Электрическая мощность – это скорость передачи электрической энергии внутри цепи . Его единицей в системе СИ является ватт , общая единица мощности , определяемая как один джоуль в секунду . К ваттам, как и к другим единицам СИ, применяются стандартные префиксы: тысячи, миллионы и миллиарды ватт называются киловаттами, мегаваттами и гигаваттами соответственно.
В просторечии электроэнергия — это производство и доставка электроэнергии, которая является важной общественной услугой в большинстве стран мира. Электроэнергия обычно производится электрическими генераторами , но может также поставляться с помощью таких источников, как электрические батареи . Обычно оно поставляется предприятиям и домам (как бытовая электроэнергия ) электроэнергетической отраслью через электрическую сеть .
Электроэнергия может передаваться на большие расстояния по линиям электропередачи и с высокой эффективностью использоваться для таких целей, как движение , освещение или тепло . [1]
Электрическая мощность, как и механическая мощность , представляет собой скорость выполнения работы , измеряемую в ваттах и обозначаемую буквой P. Термин «мощность» в разговорной речи означает «электрическая мощность в ваттах». Электрическая мощность в ваттах , производимая электрическим током I , состоящим из заряда Q кулонов каждые t секунд, проходящего через разность электрических потенциалов ( напряжений ) V , равна:
Т.е.,
Электрическая мощность преобразуется в другие формы энергии, когда электрические заряды движутся за счет разности электрических потенциалов ( напряжения ), которая возникает в электрических компонентах электрических цепей. С точки зрения электроэнергетики компоненты электрической цепи можно разделить на две категории:
Если электрический ток вынужден протекать через устройство в направлении от более низкого электрического потенциала к более высокому, так что положительные заряды перемещаются от отрицательной клеммы к положительной, над зарядами будет совершена работа, и энергия преобразуется в электрический потенциал. энергию из какого-либо другого типа энергии, например механической энергии или химической энергии . Устройства, в которых это происходит, называются активными устройствами или источниками питания ; такие как электрические генераторы и батареи. Некоторые устройства могут быть как источником, так и нагрузкой, в зависимости от напряжения и тока, проходящего через них. Например, аккумуляторная батарея действует как источник, когда она обеспечивает питание цепи, и как нагрузка, когда она подключена к зарядному устройству и перезаряжается.
Если обычный ток течет через устройство в направлении от более высокого потенциала (напряжения) к более низкому потенциалу, поэтому положительный заряд перемещается от положительной (+) клеммы к отрицательной (-), работа совершается зарядами на устройстве. Потенциальная энергия зарядов за счет напряжения между клеммами преобразуется в устройстве в кинетическую энергию . 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 электрические приборы , такие как лампочки , электродвигатели и электрические обогреватели . В цепях переменного тока (AC) направление напряжения периодически меняется на противоположное, но ток всегда течет от стороны с более высоким потенциалом к стороне с более низким потенциалом.
Поскольку электроэнергия может течь либо в компонент, либо из него, необходимо определить, какое направление представляет положительный поток мощности. Электрическая мощность, вытекающая из цепи в компонент, произвольно определяется как имеющая положительный знак, тогда как мощность, поступающая в цепь из компонента, имеет отрицательный знак. Таким образом, пассивные компоненты имеют положительное энергопотребление, а источники питания имеют отрицательное энергопотребление. Это называется соглашением о пассивных знаках .
В случае резистивных (омических или линейных) нагрузок формула мощности ( P = I·V ) и первый закон Джоуля ( V = I^2·R ) можно объединить с законом Ома ( V = I·R ), чтобы создайте альтернативные выражения для количества рассеиваемой мощности:
В цепях переменного тока элементы накопления энергии, такие как индуктивность и емкость , могут приводить к периодическому изменению направления потока энергии. Часть потока энергии (мощности), которая, усредненная за полный цикл сигнала переменного тока, приводит к чистой передаче энергии в одном направлении, известна как реальная мощность (также называемая активной мощностью). [2] Амплитуда той части потока энергии (мощности), которая не приводит к чистой передаче энергии, а вместо этого колеблется между источником и нагрузкой в каждом цикле из-за накопленной энергии, известна как абсолютное значение реактивной мощности . [2] [3] [4] Произведение среднеквадратичного значения волны напряжения и среднеквадратичного значения волны тока называется полной мощностью . Реальная мощность P в ваттах, потребляемая устройством, определяется выражением
Взаимосвязь между активной мощностью, реактивной мощностью и полной мощностью можно выразить, представляя величины в виде векторов. Реальная мощность представлена горизонтальным вектором, а реактивная мощность представлена вертикальным вектором. Вектор полной мощности представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника, образованного соединением векторов активной и реактивной мощности. Это представление часто называют треугольником власти . Используя теорему Пифагора , соотношение между реальной, реактивной и полной мощностью выглядит следующим образом:
Реальная и реактивная мощности также могут быть рассчитаны непосредственно из полной мощности, когда ток и напряжение представляют собой синусоиды с известным фазовым углом θ между ними:
Отношение активной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности и всегда представляет собой число от -1 до 1. Если токи и напряжения имеют несинусоидальную форму, коэффициент мощности обобщается и включает эффекты искажений.
Электрическая энергия течет везде, где электрическое и магнитное поля существуют вместе и колеблются в одном и том же месте. Самый простой пример этого — электрические цепи, как было показано в предыдущем разделе. Однако в общем случае простое уравнение P = IV можно заменить более сложным расчетом. Интеграл по замкнутой поверхности векторного произведения векторов напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля дает полную мгновенную мощность (в ваттах) из объема: [5]
Результатом является скаляр, поскольку это поверхностный интеграл вектора Пойнтинга .
Фундаментальные принципы производства электроэнергии были открыты в 1820-х и начале 1830-х годов британским учёным Майклом Фарадеем . Его основной метод используется до сих пор: электрический ток генерируется движением проволочной петли или медного диска между полюсами магнита .
Для электроэнергетических компаний это первый процесс доставки электроэнергии потребителям. Другие процессы, передача , распределение электроэнергии , а также хранение и рекуперация электроэнергии с использованием методов гидроаккумулирования , обычно выполняются электроэнергетикой .
Электричество в основном вырабатывается на электростанциях электромеханическими генераторами , приводимыми в движение тепловыми двигателями, нагреваемыми за счет сжигания , геотермальной энергии или ядерного деления . Другие генераторы приводятся в движение кинетической энергией текущей воды и ветра. Есть много других технологий, которые используются для производства электроэнергии, например, фотоэлектрические солнечные панели.
Батарея — это устройство, состоящее из одного или нескольких электрохимических элементов , преобразующих накопленную химическую энергию в электрическую. [7] С момента изобретения Алессандро Вольтой первой батареи (или « вольтовой батареи ») в 1800 году и особенно после того, как в 1836 году был технически усовершенствован элемент Даниэля , батареи стали распространенным источником энергии для многих бытовых и промышленных применений. По оценкам 2005 года, объем продаж мировой аккумуляторной индустрии составляет 48 миллиардов долларов США в год [8] с ежегодным ростом в 6%. Существует два типа батарей: первичные батареи (одноразовые батареи), которые предназначены для однократного использования и выбрасывания, и вторичные батареи (перезаряжаемые батареи), которые предназначены для многократной перезарядки и использования. Батареи доступны во многих размерах; от миниатюрных кнопочных 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 обеспечивает производство и доставку электроэнергии в достаточных количествах в районы, нуждающиеся в электроэнергии , через сетевое присоединение . Сеть распределяет электроэнергию потребителям. Электроэнергия вырабатывается центральными электростанциями или распределенной генерацией . В электроэнергетической отрасли постепенно наблюдается тенденция к дерегулированию: новые игроки предлагают потребителям конкуренцию традиционным коммунальным компаниям. [9]
Электроэнергия, производимая центральными электростанциями и распределяемая по сети электропередачи, широко используется в промышленных, коммерческих и потребительских целях. Потребление электроэнергии на душу населения в стране коррелирует с ее промышленным развитием. [10] Электродвигатели приводят в движение производственное оборудование и приводят в движение метро и железнодорожные поезда. Электрическое освещение является наиболее важной формой искусственного света. Электрическая энергия используется непосредственно в таких процессах, как извлечение алюминия из руд и при производстве стали в электродуговых печах . Надежная электроэнергия необходима для телекоммуникаций и радиовещания. Электроэнергия используется для кондиционирования воздуха в жарком климате, а в некоторых местах электроэнергия является экономически конкурентоспособным источником энергии для отопления помещений. Использование электроэнергии для перекачки воды варьируется от индивидуальных домашних колодцев до проектов орошения и хранения энергии.