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]
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:
Т.е.,
Электрическая энергия 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:
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.
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.
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 .
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 .
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
Связь между активной мощностью, реактивной мощностью и полной мощностью можно выразить, представив величины в виде векторов. Активная 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 активной и реактивной мощности. Это представление часто называют треугольником мощности . Используя теорему Пифагора , связь между активной, реактивной и полной мощностью выглядит следующим образом:
Действительную и реактивную мощности можно также рассчитать непосредственно из полной мощности, когда ток и напряжение являются синусоидами с известным фазовым углом θ между ними:
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.
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. В общем случае, однако, простое уравнение P = IV может быть заменено 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]
Результат является скаляром, поскольку он представляет собой поверхностный интеграл вектора Пойнтинга .
Мировая выработка электроэнергии по источникам в 2021 году . Общая выработка составила 28 петаватт-часов . [6]
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 .
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]
Электроэнергия, вырабатываемая центральными генерирующими станциями 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 производственное оборудование 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.
