Energia elektryczna - Electric power

Energia elektryczna jest przesyłana takimi liniami napowietrznymi, jak również przez podziemne kable wysokiego napięcia .

Moc elektryczna to szybkość w jednostce czasu, z jaką energia elektryczna jest przesyłana przez obwód elektryczny . SI jednostka zasilania jest wata jeden dżul na sekundę .

Energia elektryczna jest zwykle wytwarzana przez generatory elektryczne , ale może być również dostarczana ze źródeł takich jak baterie elektryczne . Zazwyczaj jest dostarczana do firm i domów (jako energia elektryczna z sieci domowej ) przez energetykę za pośrednictwem sieci elektroenergetycznej .

Energia elektryczna może być dostarczana na duże odległości liniami przesyłowymi i wykorzystywana do zastosowań takich jak ruch , światło lub ciepło z wysoką wydajnością .

Definicja

Moc elektryczna, podobnie jak moc mechaniczna , to szybkość wykonywania pracy , mierzona w watach i reprezentowana przez literę P . Termin moc jest używany potocznie oznacza „energię elektryczną w watach.” Moc elektryczna w watach wytwarzanych przez prądu elektrycznego I, składającej się z opłatą z Q kulony co t sekund przechodzącej przez potencjał elektryczny ( napięcie ) stanowi różnica V jest

gdzie

Q to ładunek elektryczny w kulombach
T jest czasem w sekundach
ja to prąd elektryczny w amperach
V to potencjał elektryczny lub napięcie w woltach

Wyjaśnienie

Animacja przedstawiająca źródło zasilania

Energia elektryczna jest przekształcana w inne formy energii, gdy ładunki elektryczne przemieszczają się przez różnicę potencjałów elektrycznych ( napięcie ), która występuje w elementach elektrycznych w obwodach elektrycznych. Z punktu widzenia energii elektrycznej elementy obwodu elektrycznego można podzielić na dwie kategorie:

Animacja przedstawiająca obciążenie elektryczne

Urządzenia aktywne (źródła zasilania)

Jeśli ładunki zostaną przesunięte przez „siłę zewnętrzną” przez urządzenie w kierunku od niższego potencjału elektrycznego do wyższego (tak, że ładunek dodatni przemieszcza się z bieguna ujemnego do dodatniego), praca będzie wykonywana na ładunkach, a energia jest przekształcana na elektryczną energię potencjalną z innego rodzaju energii, na przykład energii mechanicznej lub energii chemicznej . Urządzenia, w których tak się dzieje, nazywane są urządzeniami aktywnymi lub źródłami zasilania ; takie jak generatory elektryczne i akumulatory . Niektóre urządzenia mogą być źródłem lub obciążeniem, w zależności od napięcia i prądu przez nie. Na przykład akumulator działa jako źródło, gdy dostarcza energię do obwodu, ale jako obciążenie, gdy jest podłączony do ładowarki i jest ładowany.

Urządzenia pasywne (obciążenia)

Gdy ładunki elektryczne przemieszczają się przez różnicę potencjałów od wyższego do niższego napięcia, czyli gdy prąd umowny (ładunek dodatni) przemieszcza się z bieguna dodatniego (+) do bieguna ujemnego (-), pracę wykonują ładunki na urządzeniu . Energia potencjalna ładunków spowodowana napięciem między zaciskami jest przekształcana w urządzeniu na energię kinetyczną . Urządzenia te nazywane są elementami pasywnymi lub obciążeniami ; „zużywają” energię elektryczną z obwodu, przekształcając ją w inne formy energii, takie jak praca mechaniczna , ciepło, światło itp. Przykładami są urządzenia elektryczne , takie jak żarówki , silniki elektryczne i grzejniki elektryczne . W obwodach prądu przemiennego (AC) kierunek napięcia jest okresowo odwracany, ale prąd zawsze płynie od strony o wyższym potencjale do strony o niższym potencjale.

Przesył energii przez obwód elektryczny

Konwencja znaku pasywnego

Ponieważ energia elektryczna może płynąć do lub z komponentu, potrzebna jest konwencja, dla której kierunek reprezentuje dodatni przepływ mocy. Moc elektryczna płynący z obwodu do komponentu jest dowolnie definiowane mieć znak dodatni, podczas gdy moc płynący w obwodzie z komponentu jest zdefiniowane mieć znak ujemny. W ten sposób elementy pasywne mają dodatni pobór mocy, podczas gdy źródła zasilania mają ujemny pobór mocy. Nazywa się to konwencją znaku pasywnego .

Obwody rezystancyjne

W przypadku obciążeń rezystancyjnych (omowych lub liniowych) prawo Joule'a można połączyć z prawem Ohma ( V = I·R ) w celu uzyskania alternatywnych wyrażeń dla ilości rozpraszanej mocy:

gdzie R jest oporem elektrycznym .

Prąd przemienny bez harmonicznych

W obwodach prądu przemiennego elementy magazynujące energię, takie jak indukcyjność i pojemność, mogą powodować okresowe odwrócenie kierunku przepływu energii. Część przepływu energii (moc), która uśredniona w całym cyklu przebiegu prądu przemiennego powoduje transfer energii netto w jednym kierunku, jest znana jako moc rzeczywista (nazywana również mocą czynną). Amplituda tej części przepływu energii (moc), która powoduje brak transferu energii netto, ale zamiast tego oscyluje między źródłem a obciążeniem w każdym cyklu z powodu zmagazynowanej energii, jest znana jako wartość bezwzględna mocy biernej . Iloczyn wartości skutecznej fali napięcia i wartości skutecznej fali prądu jest znany jako moc pozorna . Rzeczywista moc P w watach zużywanych przez urządzenie jest podawana przez

gdzie

V p to napięcie szczytowe w woltach
I p jest prądem szczytowym w amperach
V rms to średnia kwadratowa napięcia w woltach
I rms to średnia kwadratowa prądu w amperach
θ = θ v - θ i to kąt fazowy, o który sinusoida napięcia wyprzedza sinusoidę prądu, lub równoważnie kąt fazowy, o który sinusoida prądu opóźnia sinusoidę napięcia
Trójkąt mocy: składniki zasilania prądem przemiennym

Zależność między mocą rzeczywistą, mocą bierną i mocą pozorną można wyrazić, przedstawiając wielkości jako wektory. Moc rzeczywista jest reprezentowana jako wektor poziomy, a moc bierna jest reprezentowana jako wektor pionowy. Wektor mocy pozornej to przeciwprostokątna trójkąta prostokątnego utworzonego przez połączenie wektorów mocy rzeczywistej i biernej. Ta reprezentacja jest często nazywana trójkątem mocy . Korzystając z twierdzenia Pitagorasa związek między mocą rzeczywistą, bierną i pozorną jest następujący:

Moce rzeczywistą i bierną można również obliczyć bezpośrednio z mocy pozornej, gdy prąd i napięcie są sinusoidami o znanym kącie fazowym θ między nimi:

Stosunek mocy rzeczywistej do mocy pozornej nazywany jest współczynnikiem mocy i jest liczbą zawsze od -1 do 1. Tam, gdzie prądy i napięcia mają postać niesinusoidalną, współczynnik mocy uogólnia się, aby uwzględnić wpływ zniekształceń.

Pola elektromagnetyczne

Energia elektryczna przepływa wszędzie tam, gdzie pola elektryczne i magnetyczne występują razem i podlegają fluktuacjom w tym samym miejscu. Najprostszym tego przykładem są obwody elektryczne, jak pokazano w poprzedniej sekcji. Jednak w ogólnym przypadku proste równanie P = IV można zastąpić bardziej złożonym obliczeniem. Zamknięta całka powierzchniowa z linii produktów o natężenie pola elektrycznego i pola magnetycznego natężenie wektorów daje łączną moc chwilową (w watach), na zewnątrz od objętości:

Rezultatem jest skalarne, ponieważ jest go całka powierzchniowa z wektorem Poyntinga .

Produkcja

Pokolenie

Światowa produkcja energii elektrycznej według źródeł w 2018 r. Łączna produkcja wyniosła 26,7 PWh .

  Węgiel (38%)
  Gaz ziemny (23%)
  Wodne (16%)
  Jądrowa (10%)
  Wiatr (5%)
  Olej (3%)
  Słoneczna (2%)
  Biopaliwa (2%)
  Inne (1%)

Podstawowe zasady wytwarzania dużej ilości energii elektrycznej zostały odkryte w latach 20. i 30. XIX wieku przez brytyjskiego naukowca Michaela Faradaya . Jego podstawowa metoda jest stosowana do dziś: prąd elektryczny jest generowany przez ruch pętli drutu lub miedzianego dysku między biegunami magnesu .

W przypadku przedsiębiorstw energetycznych jest to pierwszy proces w dostawie energii elektrycznej do odbiorców. Pozostałe procesy, przesył i dystrybucja energii elektrycznej oraz magazynowanie i odzyskiwanie energii elektrycznej metodami szczytowo-pompowymi są zwykle realizowane przez przemysł elektroenergetyczny .

Energia elektryczna jest głównie wytwarzana w elektrowni przez generatory elektromechaniczne , napędzane silnikami cieplnymi ogrzewanymi przez spalanie , energię geotermalną lub rozszczepienie jądrowe . Inne generatory są napędzane energią kinetyczną płynącej wody i wiatru. Istnieje wiele innych technologii wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, takich jak fotowoltaiczne panele słoneczne.

Bateria jest urządzenie składające się z jednego lub więcej ogniw elektrochemicznych , które przekształcają zapisane energii chemicznej w energię elektryczną. Od czasu wynalezienia przez Alessandro Voltę pierwszej baterii (lub „ stosu elektrycznego ”) w 1800 roku , a zwłaszcza od technicznie ulepszonego ogniwa Daniella w 1836 roku, baterie stały się powszechnym źródłem zasilania dla wielu zastosowań domowych i przemysłowych. Według szacunków z 2005 r. światowy przemysł baterii generuje rocznie 48 miliardów USD sprzedaży, przy 6% rocznym wzroście. Istnieją dwa rodzaje baterii: baterie pierwotne ( baterie jednorazowe), które są przeznaczone do jednorazowego użytku i są wyrzucane, oraz baterie wtórne (akumulatory), które są przeznaczone do wielokrotnego ładowania i używania. Baterie są dostępne w wielu rozmiarach; od miniaturowych ogniw guzikowych wykorzystywanych do zasilania aparatów słuchowych i zegarków na rękę po baterie akumulatorów wielkości pomieszczeń, które zapewniają zasilanie w trybie czuwania dla central telefonicznych i komputerowych centrów danych .

Elektroenergetyka

Elektroenergetyka zapewnia produkcję i dostarczanie energii w wystarczających ilościach do obszarów, które potrzebują energii elektrycznej , poprzez podłączenie do sieci . Sieć dystrybuuje energię elektryczną do odbiorców. Energia elektryczna jest wytwarzana przez centralne elektrownie lub przez generację rozproszoną . Branża elektroenergetyczna stopniowo zmierza w kierunku deregulacji – wschodzące podmioty oferują konkurencję konsumentom tradycyjnym przedsiębiorstwom użyteczności publicznej.

Posługiwać się

Energia elektryczna, wytwarzana z centralnych stacji wytwórczych i rozprowadzana w elektrycznej sieci przesyłowej, znajduje szerokie zastosowanie w zastosowaniach przemysłowych, handlowych i konsumenckich. Zużycie energii elektrycznej na mieszkańca w kraju koreluje z jego rozwojem przemysłowym. Silniki elektryczne napędzają maszyny produkcyjne oraz napędzają metro i pociągi kolejowe. Oświetlenie elektryczne to najważniejsza forma światła sztucznego. Energia elektryczna jest wykorzystywana bezpośrednio w procesach takich jak wydobycie aluminium z jego rud oraz w produkcji stali w elektrycznych piecach łukowych . Niezawodna energia elektryczna jest niezbędna w telekomunikacji i nadawaniu. Energia elektryczna jest wykorzystywana do klimatyzacji w gorącym klimacie, aw niektórych miejscach energia elektryczna jest konkurencyjnym ekonomicznie źródłem energii do ogrzewania budynków. Wykorzystanie energii elektrycznej do pompowania wody waha się od indywidualnych studni domowych po projekty nawadniania i projekty magazynowania energii.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki