La corrente alternata (CA) viene utilizzata per la distribuzione di energia negli edifici perché può essere aumentata o diminuita in tensione in modo efficiente utilizzando trasformatori.Ciò consente all'elettricità di percorrere lunghe distanze a tensione molto elevata, riducendo al minimo la perdita di energia resistiva e riducendola in modo sicuro a 120 V.La corrente continua (DC) non può utilizzare trasformatori, rendendo la trasmissione DC a lunga distanza storicamente impraticabile.
La ragione più importante per cui l'AC ha vinto contro la corrente continua alla fine del XIX secolo è che i trasformatori funzionano solo con corrente alternata.
Un trasformatore funziona con l'induzione elettromagnetica (legge di Faraday): un campo magnetico mutevole nella bobina primaria induce una tensione nella bobina secondaria.produce un campo magnetico statico, non si verifica alcuna induzione., quindi un semplice trasformatore non può cambiare la tensione CC.
Con il CA, la tensione può essere:
- Aumentato alla centrale elettrica a centinaia di kilovolts (ad esempio, 230 kV, 500 kV, 765 kV) per la trasmissione a lunga distanza.
- Riduzione dei livelli di distribuzione nelle sottostazioni locali (ad esempio, 11 kV, 33 kV).
- Scendi di nuovo vicino o all'interno dell'edificio a 120 V, 240 V o 230 V per l'uso finale.
Questa trasformazione di tensione in più fasi è la spina dorsale della rete moderna e è possibile solo perché il CA inverte la direzione 50 o 60 volte al secondo.
L'elettricità persa come calore durante la trasmissione segue la formula:
P_loss = I2 × R
dove I è la corrente e R è la resistenza della linea.
P = V × I
Per una quantità fissa di potenza, aumentare la tensione (V) abbassa la corrente (I).Anche una modesta riduzione della corrente produce un drammatico calo dell' energia sprecata.
Esempio concreto: fornire 100 MW a 12 kV richiede circa 8.333 A di corrente. A 230 kV, lo stesso 100 MW richiede solo circa 435 A. Circa 1/19 della corrente.che riduce la perdita di calore nella linea di circa 360 volte.
Ecco perché le centrali elettriche inviano elettricità a tensioni estreme attraverso linee di trasmissione ad alta tensione, per poi ridurla progressivamente man mano che si avvicina agli utenti finali.Un sistema a corrente continua senza trasformatori dovrebbe trasmettere alla stessa bassa, la tensione a livello dell'edificio che il cliente utilizza, con conseguente perdita di energia catastrofica anche su brevi distanze.
Il CA ha anche vantaggi alla fonte e in tutta la rete:
- I generatori CA sono meccanicamente più semplici: una bobina rotante in un campo magnetico produce naturalmente corrente alternata.La generazione di corrente continua richiede un commutatore un interruttore meccanico a rotazione che rettifica l'uscita che aumenta l'usura, manutenzione e punti di guasto.
- La sincronizzazione della rete è semplice: i sistemi AC si sincronizzano naturalmente alla stessa frequenza (50 Hz o 60 Hz), consentendo a più centrali elettriche di connettersi a una sola rete e condividere il carico.
- Più di un secolo di dominio dell'AC ha prodotto un ecosistema universale di trasformatori, interruttori, dispositivi di protezione, motori,e apparecchi ̇ tutti progettati attorno all'AC.
Una volta che l'elettricità raggiunge un edificio, i trasformatori AC rendono sicuro fornire a basse tensioni standardizzate:
- 120 V (Nord America) e 230 V (Europa, Asia, Australia) sono sufficientemente bassi da ridurre la gravità delle scosse elettriche pur alimentando la maggior parte dei carichi domestici.
- Gli interruttori e i fusibili interrompono l'AC in modo più affidabile rispetto al CC alla stessa tensione, perché l'AC attraversa naturalmente lo zero volt 100 ∼ 120 volte al secondo, aiutando a spegnere gli archi durante le condizioni di guasto.
- Le prese e i contenitori standardizzati (NEMA, Schuko, Tipo A/B, ecc.) creano un'interfaccia di sicurezza universale.
La corrente continua, al contrario, arco continuamente ed è più difficile da interrompere motivo per cui gli interruttori a corrente continua sono fisicamente più grandi e più costosi.
La storia non è del tutto unilaterale. Oggi, l'alta tensione continua (HVDC) è utilizzata per applicazioni specifiche:
- Trasmissione su lunghe distanze (da centinaia a migliaia di chilometri), in cui le linee CC hanno perdite capacitive/induttive inferiori rispetto alle linee CA.
- Cavi sottomarini, dove la capacità di CA attraverso l'acqua di mare diventa proibitiva.
- Interconnessione di reti asincrone che operano a diverse frequenze o fasi.
L'HVDC risolve il problema della trasformazione della tensione non con i trasformatori, ma con l'elettronica di potenza (AC→DC) al lato trasmettitore e gli inverter (DC→AC) al lato ricevente.Questi sono diventati convenienti solo negli ultimi decenni.
Nel frattempo, all'interno degli edifici, molti dispositivi funzionano già con corrente continua: telefoni, computer portatili, illuminazione a LED, caricabatterie per veicoli elettrici, pannelli solari e server di data center.Utilizzano raddrizzatori o alimentatori integrati per convertire il CA di nuovo in una conversione DC che spreca energia e aumenta i costiQuesto è il motivo per cui alcuni nuovi edifici e data center stanno sperimentando la distribuzione di corrente continua in loco, ma la rete di trasmissione stessa rimane in gran parte AC.
Perché non possiamo usare la corrente continua ad alta tensione (HVDC) in tutta la rete?
L'HVDC è eccellente per la trasmissione punto-punto su lunghe distanze, ma è costoso convertirlo nuovamente in CA per la distribuzione locale,e DC manca la semplice infrastruttura del trasformatore che gestisce i circuiti di ramificazioneL'HVDC funge da "autostrada di trasmissione" che alimenta la rete CA, non sostituisce la distribuzione a livello di edificio.
Gli edifici usano l'aria condizionata internamente o la corrente continua?
Le prese a parete forniscono corrente alternata, ma quasi tutti i dispositivi elettronici la convertono in corrente continua internamente..I pannelli solari e i caricabatterie per veicoli elettrici producono o utilizzano corrente continua, che richiede inverter o convertitori per interfacciarsi con la rete CA.
L'A.C. e' stata abbandonata a favore di DC?
L'AC non è stato eliminato per la trasmissione di energia. Tuttavia, la corrente continua sta crescendo ai margini del tetto solare, l'archiviazione delle batterie, la ricarica veloce dei veicoli elettrici e i data center.AC per la distribuzione su lunghe distanze e negli edifici, con segmenti DC incorporati dove ha senso economico.
Conclusioni
L'AC divenne lo standard per la trasmissione di energia agli edifici perché risolse i due problemi che definivano l'elettrificazione primitiva:trasmissione efficiente su lunghe distanze (attraverso trasformatori ad alta tensione e trasmissione a bassa corrente) e sicura, distribuzione pratica per l'uso finale (tensioni ridotte, interruzioni affidabili e attrezzature standardizzate).L'AC rimane il modo più economico e universalmente compatibile per fornire elettricità da una centrale elettrica a una presa a parete.
