การผลิตและการส่งกำลัง

ดูเพิ่มเติม: การส่งกำลังไฟฟ้าและไฟฟ้าสายเมน

ตัวสลับกระแส (อังกฤษ: alternator) ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ทำในเมืองบูดาเปสต์ ประเทศฮังการี ในห้องโถงผลิตไฟฟ้าของสถ​​านีไฟฟ้าพลังน้ำ (ภาพโดย Prokudin Gorsky ระหว่างปี 1905-1915)

ในศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสตกาล นักปรัชญาชาวกรีก ธาลีสแห่งไมลิตัส ได้ทำการทดลองหลายครั้งกับแท่งอำพัน และการทดลองเหล่านี้เป็นการศึกษาครั้งแรกในการผลิตพลังงานไฟฟ้า ในขณะที่ใช้วิธีการนี​​้ ในปัจจุบันเรียกว่าผลกระทบไทรโบอิเล็กตริก สามารถยกวัตถุเบาและสร้างประกายไฟ แต่ก็ไม่มีประสิทธิภาพอย่างมาก[48] มันต้องรอต่อไปอีกจนกระทั่งมีการประดิษฐ์เซลล์ซ้อนของโวลตาในศตวรรษที่สิบแปดได้กลายเป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าที่มีศักยภาพที่พร้อมให้ใช้งานได้ เซลล์ซ้อนของโวลตา ​​และลูกหลานของมันที่ทันสมัย-แบตเตอรี่ สามารถเก็บพลังงานด้วยวิธีการทางเคมีและทำให้มันพร้อมสนองความต้องการใช้งานในรูปแบบของพลังงานไฟฟ้า[48] แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานที่หลากหลายและพบบ่อยมากซึ่งเหมาะที่จะใช้งานได้หลายอย่าง แต่การจัดเก็บพลังงานของมันมี จำกัด และเมื่อมันถูกใช้งานหมดแล้ว มันจะต้องถูกกำจัดหรือชาร์จใหม่ สำหรับความต้องการใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่ พลังงานไฟฟ้าจะต้องถูกผลิตและส่งกำลังอย่างต่อเนื่องไปตามสายส่งตัวนำกระแสไฟฟ้า

พลังงานไฟฟ้ามักจะถูกผลิตขึ้นโดยเครื่องกำเนิดแบบที่ใช้ไฟฟ้า-เครื่องกลที่ขับโดยไอน้ำที่ผลิตจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล หรือโดยความร้อนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ หรือจากแหล่งอื่น ๆ เช่นพลังงานจลน์สกัดจากลมหรือการไหลของน้ำ กังหันไอน้ำทันสมัยที่​​คิดค้นโดยท่านเซอร์ชาร์ลส์ พาร์ซันส์ในปี 1884 ในวันนี้มีการผลิตประมาณร้อยละ 80 ของพลังงานไฟฟ้าในโลกโดยการใช้ความหลากหลายของแหล่งความร้อน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวไม่มีความคล้ายคลึงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบจานขั้วเหมือนของฟาราเดย์ที่สร้างในปี 1831 แต่พวกมันยังคงพึ่งพาหลักการแม่เหล็กไฟฟ้าของเขาที่ว่าตัวนำที่เชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดความต่างศักย์ตกคร่อมปลายทั้งสองของมัน[49] การประดิษฐ์หม้อแปลงในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้ามีความหมายว่าพลังงานไฟฟ้าจะสามารถถูกส่งออกไปอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นแต่กระแสลดลง การส่งกำลังไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพจึงหมายความว่าไฟฟ้าอาจจะผลิตขึ้นที่โรงไฟฟ้าที่ส่วนกลาง ในสถานที่ที่จะได้รับประโยชน์จากการประหยัดจากขนาดและจากนั้นพลังงานไฟฟ้าจะถูกจัดส่งไปในระยะทางค่อนข้างไกลไปยังตำแหน่งที่ต้องการใช้มัน[50][51]

ฟาร์มลมประมาณหนึ่งโหลของกังหันลมสามใบพัดสีขาว พลังงานลมมีความสำคัญเพิ่มขึ้นในหลายประเทศ

เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าไม่สามารถจะเก็บไว้ได้ง่ายในปริมาณที่มากพอที่จะตอบสนองความต้องการในระดับชาติได้ตลอดเวลา ซึ่งจะต้องมีการผลิตให้ได้มากเท่าตามความต้องการใช้จริงอย่างแม่นยำ[50] เพื่อผลิตให้พอดีใช้บริษัทสาธารณูปโภคไฟฟ้าจะต้องทำการคาดการณ์อย่างระมัดระวังของโหลดไฟฟ้าของพวกเขาและรักษาการประสานงานให้คงที่กับโรงไฟฟ้าทั้งหลายของพวกเขา จำนวนที่แน่นอนของการผลิตจะต้องจัดทำปริมาณสำรองเพื่อรองรับกริดไฟฟ้​​าในขณะที่มีการแปรปรวนและการสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

ความต้องการใช้ไฟฟ้าเติบโตด้วยความรวดเร็วอย่างมากเมื่อประเทศเริ่มจะทันสมัยและเศรษฐกิจของประเทศกำลังพัฒนา ประเทศสหรัฐอเมริกาพบว่ามีความต้องการเพิ่มขึ้น 12% ในแต่ละปีในสามทศวรรษแรกของศตวรรษที่ยี่สิบ[52] อัตราการเจริญเติบโตที่ขณะนี้กำลังประสบกับเศรษฐกิจที่เกิดใหม่เช่นสิ่งที่เกิดกับอินเดียหรือจีน[53][54] ในอดีต อัตราการเจริญเติบโตในความต้องการใช้ไฟฟ้าได้แซงรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงาน[55]:16

ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่มีต่อการผลิตไฟฟ้าได้นำไปสู่​​การจับตาที่เพิ่มขึ้นกับการผลิตจากแหล่งพลังงานทดแทน โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากลมและน้ำ ในขณะที่การอภิปรายสามารถคาดว่าจะยังคงดำเนินต่อไปในส่วนของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของวิธีการที่แตกต่างกันของการผลิตไฟฟ้า รูปแบบสุดท้ายของมันคือมันค่อนข้างสะอาด[55]:89

การประยุกต์ใช้งาน

หลอดไฟ การประยุกต์ใช้ในช่วงต้นของไฟฟ้า ทำงานโดยการให้ความร้อนของจูล: การผ่านกระแสเข้าไปในความต้านทานเพื่อสร้างความร้อน

ไฟฟ้าเป็นวิธีที่สะดวกมากในการถ่ายโอนพลังงาน และมันได้ถูกปรับให้เข้ากับการใช้งานขนาดใหญ่และกำลังจริญเติบโตจำนวนมาก[56] การประดิษฐ์หลอดไฟแบบใช้ไส้ที่ใช้งานได้ในทางปฏิบัติในทศวรรษที่ 1870 ทำให้​​แสงสว่างกลายเป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานพลังงานไฟฟ้าแรกที่เปิดเผยต่อสาธารณชน แม้ว่าการใช้พลังงานไฟฟ้าจะตามมาด้วยอันตรายจากตัวมันเอง การเปลี่ยนเปลวไฟเปลือยของการให้แสงสว่างจากก๊าซได้ลดอันตรายจากไฟไหม้ภายในบ้านและโรงงานลงไปอย่างมาก[57] สาธารณูปโภคถูกตั้งขึ้นในหลายเมืองที่กำหนดเป้​​าหมายในตลาดที่กำลังขยายตัวสำหรับไฟฟ้าแสงสว่าง

ผลกระทบจากความต้านทานการให้ความร้อนของจูลที่นำไปใช้ในหลอดไฟแบบจุดไส้ยังแสดงให้เห็นถึงการใช้งานโดยตรงมากขึ้นในการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า ขณะนี้เป็นที่หลากหลายและสามารถควบคุมมันได้ มันอาจมองเห็นเป็นที่สิ้นเปลืองเนื่องจากการผลิตไฟฟ้าส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีการผลิตความร้อนอยู่แล้วที่โรงไฟฟ้า[58] หลายประเทศเช่นเดนมาร์กได้มีการออกกฎหมายเพื่อจำกัดหรือห้ามการให้ความร้อนจากตัวต้านทานด้วยไฟฟ้าในอาคารสร้างใหม่[59] อย่างไรก็ตาม ไฟฟ้ายังคงเป็นแหล่งพลังงานในทางปฏิบัติอย่างสูงสำหรับการให้ความร้อนและเครื่องทำความเย็น[60] ที่มีเครื่องปรับอากาศ/ปั๊มความร้อนที่เป็นตัวแทนของภาคอุตสาหกรรมที่เจริญเติบโตสำหรับความต้องการใช้ไฟฟ้าเพื่อให้ความร้อนและความเย็น ทำให้สาธารณูปโภคด้านไฟฟ้ามีหน้าที่เพิ่มมากขึ้นเพื่อรองรับผลของความต้องการดังกล่าว[61]

ไฟฟ้ายังถูกนำมาใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคม และแน่นอนการโทรเลขได้สาธิตในเชิงพาณิชย์ในปี 1837 โดยวิลเลียม โฟเธอร์กิล คุก และชาลส์ วีทสโตน มันเป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานในยุคแรกที่สุดของไฟฟ้า กับการก่อสร้างโทรเลขข้ามทวีปเป็นครั้งแรกและจากนั้นก็สายเคเบิลข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก, ระบบโทรเลขในยุค 1860, ไฟฟ้าได้เปิดโอกาศให้การสื่อสารสามารถติดต่อทั่วโลกภายในเวลาเป็นนาที ใยแก้วนำแสงและการสื่อสารดาวเทียมได้แชร์ส่วนแบ่งการตลาดสำหรับระบบการสื่อสาร แต่ไฟฟ้ายังสามารถคาดเดาได้ว่ามันจะยังคงเป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญของกระบวนการ

ผลกระทบของแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้อย่างเห็นได้ชัดส่วนใหญ่ในมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งให้กำลังขับเคลื่อนที่สะอาดและมีประสิทธิภาพ มอเตอร์นิ่งเช่นเครื่องกว้านจะให้บริการได้อย่างง่ายดายด้วยการจ่ายพลังงานให้ แต่ยานยนต์ที่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับการประยุกต์ใช้เช่นยานยนต์ไฟฟ้าสามารถทำงานได้โดยบรรทุกแหล่งจ่ายไฟไปด้วยเช่นแบตเตอรี่ หรือการเก็บรวบรวมกระแสไฟฟ้าจากจุดสัมผัสที่เลื่อนได้เช่นโครงรับไฟฟ้าเหนือหัวรถราง (อังกฤษ: pantograph)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้ประโยชน์จากทรานซิสเตอร์ อาจจะเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ยี่สิบ[62] และเป็นโครงสร้างพื้นฐานของวงจรที่ทันสมัยทั้งหมด วงจรรวมที่ทันสมัย​​อาจประกอบด้วยหลายพันล้านทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กในพื้นที่เพียงไม่กี่ตารางเซนติเมตร[63]

ไฟฟ้ายังถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงในการขนส่งสาธารณะ รวมทั้งรถเมล์และรถไฟไฟฟ้​​า[64]