교류와 직류: 교류와 직류 - 어느 쪽이 더 낫나요?
11월 16, 2024
전류(전하)는 다음과 같은 경우 한 방향으로만 흐릅니다. DC(직류). 하지만 AC(교류) 전하가 주기적으로 방향을 바꿉니다. 전류 흐름의 변화로 인해 전류뿐만 아니라 전압도 반전됩니다.
교류 대 직류 논쟁은 1890년대 후반에 두 개의 거대 전력 기술이 얽힌 전류 전쟁을 상징합니다. 직류의 창시자인 토마스 에디슨은 테슬라의 발명에 위협을 느낀 나머지 교류의 신용을 떨어뜨리기 위해 미국인들을 거짓으로 오도하는 방법을 사용했습니다. 새로운 기술에 대한 로열티를 잃을 것을 우려한 에디슨은 코끼리를 감전시켜 교류의 치명적인 위험을 보여주기까지 했습니다.
그러나 이것이 테슬라가 값싸고 효율적인 에너지로 미국에 전력을 공급하려는 꿈을 이루는 것을 막지는 못했습니다. 지금도 우리는 높이 솟은 송전탑 사이에 기타 줄처럼 길고 굵은 전선이 촘촘히 연결되어 있는 것을 볼 수 있습니다. AC가 왕좌를 차지하고 한 세기 동안 가정, 사무실, 건물을 지배하며 군림하다가 점차 DC가 다시 돌아오고 있는 것처럼 보이는 지금에 이르렀습니다. AC는 왜 그렇게 잘 팔렸을까요? 그리고 DC가 컴백할 수 있는 이유는 무엇일까요? 이 질문들을 다시 생각해 보겠습니다.
AC가 DC보다 나은 이유는 무엇인가요?
교류는 전자가 주기적으로 앞뒤로 방향을 바꾸는 전류의 일종입니다. 1832년 마이클 패러데이가 다이나모 발전기를 설명하면서 고안한 원리를 기반으로 합니다. 이렇게 유명한 기술임에도 불구하고 직류는 장거리 전송이 매우 어렵다는 큰 문제점을 가지고 있었습니다. 전선의 전력이 손실되어 추가 회로를 사용하여 다시 전력을 공급해야 했습니다. 또한 DC 전압을 업그레이드하거나 다운그레이드할 때도 복잡한 회로가 필요했습니다.
교류는 장거리 전송이 용이할 뿐만 아니라 변압기를 사용하여 더 높거나 낮은 값으로 편리하게 변환할 수 있습니다. 변압기는 기본적으로 교류 전압의 크기를 "승압" 또는 "강압"하는 코일로 된 전선입니다. 이러한 방식으로 전압을 변환할 수 있다는 것은 도시뿐만 아니라 전국에 걸쳐 전력을 훨씬 더 효율적으로 전송할 수 있다는 것을 의미했습니다. 테슬라의 꿈은 점차 현실이 되어가고 있었습니다.
장거리 전력 전송 능력은 19세기에 주택과 건물에서 직류 전력을 사용하지 않게 된 가장 중요한 이유였습니다. 1893년 제너럴 일렉트릭은 시카고 만국박람회의 DC 전력 공급업체로 선정되었는데, $554,000이라는 막대한 비용이 들었습니다. 하지만 조지 웨스팅하우스가 개입하여 테슬라의 AC로 $39만 9천 달러에 박람회에 전력을 공급하겠다고 약속했습니다. 3년 후 나이아가라 폭포 전력 회사는 AC의 편의 시설에 매료되어 나이아가라 폭포에서 전력을 생산하고 뉴욕 버팔로 전역을 밝힐 수 있는 권리를 웨스팅하우스에 부여했습니다. AC가 DC를 완전히 밀어낸 것입니다. 그리고 수십 년 후 트랜지스터가 탄생했습니다.
DC가 AC보다 나은 이유는 무엇인가요?
교류와 달리 직류는 스위칭을 거치지 않습니다. 주기 없이 전류는 일정한 전압으로 한 방향으로 흐릅니다. 앞서 언급했듯이 직류는 열로 인해 전력이 손실되기 쉬운데, 에디슨이 최초의 전구를 밝히기 위해 이 특성을 이용했습니다. 이러한 단점에도 불구하고 반도체 시대가 도래하면서 DC가 다시 등장하게 되었습니다. DC는 주로 전자 장치, 즉 켜짐과 꺼짐의 두 가지 상태에서만 작동할 수 있는 소형 장치에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 여기에는 배터리, LED, 컴퓨터 기술의 뉴런인 트랜지스터 및 기타 모든 반도체 장치가 포함됩니다.
우리 사회가 항상 '클라우드'에 연결되는 컴퓨터, 태블릿, 휴대용 기기에 의존하고 있기 때문에 DC 전력이 다시 주목받고 있습니다. 클라우드는 기본적으로 서버로 알려진 컴퓨터로, 사용자의 소중한 데이터를 저장하기 위해 멀리 떨어진 건물에 저장됩니다. 이제 Facebook이나 Google과 같은 기업들은 계속 늘어나는 사용자의 데이터를 저장하는 서버를 수용하기 위해 건물 전체를 비우고 있습니다. 이러한 장치에서 AC를 DC처럼 조작하려면 정교한 회로가 필요하기 때문에 상당히 복잡합니다. 그러나 가장 중요한 것은 AC는 비록 무한히 적은 시간 동안이지만 에너지를 잃기 때문에 지속적으로 전력을 소모하는 서버가 견딜 수 없다는 것입니다.
서버실은 일반적으로 에어컨이 설치되어 있으며 컴퓨터 서버의 지속적인 작동에 전념합니다. (이미지 출처: 플리커)
또한, 모든 전기 엔지니어는 전선 표면에서 에너지가 흐르기 때문에 그 아래의 물체에 흡수되는 현상인 스킨 효과와 용량성 결합으로 인해 AC 전송에서 발생하는 손실이 DC에서 발생하는 손실을 초과할 수 있다는 사실을 알고 있습니다. 이러한 저항으로 인해 전송 속도가 느려지고 결과적으로 효율성이 떨어집니다. 사실, 주변에 분산된 손실은 무선 전력 전송 메커니즘을 구성하는 기초를 형성합니다. AC는 에너지의 일부를 방출하는데, 이를 적절한 방식으로 전선을 감아 한 영역에 편리하게 집중시킬 수 있습니다.
DC가 다시 돌아올 수 있는 또 다른 이유는 - 그리고 이것이 가장 중요해 보입니다 - 친환경 전자 기기와의 호환성 때문입니다. 모든 태양전지는 반도체 기판을 기반으로 하기 때문에 모두 DC 전원으로 발전하거나 작동합니다. 재생 에너지를 위해 DC가 다시 돌아와야 할지도 모릅니다. 물론 AC도 채용할 수 있지만 인버터를 사용하여 DC에서 AC로 변환한 다음 다시 DC로 변환하는 지루한 과정을 거쳐야 하며, 이때 5~20%의 에너지가 열로 손실됩니다. 실제로 몇 에이커에 달하는 데이터 센터에서는 이러한 컨버터를 사용하지만 엄청난 양의 에너지를 소비할 뿐만 아니라 발생하는 열에 대한 냉각 시스템 비용도 추가로 발생하여 재정적 어려움을 악화시킵니다.
그렇다면 AC와 DC 중 어느 것이 더 좋을까요?
지금은 장거리 전력망을 통해 DC를 전송할 수 있는 기술이 있지만, 우리는 여전히 AC를 계속 사용하고 있습니다. AC는 저항을 극복하기 위해 더 높은 전압으로 밀어 올리고, 전력이 사용자에게 도달하면 강압 및 정류 과정을 거쳐 컴퓨터 등에 전력을 공급합니다. 그러나 이러한 기술은 재생 가능 기술과 마찬가지로 비용이 많이 들 뿐만 아니라 효율성에 의문이 제기될 수 있습니다. 예, DC는 안정적인 출력을 제공하지만 더 높은 효율을 달성합니다. 이후 손실을 제거합니다.
손실이 AC에서 발생하는 손실보다 적을 수 있지만 승압/하강 요인이 작용합니다. AC 전압을 변조하고 전송할 수 있는 단순성은 여전히 타의 추종을 불허하기 때문에 여전히 AC가 선호될 수 있습니다. 두 전원 공급원 모두 나름의 방식으로 우수하기 때문에 누가 승리할지는 경쟁의 기준, 즉 경기장에 따라 결정됩니다. 판단은 본질적으로 전력의 적용에 달려 있습니다.
요즘은 두 가지가 함께 작동합니다. 교류는 집에서 끝나는 빈 일기장의 선처럼 전선을 타고 우리 위를 흐릅니다. 그런 다음 AC 전압이 DC로 변환됩니다. 정류기, 충전기에 포함된 어댑터처럼 전구, 램프 및 기타 가전제품과 같은 가정용 기기에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 전류의 전쟁은 예전만큼 극적이지는 않지만 여전히 미묘하게 존재하고 있습니다.