Электроэнергия

Скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи

Электроэнергия передается по таким воздушным линиям , а также по подземным высоковольтным кабелям .

Электрическая мощность — это скорость передачи электрической энергии в цепи . Ее единицей СИ является ватт , общая единица мощности , определяемая как один джоуль в секунду . Стандартные приставки применяются к ваттам, как и к другим единицам СИ: тысячи, миллионы и миллиарды ватт называются киловаттами, мегаваттами и гигаваттами соответственно.

В просторечии электроэнергия — это производство и поставка электроэнергии, важная общественная услуга во многих странах мира. Электроэнергия обычно вырабатывается электрогенераторами , но может также поставляться такими источниками, как электрические батареи . Обычно она поставляется предприятиям и домам (как бытовое сетевое электричество ) электроэнергетической промышленностью через электрическую сеть .

Электроэнергия может передаваться на большие расстояния по линиям электропередачи и использоваться для таких целей, как движение , освещение или отопление с высокой эффективностью . ^[1]

Определение

Электрическая мощность, как и механическая мощность , является скоростью выполнения работы , измеряемой в ваттах и ​​обозначаемой буквой P. Термин ваттность используется в разговорной речи для обозначения «электрической мощности в ваттах». Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, состоящим из заряда Q кулонов каждые t секунд, проходящим через разность электрических потенциалов ( напряжений ) V, равна: где: $${\displaystyle {\text{Work done per unit time}}=\wp ={\frac {W}{t}}={\frac {W}{Q}}{\frac {Q}{t}}=VI}$$

• W — работа в джоулях
• t — время в секундах
• Q — электрический заряд в кулонах
• V — электрический потенциал или напряжение в вольтах
• I — электрический ток в амперах

Т.е.,

Ватты = вольты умноженные на амперы.

Объяснение

Анимация, демонстрирующая источник питания

Электроэнергия преобразуется в другие формы энергии, когда электрические заряды движутся через разность электрических потенциалов ( напряжение ), которая возникает в электрических компонентах в электрических цепях. С точки зрения электроэнергии компоненты в электрической цепи можно разделить на две категории:

Анимация, демонстрирующая электрическую нагрузку

Активныйустройства (источники питания)

Если электрический ток вынужден течь через устройство в направлении от более низкого электрического потенциала к более высокому, так что положительные заряды перемещаются от отрицательного к положительному выводу, работа будет выполнена над зарядами, и энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию из некоторого другого типа энергии, такого как механическая энергия или химическая энергия . Устройства, в которых это происходит, называются активными устройствами или источниками энергии ; например, электрические генераторы и батареи. Некоторые устройства могут быть как источником, так и нагрузкой, в зависимости от напряжения и тока через них. Например, аккумуляторная батарея действует как источник, когда она обеспечивает питание цепи, но как нагрузка, когда она подключена к зарядному устройству и перезаряжается.

Пассивные устройства (нагрузки)

Если обычный ток протекает через устройство в направлении от более высокого потенциала (напряжения) к более низкому потенциалу, то положительный заряд перемещается от положительного (+) вывода к отрицательному (−) выводу, работа выполняется зарядами на устройстве. Потенциальная энергия зарядов из-за напряжения между выводами преобразуется в кинетическую энергию в устройстве. Эти устройства называются пассивными компонентами или нагрузками ; они «потребляют» электроэнергию из цепи, преобразуя ее в другие формы энергии, такие как механическая работа , тепло, свет и т. д. Примерами являются электроприборы , такие как лампочки , электродвигатели и электронагреватели . В цепях переменного тока (AC) направление напряжения периодически меняется, но ток всегда течет от более высокого потенциала к более низкому.

Передача энергии по электрической цепи

Пассивное соглашение о знаках

Поскольку электрическая мощность может как входить, так и выходить из компонента, необходимо соглашение о том, какое направление представляет положительный поток мощности. Электрическая мощность, вытекающая из цепи в компонент, произвольно определяется как имеющая положительный знак, в то время как мощность, втекающая в цепь из компонента, определяется как имеющая отрицательный знак. Таким образом, пассивные компоненты имеют положительное потребление мощности, в то время как источники питания имеют отрицательное потребление мощности. Это называется соглашением о пассивном знаке .

Резистивные цепи

В случае резистивных (омических или линейных) нагрузок формулу мощности ( P = I·V ) и первый закон Джоуля ( P = I^2·R ) можно объединить с законом Ома ( V = I·R ), чтобы получить альтернативные выражения для количества рассеиваемой мощности: где R — электрическое сопротивление . $${\displaystyle \wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}$$

Переменный ток без гармоник

В цепях переменного тока элементы накопления энергии, такие как индуктивность и емкость, могут приводить к периодическим изменениям направления потока энергии. Часть потока энергии (мощность), которая, усредненная по полному циклу формы волны переменного тока, приводит к чистой передаче энергии в одном направлении, известна как действительная мощность (также называемая активной мощностью). ^[2] Амплитуда той части потока энергии (мощность), которая не приводит к чистой передаче энергии, а вместо этого колеблется между источником и нагрузкой в ​​каждом цикле из-за сохраненной энергии, известна как абсолютная величина реактивной мощности . ^{[2] [3] [4]} Произведение среднеквадратичного значения волны напряжения и среднеквадратичного значения волны тока известно как кажущаяся мощность . Действительная мощность P в ваттах, потребляемая устройством, определяется по формуле: где $${\displaystyle \wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta }$$

• V _p — пиковое напряжение в вольтах
• I _p — пиковый ток в амперах
• V _rms — среднеквадратичное напряжение в вольтах.
• I _rms — среднеквадратичное значение тока в амперах.
• θ = θ _v − θ _i — фазовый угол , на который синусоида напряжения опережает синусоиду тока, или, что эквивалентно, фазовый угол, на который синусоида тока отстает от синусоиды напряжения.

Треугольник мощности: компоненты переменного тока

Связь между реальной мощностью, реактивной мощностью и полной мощностью можно выразить, представив величины в виде векторов. Реальная мощность представлена ​​в виде горизонтального вектора, а реактивная мощность представлена ​​в виде вертикального вектора. Вектор полной мощности является гипотенузой прямоугольного треугольника, образованного путем соединения векторов реальной и реактивной мощности. Это представление часто называют треугольником мощности . Используя теорему Пифагора , связь между реальной, реактивной и полной мощностью выглядит следующим образом: $${\displaystyle {\text{(apparent power)}}^{2}={\text{(real power)}}^{2}+{\text{(reactive power)}}^{2}}$$

Действительную и реактивную мощности можно также рассчитать непосредственно из полной мощности, когда ток и напряжение являются синусоидами с известным фазовым углом θ между ними: $${\displaystyle {\text{(real power)}}={\text{(apparent power)}}\cos \theta }$$ $${\displaystyle {\text{(reactive power)}}={\text{(apparent power)}}\sin \theta }$$

Отношение активной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности и представляет собой число, всегда лежащее в диапазоне от −1 до 1. Если токи и напряжения имеют несинусоидальную форму, коэффициент мощности обобщается с учетом эффектов искажения.

Электромагнитные поля

Электрическая энергия течет везде, где электрические и магнитные поля существуют вместе и колеблются в одном и том же месте. Простейшим примером этого являются электрические цепи, как показано в предыдущем разделе. Однако в общем случае простое уравнение P = IV можно заменить более сложным вычислением. Замкнутый поверхностный интеграл перекрестного произведения векторов напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля дает полную мгновенную мощность (в ваттах) из объема: ^[5] $${\displaystyle \wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .}$$

Результат является скаляром, поскольку он представляет собой поверхностный интеграл вектора Пойнтинга .

Производство

Поколение

Мировая выработка электроэнергии по источникам в 2021 году . Общая выработка составила 28 петаватт-часов . ^[6]

  Уголь (36%)

  Природный газ (23%)

  Гидро (15%)

  Ядерная энергия (10%)

  Ветер (7%)

  Солнечная энергия (4%)

  Другое (5%)

Фундаментальные принципы генерации электроэнергии были открыты в 1820-х и начале 1830-х годов британским ученым Майклом Фарадеем . Его основной метод используется и сегодня: электрический ток генерируется движением петли провода или медного диска между полюсами магнита .

Для электроэнергетических компаний это первый процесс в доставке электроэнергии потребителям. Другие процессы, передача электроэнергии , распределение и хранение и рекуперация электроэнергии с использованием методов гидроаккумулирования обычно осуществляются электроэнергетической промышленностью .

Электричество в основном вырабатывается на электростанции электромеханическими генераторами , приводимыми в действие тепловыми двигателями, нагреваемыми за счет сгорания , геотермальной энергии или ядерного деления . Другие генераторы приводятся в действие кинетической энергией текущей воды и ветра. Существует много других технологий, которые используются для выработки электроэнергии, например, фотоэлектрические солнечные панели.

Аккумулятор — это устройство, состоящее из одного или нескольких электрохимических элементов , которые преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую. ^[7] С момента изобретения первой батареи (или « вольтова столба ») в 1800 году Алессандро Вольта и особенно с момента технически усовершенствованного элемента Даниэля в 1836 году батареи стали обычным источником питания для многих бытовых и промышленных применений. Согласно оценке 2005 года, мировая индустрия производства батарей ежегодно генерирует продажи на сумму 48 миллиардов долларов США , ^[8] с ежегодным ростом 6%. Существует два типа батарей: первичные батареи (одноразовые батареи), которые предназначены для однократного использования и утилизации, и вторичные батареи (перезаряжаемые батареи), которые предназначены для многократной зарядки и использования. Батареи доступны во многих размерах: от миниатюрных таблеточных элементов, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов, до батарейных блоков размером с комнату, которые обеспечивают резервное питание для телефонных станций и компьютерных центров обработки данных .

Электроэнергетика

Электроэнергетическая отрасль обеспечивает производство и поставку электроэнергии в достаточных количествах в районы, которым требуется электричество , через сетевое соединение . Сеть распределяет электроэнергию среди потребителей. Электроэнергия вырабатывается центральными электростанциями или распределенной генерацией . Электроэнергетическая отрасль постепенно движется к дерегулированию — с новыми игроками, предлагающими потребителям конкуренцию традиционным коммунальным компаниям. ^[9]

Использует

Электроэнергия, вырабатываемая центральными электростанциями и распределяемая по электросетям, широко используется в промышленных, коммерческих и потребительских целях. Потребление электроэнергии на душу населения в стране коррелирует с ее промышленным развитием. ^[10] Электродвигатели питают производственные машины и приводят в движение метро и железнодорожные поезда. Электрическое освещение является важнейшей формой искусственного света. Электроэнергия используется непосредственно в таких процессах, как извлечение алюминия из руды и производство стали в электродуговых печах . Надежная электроэнергия необходима для телекоммуникаций и вещания. Электроэнергия используется для кондиционирования воздуха в жарком климате, а в некоторых местах электроэнергия является экономически конкурентоспособным источником энергии для отопления помещений в зданиях. Использование электроэнергии для перекачивания воды варьируется от индивидуальных скважин для домохозяйств до проектов по орошению и хранению энергии.

Смотрите также

• Энергетический портал

• ЕГРИД
• Потребление электроэнергии
• Система электроснабжения
• Высоковольтный кабель
• Энергетика
• Электрификация сельской местности

Ссылки

1. Смит, Клэр (2001). Физика окружающей среды . Лондон: Routledge . ISBN 0-415-20191-8.
2. Thomas, Roland E.; Rosa, Albert J.; Toussaint, Gregory J. (2016). Анализ и проектирование линейных цепей (8-е изд.). Wiley. стр. 812–813. ISBN 978-1-119-23538-5.
3. Фрайле Мора, Хесус (2012). Электрические цепи (на испанском языке). Пирсон. стр. 193–196. ISBN 978-8-48-322795-4.
4. Стандартные определения IEEE для измерения величин электрической мощности при синусоидальных, несинусоидальных, сбалансированных или несбалансированных условиях . IEEE. 2010. стр. 4. doi :10.1109/IEEESTD.2010.5439063. ISBN 978-0-7381-6058-0.
5. Хейт, Уильям Х.; Бак, Джон А. (2012). Инженерная электромагнетика (8-е изд.). McGraw-Hill. стр. 385. ISBN 978-0-07-338066-7.
6. "Ежегодные данные по электроэнергии". ember-energy.org . 6 декабря 2023 г. Получено 23 декабря 2023 г.
7. "battery" (def. 4b), Merriam-Webster Online Dictionary (2009). Получено 25 мая 2009.
8. Power Shift: DFJ ищет новые инвестиции в источники энергии Архивировано 01.12.2005 в Wayback Machine . Draper Fisher Jurvetson . Получено 20 ноября 2005 г.
9. Возможность групповой покупки энергии Архивировано 25.05.2017 в Wayback Machine EnPowered , 18 апреля 2016 г.,
10. Игнасио Дж. Перес-Арриага (редактор), Регулирование энергетического сектора , Springer Science & Business Media, 2014 ISBN 1447150341 , стр. 8. 

Библиография

• Отчеты об отключении электроэнергии в августе 2003 г., веб-сайт Североамериканского совета по надежности электроснабжения
• Крофт, Террелл; Саммерс, Уилфорд И. (1987). Справочник американских электриков (одиннадцатое издание). Нью-Йорк: McGraw Hill . ISBN 0-07-013932-6.
• Fink, Donald G .; Beaty, H. Wayne (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков (одиннадцатое изд.). Нью-Йорк: McGraw Hill. ISBN 0-07-020974-X.

Внешние ссылки

• Министерство энергетики США: Электроэнергия