Электроэнергия

Власть
Общие символы	℘ или П
И объединились	ватт (Вт)
В базовых единицах СИ	kg ⋅ m 2 ⋅ s −3
Выводы из другие количества	℘ = Е / т ℘ = Ф · v ℘ = У · Я ℘ = τ · ω
Измерение	${\mathsf {L}}^{2}{\mathsf {M}}{\mathsf {T}}^{-3}$

Электроэнергия передается по воздушным линиям таким , 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 на предприятия и в дома (как бытовая электроэнергия ) электроэнергетической отраслью через электрическую сеть .

Электроэнергия может передаваться на большие расстояния по линиям электропередачи использоваться для таких целей, как движение , освещение или тепло и с высокой эффективностью .

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:

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

где:

• 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

Вы,

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 положительного (+) терминала к отрицательному (-), работа совершается зарядами на устройстве. Потенциальная энергия зарядов за счет напряжения между клеммами 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 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

Основная статья: 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 от 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 резистивной (омической или линейной) нагрузки формула мощности ( P = I·V ) и первый закон Джоуля ( P = I^2·R ) могут быть объединены с законом Ома ( V = I·R ), чтобы создайте альтернативные выражения для количества рассеиваемой мощности:

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

где R — электрическое сопротивление .

Переменный ток без гармоник

Основная статья: мощность переменного тока

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). 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 . Произведение среднеквадратического значения волны напряжения и среднеквадратического значения волны тока называется полной мощностью . Реальная мощность P в ваттах, потребляемая устройством, определяется выражением

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

где

• 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:

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

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:

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

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

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 напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля векторов дает полную мгновенную мощность (в ваттах) из объема:

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

Результатом является скаляр, поскольку это поверхностный интеграл вектора Пойнтинга .

Производство

Поколение

в 2021 году Производство электроэнергии в мире по источникам. Общая выработка составила 28 петаватт-часов .

  Уголь (36%)

  Природный газ (23%)

  Гидро (15%)

  Ядерная (10%)

  Ветер (7%)

  Солнечная (4%)

  Другое (5%)

Основная статья: Производство электроэнергии

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 электрохимических — это устройство, состоящее из одного или нескольких элементов , преобразующих накопленную химическую энергию в электрическую. С момента изобретения первой батареи (или « вольтовой батареи ») в 1800 году Алессандро Вольтой и особенно с тех пор, 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 долларов США . составляет 48 миллиардов продаж мировой аккумуляторной индустрии ежегодно с годовым ростом 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

Основная статья: 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.

Использует

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. 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.

См. также

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

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