การเลือกใช้ไฟฟ้ากระแสสลับแทนไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับครัวเรือนเป็นผลลัพธ์ที่ครอบคลุมโดยพิจารณาจากประสิทธิภาพการส่งไฟฟ้า ความเข้ากันได้ของอุปกรณ์ และวิวัฒนาการทางเทคโนโลยีในอดีต หลักการสำคัญอยู่ที่ “วิธีการขนส่งไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าระยะไกลไปยังครัวเรือนหลายพันครัวเรือนด้วยต้นทุนและการสูญเสียไฟฟ้าต่ำ”

1. ข้อได้เปรียบหลักของไฟฟ้ากระแสสลับคือการใช้งานการส่งไฟฟ้าระยะไกลอย่างมีประสิทธิภาพ

การผลิตและการใช้พลังงานไฟฟ้ามีช่องว่างทางภูมิศาสตร์ตามธรรมชาติ โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ (เช่น โรงไฟฟ้าพลังน้ำและโรงไฟฟ้าพลังความร้อน) มักสร้างขึ้นในพื้นที่ที่มีทรัพยากรอุดมสมบูรณ์หรือห่างไกลจากเขตเมือง และจำเป็นต้องส่งกระแสไฟฟ้าเป็นระยะทางหลายร้อยหรือหลายพันกิโลเมตรไปยังเขตที่อยู่อาศัย ในกระบวนการนี้ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสายส่ง จะเกิดการสูญเสียความร้อนเนื่องจากความต้านทานของสายไฟ (ตามกฎของจูล: การสูญเสียเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้า) หากไม่สามารถควบคุมการสูญเสียได้ จะเกิดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากในระหว่างการส่ง ส่งผลให้ต้นทุนพลังงานไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้น

คุณค่าสำคัญของไฟฟ้ากระแสสลับอยู่ที่ความสามารถในการ "เพิ่มและลดแรงดันไฟฟ้า" ได้อย่างง่ายดายผ่านหม้อแปลงไฟฟ้า (อุปกรณ์ที่มีโครงสร้างเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว)

• การส่งเสริมโรงไฟฟ้า: แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่โรงไฟฟ้าสร้างขึ้นอยู่ที่ประมาณ 12,000 โวลต์ ซึ่งจะถูกเพิ่มแรงดันให้เป็นแรงดันไฟฟ้าสูง 115 กิโลโวลต์ 230 กิโลโวลต์ หรือแม้แต่ 765 กิโลโวลต์ก่อน โดยผ่านหม้อแปลงเพิ่มแรงดัน ตามสูตรกำลังไฟฟ้า ภายใต้สภาวะกำลังไฟฟ้ารวมคงที่ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจะช่วยลดกระแสไฟฟ้าได้อย่างมาก จึงช่วยลดการสูญเสียความร้อนในสายส่ง (เช่น หากเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้น 10 เท่า และกระแสไฟฟ้าลดลงเหลือ 1/10 การสูญเสียจะเหลือเพียง 1/100 ของค่าเดิม) และสามารถควบคุมการสูญเสียความร้อนในสายส่งขั้นสุดท้ายได้ภายใน 5%

• ลดแรงดันไฟฟ้าก่อนเข้าบ้าน: หลังจากที่ไฟฟ้ามาถึงในเมืองแล้ว ไฟฟ้าจะถูกลดระดับลงเหลือประมาณ 12 กิโลโวลต์โดยหม้อแปลงลดแรงดันไฟฟ้าของสถานีย่อย ซึ่งใช้สำหรับการจ่ายไฟภายในเมือง ในที่สุด แรงดันไฟฟ้าจะถูกลดระดับลงอีกให้เหลือตามมาตรฐานที่ปลอดภัยสำหรับครัวเรือน (เช่น 120 โวลต์ในอเมริกาเหนือ และ 230 โวลต์ในจีน/ยุโรป) ผ่านหม้อแปลงขนาดเล็กที่ตั้งอยู่ในเขตที่อยู่อาศัยหรือตามถนน เพื่อหลีกเลี่ยงอันตรายจากไฟฟ้าแรงสูงต่อสุขภาพของมนุษย์และเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน

ในทางกลับกันเนื่องจากกระแสตรงมีแรงดันและทิศทางกระแสคงที่ จึงไม่สามารถก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงได้ และหลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าจึงอาศัย “การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า” ดังนั้นกระแสตรงจึงไม่สามารถทำแรงดันไฟฟ้าขึ้นและลงผ่านหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไปได้ หากใช้การส่งสัญญาณกระแสตรงแบบบังคับ จะสามารถส่งสัญญาณได้เฉพาะที่แรงดันต่ำและกระแสสูงเท่านั้น ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานในสายส่งสูงมาก (เช่น การสูญเสียพลังงานในสายส่งไฟฟ้ากระแสตรงระยะทาง 100 กิโลเมตรอาจเกิน 50%) ซึ่งทำให้ต้องสร้างโรงไฟฟ้าใกล้กับผู้ใช้งาน (โดยปกติภายใน 1 ไมล์) ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานไฟฟ้าขนาดใหญ่ของเมืองได้

2. ความเข้ากันได้ตามธรรมชาติระหว่างเครื่องปรับอากาศและเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน

ในชีวิตประจำวัน เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน (ตั้งแต่เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่ไปจนถึงอุปกรณ์ขนาดเล็ก) ส่วนใหญ่ใช้ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้ากระแสสลับ หรืออาจเหมาะกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับมากกว่า ความเข้ากันได้นี้เกิดจากคุณลักษณะและข้อได้เปรียบด้านต้นทุนการผลิตของไฟฟ้ากระแสสลับ:

• เหมาะสำหรับมอเตอร์ประเภทหลัก: ตู้เย็น เครื่องซักผ้า เครื่องปรับอากาศ เครื่องดูดควัน และเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านขนาดใหญ่อื่นๆ ที่มีมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับ (AC) เป็นส่วนประกอบหลักในการผลิตไฟฟ้า มอเตอร์ประเภทนี้มีโครงสร้างเรียบง่าย (ไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบที่เสี่ยงต่อความเสียหาย เช่น คอมมิวเตเตอร์) มีอัตราความล้มเหลวต่ำ ต้นทุนที่ควบคุมได้ และสามารถใช้คุณสมบัติการสลับของกระแสสลับได้โดยตรงเพื่อให้สตาร์ทเองได้โดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติม มอเตอร์กระแสตรง (เช่น มอเตอร์กระแสตรงแบบใช้แปรงถ่านในยุคแรกๆ) จำเป็นต้องใช้คอมมิวเตเตอร์เชิงกลเพื่อเปลี่ยนทิศทางของกระแสไฟฟ้า ซึ่งมีแนวโน้มที่จะสึกหรอและมีอายุการใช้งานสั้น แม้แต่มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่านสมัยใหม่ก็ยังต้องใช้ตัวควบคุมที่ซับซ้อนในการทำงาน และในอดีตมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่านมักมีต้นทุนการผลิตที่สูงกว่ามอเตอร์กระแสสลับมาก

• ใช้งานร่วมกับอุปกรณ์ทำความร้อนและแสงสว่าง: อุปกรณ์ทำความร้อนแบบต้านทาน เช่น เตาไฟฟ้า เครื่องทำน้ำอุ่น และเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า ถึงแม้ในทางทฤษฎีจะเข้ากันได้กับทั้งไฟฟ้ากระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรง (กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานจะสร้างความร้อน) เนื่องจากไฟฟ้ากระแสสลับเป็นมาตรฐานเดียวกันสำหรับระบบไฟฟ้าหลัก อุปกรณ์นี้จึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวแปลงไฟ “AC เป็น DC” เพิ่มเติม ซึ่งสามารถลดต้นทุนการผลิตและอัตราความล้มเหลวได้อย่างมาก หลอดไส้ในยุคแรกและหลอดฟลูออเรสเซนต์ในยุคหลังสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบไฟฟ้าหลักเพื่อการทำงานได้ แม้ว่าหลอดไฟ LED สมัยใหม่จะขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสตรงเป็นหลัก แต่เพียงแค่ติดตั้งวงจรเรียงกระแสขนาดเล็ก (ต้นทุนต่ำมาก) ไว้ภายในก็สามารถปรับใช้กับไฟฟ้ากระแสสลับภายในบ้านได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของระบบไฟฟ้าหลัก

3. “สงครามกระแสไฟฟ้า” ได้สร้างสถานะที่โดดเด่นของไฟฟ้ากระแสสลับในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 โดยกำหนดโดยตรงว่าไฟฟ้ากระแสสลับได้กลายมาเป็นมาตรฐานสากลสำหรับไฟฟ้าในครัวเรือน

ด้านหลังเป็นการแข่งขันเชิงปฏิบัติของเส้นทางเทคโนโลยี 2 เส้นทาง:

• ข้อจำกัดของโซลูชัน DC ของ Edison: นักประดิษฐ์เอดิสันได้ริเริ่มส่งเสริมระบบจ่ายไฟกระแสตรงและสร้างโรงไฟฟ้ากระแสตรงรุ่นแรกๆ ในนิวยอร์ก อย่างไรก็ตาม ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ไฟฟ้ากระแสตรงไม่สามารถส่งผ่านในระยะทางไกลได้ และระยะการจ่ายไฟของไฟฟ้ากระแสตรงถูกจำกัดไว้ภายใน 1 ไมล์รอบโรงไฟฟ้า เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงาน จึงจำเป็นต้องใช้สายไฟหนา (ซึ่งมีราคาแพง) และไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการขยายตัวของเมืองได้

• ความก้าวหน้าทางโซลูชัน AC ของ Tesla: นักฟิสิกส์เทสลาได้ประดิษฐ์ระบบไฟฟ้ากระแสสลับหลายเฟสและมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาหลักของการส่งและการใช้งานไฟฟ้ากระแสสลับ ผู้ประกอบการเวสติงเฮาส์ อิเล็กทริกได้นำแผนนี้ไปใช้และประสบความสำเร็จในการใช้ไฟฟ้ากระแสสลับในการจ่ายไฟให้กับงาน Chicago World's Fair ในปี ค.ศ. 1893 (ซึ่งให้แสงสว่างแก่ดวงไฟหลายหมื่นดวง) ตามด้วยการสร้างระบบส่งไฟฟ้ากระแสสลับให้กับโรงไฟฟ้าพลังน้ำไนแอการา (ส่งไฟฟ้าไปยังเมืองบัฟฟาโล ซึ่งอยู่ห่างออกไป 35 กิโลเมตร) กรณีศึกษาเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับขนาดของไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งเอาชนะการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงอย่างสิ้นเชิง และตอกย้ำสถานะไฟฟ้ากระแสสลับที่ครองตลาดไฟฟ้าครัวเรือนทั่วโลก

4. ขอบเขตการใช้งานของ DC ในปัจจุบัน: ยังคงต้องอาศัยระบบไฟฟ้ากระแสสลับ

ปัจจุบัน DC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ การกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็ยังไม่สามารถทดแทน AC ในการใช้งานภายในบ้านได้

• การแปลงพลังงานหมุนเวียน DC เป็น AC: แผงโซลาร์เซลล์สร้างกระแสตรงโดยตรง และแบตเตอรี่เก็บพลังงานในครัวเรือนก็เก็บกระแสตรงเช่นกัน แต่ไฟฟ้าเหล่านี้ต้องถูกแปลงเป็นกระแสสลับผ่าน "อินเวอร์เตอร์" ก่อนที่จะเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าภายในบ้านเพื่อจ่ายไฟให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วยังคงต้องอาศัยมาตรฐานกระแสสลับแบบรวม

• ส่วนเสริมสำหรับกระแสตรงแรงดันสูง (HVDC): การส่งสัญญาณระยะไกลพิเศษสมัยใหม่ (เช่น โครงข่ายไฟฟ้าข้ามพรมแดน ฟาร์มลมนอกชายฝั่งไปยังพื้นดิน) ใช้ HVDC (มีการสูญเสียต่ำกว่า AC) แต่หลังจากที่ไฟฟ้าเข้าถึงเครือข่ายการจำหน่ายในเมืองแล้ว ก็ยังต้องแปลงเป็น AC ก่อนจึงจะนำไปใช้ในครัวเรือนได้

โดยสรุปแล้ว การประยุกต์ใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ในปัจจุบันถือเป็นการเสริมโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับ มากกว่าจะเป็นการทดแทน เนื่องจากความต้องการไฟฟ้าภายในบ้าน (ระยะไกล ต้นทุนต่ำ ใช้งานได้กับอุปกรณ์หลายเครื่อง) ยังคงได้รับการตอบสนองจากไฟฟ้ากระแสสลับได้อย่างสมบูรณ์แบบ