가정용 전기에 직류(DC) 대신 교류(AC)를 선택한 것은 송전 효율, 장비 호환성, 그리고 역사적 기술 발전에 기반한 종합적인 결과입니다. 핵심 논리는 "어떻게 하면 멀리 떨어진 발전소에서 수천 가구까지 저비용 저손실로 전기를 송전할 수 있을까"입니다.

1. AC의 핵심 장점은 장거리 전력 전송을 효율적으로 구현한다는 것입니다.

전력 생산과 소비 사이에는 자연적인 지리적 차이가 존재합니다. 수력이나 화력 발전소와 같은 대형 발전소는 자원이 풍부하거나 도심에서 멀리 떨어진 곳에 건설되는 경우가 많으며, 수백 또는 수천 킬로미터 떨어진 주거 지역까지 전기를 송전해야 합니다. 이 과정에서 전류가 송전선을 통과할 때 전선의 저항으로 인해 열 손실이 발생합니다(줄의 법칙에 따라 손실은 전류의 제곱에 비례합니다). 손실을 제어하지 않으면 송전 과정에서 막대한 양의 전기가 낭비되어 전력 공급 비용이 급증하게 됩니다.

AC의 핵심 가치는 변압기(구조가 간단하고 비용이 저렴하며 움직이는 부품이 없는 장치)를 통해 "전압 상승 및 하강"을 쉽게 달성할 수 있는 능력에 있습니다.

• 발전소 부스팅: 발전소에서 생성되는 교류 전압은 약 12,000V이며, 이 전압은 먼저 승압 변압기를 통해 115kV, 230kV, 심지어 765kV의 고전압으로 승압됩니다. 전력 공식에 따르면, 총 전력이 일정한 상태에서 전압을 높이면 전류가 크게 감소하여 송전선로의 열 손실을 줄일 수 있습니다(예: 전압을 10배 높이고 전류를 1/10로 줄이면 손실은 원래의 1/100에 불과합니다). 최종 송전 손실은 5% 이내로 제어할 수 있습니다.

• 가정에 들어가기 전 전압 감소: 전기는 도시에 도착한 후 변전소의 전압 강하 변압기를 통해 약 12kV로 전압을 강하시켜 도시 내 지역 배전에 사용합니다. 마지막으로 주거 지역이나 거리에 있는 소형 변압기를 통해 전압을 안전한 가정용 기준(북미에서는 120V, 중국/유럽에서는 230V)으로 더욱 강하시켜 고전압으로 인한 인체 건강과 가전제품의 위험을 방지합니다.

반면에직류는 전압과 전류 방향이 일정하기 때문에 변화하는 자기장을 생성할 수 없습니다. 변압기의 작동 원리는 "변화하는 자기장이 전압을 유도하는" 것입니다. 따라서 직류는 기존 변압기를 통해 전압을 상승 및 하강시킬 수 없습니다. 직류 송전을 강제로 사용하면 저전압 고전류로만 송전할 수 있어 매우 높은 선로 손실이 발생합니다(예: 100km 직류선 손실은 50%를 초과할 수 있음). 이로 인해 발전소를 사용자 근처(일반적으로 1마일 이내)에 건설해야 하는데, 이는 도시의 대규모 전력 공급 수요를 충족할 수 없습니다.

2. 에어컨과 가전제품의 자연스러운 호환성.

일상생활에서 가전제품(대형 가전제품부터 소형 기기까지)은 대부분 AC 구동에 의존하거나 AC 전원 공급에 더 적합합니다. 이러한 호환성은 AC의 특성과 제조 비용 이점에서 비롯됩니다.

• 주류 모터 유형에 적합: 냉장고, 세탁기, 에어컨, 레인지 후드 등 대형 가전제품에 AC 유도 전동기가 핵심 동력원으로 사용됩니다. 이 유형의 전동기는 구조가 간단하고(정류자와 같은 취약한 부품이 필요 없음), 고장률이 낮으며, 비용 조절이 가능하며, AC의 교류 특성을 직접 활용하여 추가적인 전자 제어 부품 없이도 자체 시동을 구현할 수 있습니다. DC 전동기(예: 초기 브러시 DC 전동기)는 전류 방향을 전환하기 위해 기계적 정류자가 필요하므로 마모되기 쉽고 수명이 짧습니다. 최신 브러시리스 DC 전동기조차도 작동을 위해 복잡한 컨트롤러가 필요하며, 역사적으로 AC 전동기보다 훨씬 높은 비용으로 제조되어 왔습니다.

• 난방 및 조명 장비와 호환 가능: 전기 오븐, 온수기, 전기 히터와 같은 저항 가열 장비는 이론적으로는 교류 및 직류(저항을 통과하는 전류는 열을 발생시킴)와 호환되지만, 교류가 전력망의 통합 표준이기 때문에 추가적인 "교류-직류" 변환기가 필요하지 않아 생산 비용과 고장률을 크게 줄일 수 있습니다. 초기 백열등과 이후 형광등도 교류 전력망에 직접 연결하여 작동할 수 있습니다. 최신 LED 조명은 기본적으로 직류 구동이지만, 전력망 구조를 변경하지 않고도 가정용 교류에 적응하기 위해 내부에 소형 정류기(매우 저렴한 가격)만 내장하면 됩니다.

3. 19세기 후반 '전류 전쟁'으로 교류의 지배적 지위가 확립되었고, 교류가 가정용 전기의 세계적 표준이 되는 데 결정적인 역할을 했습니다.

그 뒤에는 두 가지 기술 경로의 실제 경쟁이 있었습니다.

• 에디슨의 DC 솔루션 제한 사항: 발명가 에디슨은 최초로 직류 전력 공급 시스템을 장려하고 뉴욕에 초기 직류 발전소를 건설했습니다. 그러나 앞서 언급했듯이 직류는 장거리 전송이 불가능하고, 전력 공급 범위도 발전소 주변 1마일 이내로 제한됩니다. 손실을 방지하기 위해 굵은 전선이 필요하고(비용이 많이 들며), 도시 확장에 따른 수요를 충족할 수 없습니다.

• 테슬라의 AC 솔루션 혁신: 물리학자 테슬라는 다상 교류 시스템과 교류 유도 전동기를 발명하여 교류 송전 및 응용 분야의 핵심 문제를 해결했습니다. 기업가 웨스팅하우스 일렉트릭은 이 계획을 채택하여 1893년 시카고 만국 박람회에 교류를 성공적으로 활용하여 수만 개의 전등을 밝혔고, 이어서 나이아가라 수력 발전소의 교류 송전 시스템을 구축하여 35km 떨어진 버팔로까지 전기를 공급했습니다. 이러한 사례들은 교류의 확장성을 보여주며, 직류 솔루션을 완전히 극복하고 전 세계 가정용 전기 시장에서 교류의 위상을 확립했습니다.

4. 현대 DC의 적용 범위: 여전히 AC 전력망에 의존하고 있습니다.

오늘날 DC는 태양광 발전, 배터리 에너지 저장, 전자 기기에 널리 사용되고 있지만 가정용으로는 AC가 핵심적으로 차지하는 위치를 대체하지 못했습니다.

• 재생 에너지의 DC에서 AC로의 변환: 태양광 패널은 직류를 직접 생성하고 가정용 에너지 저장 배터리도 직류를 저장하지만 이러한 전기는 가정용 전력망에 연결되어 가전제품에 전력을 공급하기 전에 "인버터"를 통해 교류로 변환해야 합니다. 본질적으로 여전히 교류의 통일된 표준에 의존하고 있습니다.

• 고전압 직류(HVDC) 보완: 현대의 초장거리 전송(국경 간 전력망, 육지로 연결되는 해상 풍력 발전소 등)에는 HVDC(교류보다 손실이 적음)가 사용되지만, 전기가 도시 배전망에 도달한 후에도 가정에서 사용하기 전에 교류로 전환해야 합니다.

간단히 말해, 현대의 DC 전력망은 AC 전력망을 대체하는 것이 아니라 보완하는 것입니다. 가정용 전기의 핵심적인 요구 사항(장거리, 저렴함, 다양한 장치와의 호환성)은 여전히 ​​AC로 완벽하게 충족됩니다.