Una vez que comienza un arco DC, no se puede negociar con él, no se puede razonar con él, no siente lástima, remordimiento o miedo...
@Harper-ReinstateMonica Transformador de salida??? Un diseño (muy) ingenuo podría usar un oscilador de 12 V, 50 o 60 Hz para impulsar un transexual 1:10 60 Hz. Eso tiene memoria, en forma de un desplazamiento de CC masivo en el secundario. Y quién sabe qué podría decidir hacer otra persona dentro de su "caja negra". Algunos estarían bien, otros probablemente no.
@AaronD No es probable en un producto de consumo. La física dicta que el tamaño del núcleo férrico de un transformador es una función de la frecuencia de CA. 50/60 Hz requiere núcleos absolutamente enormes según los estándares electrónicos. Un transformador de 1 KVA pesa alrededor de 27 libras/12 kg. No hay forma de evitarlo, excepto usar alambre de aluminio, y eso solo reducirá un par de libras. El valor del metal por sí solo es considerable.
Uso de 500 W para alimentar un elemento calefactor eléctrico de 4 kW
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