Если адаптеры постоянного тока так распространены, почему в строительстве по умолчанию используется переменный ток?

Трансмиссионные/Функциональные причины:

1. Переменный ток дешевле — потери мощности при передаче от генератора к конечному потребителю меньше.
2. Высокое напряжение дешевле в транспортировке — потери мощности равны I^2 * R. R — постоянная величина для любой линии. При одинаковой мощности (в ваттах) P = IV. Таким образом, мы можем уменьшить потери мощности, увеличив напряжение. — Это приводит нас к возможности трансформации. Я могу легко пропустить переменный ток через трансформатор, чтобы повысить или понизить напряжение (с соответствующим изменением силы тока). Для этого с постоянным током потребуется выполнить ещё несколько действий.
3. [дополнение] Если бы мы использовали электричество только для освещения и обогрева, то с функциональной точки зрения нам было бы всё равно, переменный ток или постоянный. Однако во многих устройствах в наших домах используются двигатели, а двигатели переменного тока дешевле и служат намного дольше, чем двигатели постоянного тока. Однако, когда мы только прокладывали электропроводку в жилых районах, это не имело значения.

Чтобы подробнее изучить преобразование напряжения:

• Для изменения напряжения в сети переменного тока требуется трансформатор. По сути, это две катушки из проволоки и кусок металла.

• Чтобы повысить напряжение постоянного тока, сначала преобразуйте его в переменный ток, затем пропустите его через трансформатор, а затем преобразуйте в постоянный ток. Полученный постоянный ток не будет ровным, если вы не добавите дополнительную электронику. На каждом этапе происходит некоторое выделение тепла.

• Сечение проводника пропорционально силе тока, которую обычно называют «амперной нагрузкой». Для большего тока требуются более толстые провода. Падение напряжения зависит как от силы тока , так и от расстояния. Таким образом, чем длиннее провода, тем они должны быть толще. С более толстыми проводами сложнее работать, и они дороже, поэтому более высокое напряжение / меньшая сила тока являются большим преимуществом.

(Изоляция пропорциональна напряжению, как и опасность, поэтому высокое напряжение — это не беспроигрышный вариант.)

• Переменный ток подходит для многофазного распределения. Это позволяет уменьшить общий размер проводников (дешевле, проще в работе).

Многофазность полезна для электродвигателей.

В американских домах обычно используется двухфазное питание 240 В + нейтраль от уличного трансформатора. Мощные устройства (например, духовка) могут работать от обеих фаз на 240 В. Менее мощные устройства (мой ноутбук) могут работать от одной фазы + нейтраль. Это удобно. См. также: Многопроводные ответвления.

Пример из практики:
в моем автодоме используется система питания 12 В постоянного тока. Провода должны быть толстыми, потому что сила тока высокая. Если я закорочу свое обручальное кольцо, оно расплавится. Нам нужно питать мощные устройства, например вентиляторы для печей. В автодомах было бы полезно использовать напряжение 24 В постоянного тока или выше, но сначала нужно перевести на него обычные автомобили, а потом уже автодома.

Тематическое исследование:

Фотоэлектрические установки (солнечные панели) на крышах страдают от того, что вырабатывают относительно низковольтный постоянный ток. Если от фотоэлектрической установки до аккумуляторной батареи или инвертора проложен длинный провод, то много энергии теряется в виде тепла. Некоторые переходят на «микроинверторы», когда каждая панель имеет собственный инвертор на крыше. Это снижает потери при передаче.

В сторону:

Я слышал, что при распределении постоянного тока на наше стереооборудование могут возникнуть проблемы с контурами заземления, но так и не смог в этом разобраться.

Вы правы. И если вас это интересует, я советую вам внедрять инновации в этой области.

Все перечисленные вами устройства потребляют очень мало энергии, менее 10 Вт. Многие из них работают напрямую от 12 В постоянного тока. Вы не ошибётесь, если установите в доме вторую электрическую систему на 12 В, которая будет питать эти маломощные устройства.

К ним относятся следующие, а также обратите внимание на следующее: на удивление легко и дёшево обеспечить резервное питание от аккумуляторов для этой системы с напряжением 12 В, дополняемой солнечной энергией. Теперь эти части вашего дома защищены от отключения электроэнергии.

• Освещение. Светодиодное освещение упрощает эту задачу.

• Морозильная камера — современные морозильные камеры Energy Star настолько эффективны, что большинство тех, кто не подключен к электросети, больше не заморачиваются со специальными морозильными камерами на 12 В и используют обычную (но хорошо подобранную) морозильную камеру с инвертором.

• То же самое касается холодильников, но они, как правило, весят больше, поскольку их изоляция тоньше, а дверцы открываются гораздо чаще. Это может потребовать значительного увеличения мощности системы.

• Дренажный насос

• Дезодорирующий воздухоочиститель

• Интернет-роутеры — большинство из них уже работают от 12 В постоянного тока. Инфраструктура телефонной компании имеет массивное резервное питание от аккумуляторов; кабельное телевидение не может похвастаться тем же.

• Зарядка телефона/планшета: используйте автомобильные зарядные устройства, которые продаются на каждой заправке.

• Телевизор — многие телевизоры поддерживают входное напряжение 12 В.

• Зарядка аккумуляторных инструментов для мастерской.

• Термостаты и реле, которыми они управляют.

• Отопление: установите вспомогательную настенную или напольную печь, которая не требует подключения к электричеству (даже для дистанционного термостата).

• Горячая вода: газовые водонагреватели потребляют очень мало электроэнергии (или не потребляют ее вовсе). Газовые водонагреватели по требованию потребляют небольшое количество электроэнергии, но только во время использования.

Вы понимаете, к чему я клоню: во время блэкаута можно уютно устроиться, согреться и посмотреть Netflix.

Вот некоторые нагрузки, которые сложно обеспечить питанием от системы на 12 В, поскольку требования к энергопотреблению слишком высоки.

• Кондиционер и осушитель воздуха

• Печи с принудительной подачей воздуха, которые, как это ни парадоксально, используются практически во всех системах в «снежном поясе». Вот почему людям там так сложно защититься от затемнения таким способом, ведь эта печь находится в верхней части списка «критических нагрузок». Печи, не требующие электричества, даже не продаются в «снежном поясе»!

• Использование электричества для получения тепла (отопление дома, нагрев воды, сушка или приготовление пищи)

• Стирка и сушка одежды (значительная нагрузка на двигатель)

• Мытье посуды (особенно нагрев воды и сушка)

• Электроинструменты

Более крупные системы на 12 В справятся с этим: проводка не справится, и вот почему: мощность (в ваттах) равна произведению напряжения на силу тока. Напряжение снижается, сила тока увеличивается. Сила тока определяет размер провода, который быстро становится непрактичным. Ваш кондиционер на 240 В/30 А становится 12 В/600 А. Я подключил электропитание на 600 А, провода огромные и очень дорогие ($60 за фут). Не работает. Даже для фена мощностью 1500 Вт (сейчас 12 В/125 А) нужен практически сварочный кабель.

Более крупная система на 12 В будет преобразовывать напряжение до 120/240 В прямо у аккумулятора и распределять его по дому с помощью обычной проводки.

Все ответы на вопрос верны. По сути, когда Эдисон только начинал разрабатывать электрические генераторы для энергосистем, он нанял Николой Теслу в качестве своего протеже. Утверждается, что Тесла использовал принципы переменного тока и многофазного питания, чтобы значительно повысить эффективность электрических генераторов, которые по первоначальной конструкции Эдисона вырабатывали постоянный ток.

По сути, главное отличие заключается в том, что переменный ток требует меньше усилий для получения большей мощности (то есть его производство более эффективно). Представьте себе электрический ток в виде замкнутого водяного контура под давлением. Вода находится под давлением, создаваемым каким-то источником энергии, и течёт по шлангам к какому-то устройству, которое может использовать поток воды для выполнения механической работы. Затем вода, отдавшая свою энергию, возвращается к источнику энергии.

Постоянный ток был бы эквивалентен давлению на воду только в одном направлении, будь то подача воды из резервуара (по принципу работы аккумулятора) или с помощью крыльчатки или другого вращающегося насоса (по принципу работы генератора). Такой насос будет перекачивать воду неэффективно, поскольку его механизм не может быть водонепроницаемым. Односторонний поршневой насос был бы водонепроницаемым, но не мог бы перекачивать воду постоянно. Эту проблему можно решить (как в преобразователях переменного тока в постоянный) с помощью резервуара, который будет накапливать дополнительное давление, а затем подавать его в систему, когда насос работает в обратном направлении. В любом случае, за исключением резервуара (аккумулятора), при выработке тока затрачивается энергия.

Переменный ток, напротив, можно сравнить с использованием простого поршневого насоса для перекачки воды в одном направлении, а затем в другом. Пока устройства ожидают, что поток воды изменится на противоположный (или им всё равно), конструкция генератора может быть намного проще и эффективнее. Причины повышения эффективности немного отличаются от приведённой аналогии, но сама аналогия довольно точна.

У переменного тока тоже есть несколько преимуществ, которых нет у постоянного, что делает его более предпочтительным для крупномасштабных приложений. Пожалуй, самым важным является возможность «повышения» и «понижения» напряжения с помощью трансформатора. Постоянное напряжение можно «понизить» только с помощью резисторов, которые, по сути, преобразуют электрическую энергию в тепловую, что приводит к большим потерям энергии. Многофазное питание, которое в США называется трёхфазным, — это скорее решение проблемы переменного тока, чем преимущество (трёхфазный переменный ток позволяет энергосистеме поддерживать почти постоянное общее напряжение, преодолевая непостоянство напряжения при использовании одной формы волны переменного тока, при этом используется меньше проводов, чем потребовалось бы для эффективной передачи той же общей мощности при использовании одной формы волны), но оно даёт полезный побочный эффект — возможность «добавлять» фазы друг к другу при том же доступном токе. В двухфазной сети напряжение удваивается, а в трёхфазной — увеличивается в √3 раза. Поэтому в жилых домах напряжение составляет 120/240 В (120 * 2), а в коммерческих — 120/208 (120 * √3).