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 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]

Определение

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:

$${\displaystyle {\text{Work done per unit time}}=\wp ={\frac {W}{t}}={\frac {W}{Q}}{\frac {Q}{t}}=VI}$$

• 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, показывающая источник питания

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:

Анимация, показывающая электрическую нагрузку

Активные устройства (источники питания)

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.

Пассивные устройства (нагрузки)

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.

Передача мощности через электрическую цепь

Соглашение о пассивных знаках

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 .

Резистивные цепи

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:

$${\displaystyle \wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}$$

Rэлектрическое сопротивление

Переменный ток без гармоник

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

$${\displaystyle \wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta }$$

• V _p — пиковое напряжение в вольтах.
• I _p — пиковый ток в амперах
• V _rms — среднеквадратичное напряжение в вольтах.
• I _rms — среднеквадратичный ток в амперах.
• θ = θ _v − θ _i - это фазовый угол , на который синусоида напряжения опережает синусоиду тока, или, что эквивалентно, фазовый угол, на который синусоидальная волна тока отстает от синусоидальной волны напряжения.

Треугольник мощности: компоненты переменного тока

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:

$${\displaystyle {\text{(apparent power)}}^{2}={\text{(real power)}}^{2}+{\text{(reactive power)}}^{2}}$$

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:

$${\displaystyle {\text{(real power)}}={\text{(apparent power)}}\cos \theta }$$

$${\displaystyle {\text{(reactive power)}}={\text{(apparent power)}}\sin \theta }$$

Отношение активной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности и всегда представляет собой число от -1 до 1. Если токи и напряжения имеют несинусоидальную форму, коэффициент мощности обобщается и включает эффекты искажений.

Электромагнитные поля

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]

$${\displaystyle \wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .}$$

Результатом является скаляр, поскольку это поверхностный интеграл вектора Пойнтинга .

Производство

Поколение

Мировое производство электроэнергии по источникам в 2021 году (общая выработка составила 28 петаватт-часов ) ^[6]

  Уголь (36%)

  Природный газ (23%)

  Гидро (15%)

  Ядерная (10%)

  Ветер (7%)

  Солнечная (4%)

  Другое (5%)

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

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]

Использование

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.

Смотрите также

• Энергетический портал

• ЕГРИД
• Потребление электроэнергии
• Электроэнергетическая система
• Высоковольтный кабель
• Энергетика
• Электрификация сельской местности

Рекомендации

1. Смит, Клэр (2001). Экологическая физика . Лондон: Рутледж . ISBN 0-415-20191-8.
2. Томас, Роланд Э.; Роза, Альберт Дж.; Туссен, Грегори Дж. (2016). Анализ и проектирование линейных цепей (8-е изд.). Уайли. 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 количества электроэнергии в синусоидальных, несинусоидальных, сбалансированных или несимметричных условиях . IEEE. 2010. с. 4. doi : 10.1109/IEESTD.2010.5439063. ISBN 978-0-7381-6058-0.
5. Хейт, Уильям Х.; Бак, Джон А. (2012). Инженерная электромагнетика (8-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 385. ИСБН 978-0-07-338066-7.
6. «Ежегодные данные по электроэнергии» . ember-climate.org . 6 декабря 2023 г. Проверено 23 декабря 2023 г.
7. «батарея» (определение 4b), Онлайн-словарь Merriam-Webster (2009). Проверено 25 мая 2009 г.
8. Power Shift: DFJ ищет новые инвестиции в источники энергии. Архивировано 1 декабря 2005 г. в Wayback Machine . Дрейпер Фишер Юрветсон . Проверено 20 ноября 2005 г.
9. Возможность групповой покупки энергии. Архивировано 25 мая 2017 г. на сайте 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 изд.). Нью-Йорк: МакГроу Хилл . ISBN 0-07-013932-6.
• Финк, Дональд Г .; Бити, Х. Уэйн (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков (одиннадцатое изд.). Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN 0-07-020974-Х.

Внешние ссылки

• Министерство энергетики США: Электроэнергетика