Электрическая энергия и электрическая мощность в чем разница
Мощность и электрическая энергия
Электрическая энергия — это потенциальная работа, которую сможет совершить электрический заряд в электромагнитном поле. На некоторое время электрическую энергию можно сохранить в конденсаторе, в катушке с током, можно даже в колебательном контуре. И в конце концов электрическая энергия может быть преобразована в механическую или в тепловую энергию, в энергию разряда, свечения и т. д.
Вообще, произнося словосочетание «электрическая энергия», можно иметь ввиду заряд конденсатора или аккумулятора, а можно — количество намотанных счетчиком киловатт-часов. В любом случае, речь всегда идет об измерении некого количества работы, уже совершенной электричеством, или той, которая еще только будет совершена. Так или иначе, электрическая энергия — это всегда энергия электрического заряда.
Если электрический заряд покоится (или движется по эквипотенциальной траектории), находясь в электрическом поле, то речь идет о потенциальной энергии A, которая зависит от количества заряда Q (измеряется в кулонах) и от разности потенциалов U в поле, между той точкой, где заряд находится в начальный момент, и той точкой, относительно которой вычисляется энергия данного заряда.
Потенциальная электрическая энергия связана с положением заряда в электрическом поле. Например 1 кулон заряда (6,24 квинтиллионов электронов) при разности потенциалов (напряжении) в 12 вольт обладает энергией в 12 джоуль. Это значит, что при перемещении в данных условиях всего этого заряда из точки с потенциалом 12 вольт в точку с потенциалом 0 вольт, электрическое поле совершит работу A, равную 12 Дж. Когда заряд движется, то речь идет о кинетической энергии носителя заряда или об энергии электрического тока.
Когда заряд движется под действием электрического поля, от точки с более высоким потенциалом — в сторону потенциала более низкого, электрическое поле совершает работу, потенциальная энергия заряда уменьшается, преобразуясь в энергию магнитного поля движущегося заряда и в кинетическую энергию движущегося носителя заряда.
Если, например, заряженные частицы движутся под действием сторонних сил (допустим, ЭДС создается аккумулятором) внутри вольфрамовой спирали, то они преодолевают сопротивление вещества спирали, взаимодействуют с атомами вольфрама, сталкиваются с ними, раскачивают их, при этом спираль нагревается, выделяется тепло и излучается свет. Врезаясь в вещество спирали, заряженные частицы теряют свою кинетическую энергию, энергия частиц, движущихся под действием сторонних сил, преобразуется теперь в тепловую энергию колебаний кристаллической решетки спирали и в энергию электромагнитных волн света.
Когда мы говорим об электрической мощности, то имеем ввиду скорость преобразования электрической энергии. Например, скорость преобразования энергии электростанции при питании лампы накаливания мощностью 100 ватт, равна 100 Дж/с — 100 джоуль энергии в секунду — есть 100 ватт. Обычно для нахождения мощности перемножают ток I и напряжение U. Так делают потому, что ток I — это количество заряда Q, прошедшее через потребитель за время t, равное одной секунде. Напряжение — разность это та самая разность потенциалов, которую преодолел заряд. Вот и получается, что мощность W=Q*U/t=Q*U/1=I*U.
Номинальная мощность источника питания обычно ограничена напряжением на его клеммах и током, который способен данный источник обеспечить в номинальном режиме. Мощность потребителя — это скорость потребления электроэнергии при номинальном напряжении, приложенных к выводам потребителя.
Диафильм фабрики экранных учебно-наглядных пособий «Энергия и мощность электрического тока»:
Электрическая энергия и мощность
Электрическая энергия — это способность электромагнитного поля производить работу, преобразовываясь в другие виды энергии.
Электроэнергия — наиболее совершенный и универсальный вид, сравнительно легко преобразующийся в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую и др.
Совершение работы связано с перемещением зарядов через элементы, обладающие сопротивлением. Единица измерения электроэнергии (работы) — джоуль (Дж). Она соответствует работе по перемещению заряда в один кулон между точками цепи с напряжением в один вольт: 1 Дж = 1 В • 1 Кл.
Электрическая мощность — это работа по перемещению электрических зарядов в единицу времени.
Активная мощность — это мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в тепловую или механическую энергию.
В цепях постоянного тока активная мощность, Вт,
Р ш UI = Р г, в цепях переменного синусоидального тока
где U — действующее значение напряжения, В, U » —
I — действующее значение тока, А, I =
Ф — угол сдвига между векторами напряжения и тока, град.
Реактивная (индуктивная) мощность в цепях переменного синусоидального тока в установившихся режимах связана с созданием магнитных полей в элементах цепи и покрытием потерь на так называемые магнитные поля рассеяния этих элементов.
Реактивная (емкостная) мощность в цепях переменного синусоидального тока в установившихся режимах направлена на создание электрических полей в диэлектрических средах элементов цепи.
Единица измерения реактивной мощности — вар.
В цепях постоянного тока в установившихся режимах реактивные мощности равны нулю.
Полная мощность элемента в цепи переменного синусоидального тока определяется как геометрическая сумма активной и реактивной мощностей: •
где z = /Jr2 + (xL—xc)z — полное сопротивление цепи, Ом. Единица измерения полной мощности — В>А
После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.
Мощность против энергии: принципиальные различия схожих понятий
Мы продолжаем знакомить читателей с материалами, посвященными базовым понятиям и подходам в использовании источников питания (ИП), современным решениям в данной области и уникальным функциям, помогающим решить самые сложные задачи, возникающие при тестировании. В этом номере менеджер по развитию бизнеса и ведущий раздела по системам электропитания объединенного блога Keysight Technologies в России Алексей Телегин обсуждает такие фундаментальные понятия, как мощность и энергия.
Энергия становится все более ценным товаром, ведь человечество гораздо быстрее находит способы ее потребления, чем способы воспроизводства. Даже если бы мы были способны добывать или преобразовывать энергию в неограниченных количествах, процессы ее производства и потребления все равно оказывали бы огромное влияние на жизнь всей планеты. Для решения проблемы растущих потребностей необходимы более разумные и эффективные способы использования энергии. Нельзя не отметить, что в ряде отраслей происходит постоянное развитие технологий для решения данной задачи, и компания Keysight Technologies является активным участником этого, безусловно, положительного процесса.
Несмотря на то, что мощность и энергия — фундаментальные понятия, и большинство профессионалов прекрасно понимают различие между ними, я иногда встречаю сотрудников, ошибочно использующих одно из этих слов вместо другого. Действительно, эти понятия тесно связаны, но все же являются принципиально разными по смыслу.
Итак, начнем с энергии. Вероятно, лучше всего рассматривать ее с точки зрения классической механики движения заряженных частиц. Уравнение кинетической энергии выглядит следующим образом:
где Ek — энергия частицы, m — масса, а v — скорость. До тех пор, пока эта движущаяся частица не испытывает воздействия, ее энергия остается неизменной. Но что произойдет с частицей под действием внешней силы? Этот вопрос приводит нас к понятию работы. Механическая работа — это мера силы, зависящая от численной величины, направления силы и от перемещения точки. Если эта сила действует в том же направлении, что и перемещение, работа определяется как положительная. Частица получает энергию. Если сила действует в направлении, противоположном перемещению, тогда работа является отрицательной. Энергия частицы уменьшается. Работа выражается следующим образом:
W = Ek2–Ek1,
где Ek1 — энергия частицы до воздействия на нее силы, а Ek2 — энергия частицы после воздействия.
Работа — это количественная мера изменения энергии этой частицы.
Мы подошли к вопросу определения потенциальной энергии. В механике потенциальную энергию можно описать как нечто, что я буду называть возобновляемой силой, приложенной в направлении, противоположном перемещению. В самом типичном случае это будет масса объекта, поднятого на некоторую высоту, на который действует сила тяжести. Это также может быть сила, использованная для растягивания пружины на некоторое расстояние. В случае силы тяжести потенциальную энергию описывает следующая формула:
Ep = m × g × y,
где Ep — потенциальная энергия частицы, m — масса, g — сила тяжести, а y — высота частицы над заданной точкой отсчета. Обратите внимание, что вес — это произведение массы на силу тяжести. Работа, складываемая или вычитаемая (соответственно), — это подъем или опускание частицы на вертикальное расстояние под действием силы тяжести.
Для электричества понятия работы и энергии точно такие же, как и в контексте механики. Известно, что энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно только преобразовать из одной формы в другую. Энергию света можно преобразовать в электрическую при помощи фотоэлемента. Электрическую энергию можно преобразовать в механическую при помощи электродвигателя и т. д. Эти процессы не являются эффективными на все 100%, потому что значительная доля исходной энергии преобразуется также в тепловую. Общепринятой мерой энергии являются джоули, которые равны одной ватт-секунде. Чаще всего мы сталкиваемся с этим понятием, когда оплачиваем счета за электроэнергию: сумма в них рассчитывается на основании количества киловатт-часов электроэнергии, которая израсходована с момента выставления предыдущего счета.
Как и в механике, энергию в электрических системах можно сохранять — в частности, в реактивных компонентах (катушках индуктивности и конденсаторах). Энергия в катушке вычисляется по формуле:
где E — энергия в джоулях, L — индуктивность в генри, а I — сила тока в амперах. Катушка индуктивности хранит свою энергию в магнитном поле. Соответственно, энергия конденсатора определяется по формуле:
где E — энергия в джоулях, C — емкость в фарадах, а V — электрический потенциал в вольтах. Конденсатор хранит свою энергию в электрическом поле.
Надеюсь, что теперь вы имеете более четкое представление о том, что представляет собой энергия (и работа). Далее необходимо связать эти понятия с мощностью.
Мы знаем, как можно увеличить энергию или, наоборот, уменьшить ее в системе под воздействием совершаемой работы, и установили, что совершенная работа приводит к изменению количества энергии. Но необходимо также знать, в течение какого периода выполнялась работа. Ведь она могла совершаться в течение минуты, дня или года. Мощность является мерой скорости, с которой выполняется работа, и энергии, добавляемой в систему или удаляемой из системы.
Средняя мощность = совершаемая работа/интервал времени.
Когда мы слышим слово «мощность», чаще всего нам в голову приходит мощность в лошадиных силах, которой обладает какой-нибудь автомобиль (по крайней мере, это утверждение справедливо для большинства автолюбителей). Несмотря на то, что чаще всего это понятие используется в отношении механических систем, лошадиная сила все же остается мерой мощности, точно так же, как и электрическая мощность, которую мы потребляем из розеток у себя дома.
Когда-то, еще во времена тепловых двигателей, Джеймс Ватт придумал термин «лошадиная сила» в качестве средства для сравнения своих паровых двигателей с интенсивностью работы, которую может производить лошадь. Механическая работа — это мера силы (фунты), затраченной на перемещение на расстояние (футы). В результате расчета было принято, что лошадь может переместить 550 футо-фунтов за одну секунду, или производить 550 футо-фунтов мощности в секунду.
Электрическая мощность также является мерой работы, выполняемой за единицу времени. Однако в этом случае она перемещает заряд в 1 Кл (кулон) при потенциале в 1 В (вольт) за 1 с (секунду). Обратите внимание, что 1 А (ампер) равен 1 Кл/с. Одна единица электрической мощности равна одному ватту. Подведем итог:
P (ватты) = Q (кулоны) × V (вольты) / t (секунды) = I (амперы) × V (вольты).
Мы говорили о том, что энергия измеряется в ватт-секундах и киловатт-часах. Разделите количество энергии на интервал времени, за который она была использована, и вы получите мощность в ваттах и киловаттах! Какова взаимосвязь между механической и электрической мощностью? Когда появились первые электродвигатели, необходимо было соотнести работу, которую они могли выполнить, с работой тепловых двигателей, которая измерялась в лошадиных силах, где одна лошадиная сила равна 550 футо-фунтов/с. Было определено, что электромотору с КПД, равным 100%, требуется 746 Вт электрической мощности, чтобы произвести одну лошадиную силу механической мощности. Обратите внимание, что оценка работы в лошадиных силах основана на британских единицах измерения физических величин. Мера лошадиной силы на основании метрической системы немного отличается и составляет около 735 Вт.
Итак, теперь вы умеете рассчитывать количество потребляемой мощности электрическими приборами и в лошадиных силах, и в ваттах. В то же время, вы также можете рассчитать мощность двигателя своего автомобиля в ваттах (или киловаттах) вместо лошадиных сил: в наши дни это довольно полезный навык, поскольку мощность в ваттах признается во всем мире, а в лошадиных силах — не везде.
кВт, кВт*ч и кВт/ч
Энергия
С точки зрения банальной энергетики энергия — это материя, которая производится электростанцией, хранится в аккумуляторе и тратится лампочками.
Мощность
Мощность — скорость перемещения или преобразования энергии. Это количество энергии, перемещаемое или преобразуемое в единицу времени.
кВт*ч
Единица энергии — не системная, но основная в быту. Как видно из записи, получается умножением единицы мощности (кВт) на единицу времени (ч).
Пример 1.
У вас есть 2 обогревателя, мощностью 1 кВт каждый. Вы греетесь об них 1 час. Электричество по 4 рубля за кВт*ч.
2 * 1 кВт * 1 ч * 4 руб/[кВт*ч] = 2 [кВт*ч] * 4 руб/[кВт*ч] = 8 руб
Пример 2.
У вас есть 1 обогреватель мощностью 1 кВт. Вы греетесь об него 2 часа. Электричество по 4 рубля за кВт*ч.
1 * 1 кВт * 2 ч * 4 руб/[кВт*ч] = 2 [кВт*ч] * 4 руб/[кВт*ч] = 8 руб
Обратите внимание на арифметику единиц измерения. Именно в ней кроется физический смысл вычислений.
кВт * ч = [кВт*ч]
[кВт*ч] / [кВт*ч] = 1
[кВт*ч] * руб / [кВт*ч] = руб * 1 = руб
кВт/ч
кВт в час — единица скорости строительства электростанций. Основная характеристика электростанции — её установленная мощность (кВт). Суммарное количество электростанций построенное за некоторое время делённое на это время (ч) — скорость строительства (кВт/ч). На практике используется кратная ей — МВт/год.
Если Ваш текст не посвящён макроэкономическим показателям, то кВт/ч (как и кВт в час) в нём встречаться не должен.
Капитализация
Ещё раз посмотрим на единицу энергии: кВт*ч.
к — десятичная приставка «кило» (маленькая «к»). Десятичные приставки чувствительны к регистру и нажатие на SHIFT в неподходящий момент может привести к ошибке в миллиард раз и больше. К счастью, на данный момент не существует десятичной приставки «К» (если не считать двоичную K=1024).
Вт — сокращение от фамилии Ватт. Пишется с большой буквы, как и все имена.
ч — обычная единица. Пишется с маленькой буквы.
Тема, конечно, выглядит по-детски на фоне «Мифов современной популярной физики», но нужно иногда разбираться и с основами.
Термины электроэнергетики в простом изложении
В разделе термины электроэнергетики в простом изложении представлены основные термины, понятия и определения электроэнергетики, которые необходимы потребителям электроэнергии. Все приведенные понятия мы попытались изложить более доступным и понятным языком, чем они изложены в специализированных справочниках или нормативных документах. Если Вы считаете, что необходимо дать разъяснения по какому-либо термину, который отсутствует в этом списку, напишете об этом администратору сайта в разделе «Вопрос-ответ».
Акт о технологическом присоединении – документ, выдаваемый потребителю на вновь построенный объект (или реконструированный) сетевой организацией, после завершения всех мероприятий по технологическому присоединению (присоединению к электросетям). Этот документ необходим для заключения договора энергоснабжения с гарантирующим поставщиком и осуществления поставок электроэнергии.
Акт разграничения балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности сторон. Составляется сетевой организацией после завершения процедуры технологического присоединения. Необходим для определения кто и за что отвечает при обслуживании электрической сети. В этом документе также указывается уровень категории надежности потребителя.
Акт согласования аварийной и технологической брони. Если потребитель относится к социально-значимым объектам (водоканалы, тепловые сети и т.д.) или производственный цикл потребителя сопряжен с невозможностью ежесекундного прекращения подачи электроэнергии, то в отношении него должен быть составлен такой акт. Акт может составляться как по инициативе потребителя, так и по инициативе поставщика электроэнергии.
Акт о безучетном потреблении электроэнергии – документ составленный в случае выявления того, что потребление электроэнергии происходит либо при отсутствии прибора учета, либо было вмешательство в его работу. Обычно рассчитывается с использованием данных о максимальной мощности электроприемников и 24 ч. их работы в сутки. Стоимость безучетного потребления взыскивается гарантирующим поставщиком. Порядок расчета безучетного потребления приведен в приложении 3 к «Основным положениям функционирования розничных рынков электроэнергии», утвержденных Постановлением Правительства РФ от 04.05.2012 №442. После выявления безучетного потребления, как правило, производится отключение электроэнергии
Бронь технологическая – мощность, которая необходима потребителю для того, чтобы он смог безопасно завершить свой технологический процесс, после чего может произведено отключение электроэнергии (в том числе отключение электроэнергии за неуплату). Эта величина может быть установлена по требованию потребителя, когда по условиям его производства одномоментное отключение электроэнергии недопустимо и может привести к необратимому нарушению производственного процесса.
Воздушные линии электропередачи (ВЛ, ВЛЭП) – конструкции для передачи электроэнергии на расстояние по проводам. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. В верхней части опор над проводами для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений монтируют грозозащитные тросы. Опоры поддерживают провода и тросы на определенной высоте над уровнем земли или воды. Изоляторы изолируют провода от опоры. С помощью линейной арматуры провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опорах. В некоторых случаях провода ВЛ с помощью изоляторов и линейной арматуры прикрепляются к кронштейнам инженерных сооружений.
Гарантирующий поставщик – это энергосбытовая компания, которая обязана заключить договор с любым обратившимся в ее адрес лицом. Для своих потребителей гарантирующий поставщик приобретает электроэнергию (чаще всего на оптовом рынке электроэнергии) и продает ее на розничном, т.е. своим потребителям.
Договор энергоснабжения – Договор заключаемый между потребителем электроэнергии и гарантирующим поставщиком (независимой энергосбытовой компанией), согласно условиям которого гарантирующий поставщик обязуется поставлять потребителю электроэнергию и мощность, а также урегулировать в отношении потребителя услуги по передаче электроэнергии (услуги транспорта электроэнергии от производителя электроэнергии до потребителя) с сетевой организацией.
Договорной объем электропотребления – объем потребления электроэнергии и (или) мощности (поставки, приобретения, расхода) в предстоящем периоде, который согласован в электроснабжения (купли-продажи). Для отдельных групп покупателей (выбравших для расчета 4 или 6 ценовую категории) необходима почасовая детализация договорного объема электропотребления (в разрезе каждого часа). При этом потребитель самостоятельно обязан ежемесячно предоставлять заявки с плановыми объемами потребления по каждому часу.
Категория надежности энергоснабжения (категория надежности электроснабжения, категория надежности снабжения электрической энергии) – категория, обуславливающая содержание обязательств по обеспечению надежности снабжения электрической энергией соответствующего покупателя, в том числе: допустимое число часов отключения в год (не связанного с неисполнением покупателем обязательств по договору, а также с иными основаниями, исключающими ответственность гарантирующего поставщика перед покупателем) и срок восстановления энергоснабжения. Иными словами, наивысшая степень надежности для потребителей – 1 категория, наименьшая надежность – для потребителей 3 категории. При этом для повышения уровни надежности, потребителю необходимо провести существенный ряд технических мероприятий.
Более подробно о показателях качества электроэнергии написано в ГОСТ 13109-97, который приведен в разделе «Нормативные документы»
Мощность присоединенная – суммарная величина присоединенного к электросети оборудования потребителя, (исчисляемая в мегавольт-амперах – МВа). Т.е. зависит от количество устройств потребителя, которые могут потреблять электроэнергию
Оптовый рынок электрической энергии (мощности) – это место обращения товара с определенными особенностями – электрической энергии и мощности. В отношениях по купле-продаже электроэнергии и мощности на оптовом рынке электроэнергии участвуют производители электроэнергии, гарантирующие поставщики, независимые энергосбытовые компании, крупные потребители, ФСК ЕЭС.Подробнее об основах функционирования оптового рынка, Вы можете узнать в соответствующем разделе сайта.
Парогазовая установка (ПГУ) – Энергоустановка, при использовании которой вырабатывается электроэнергия газотурбинной установкой (ГТУ) за счет сжигания газа. Стоит отметить, что при использовании ПГУ потребитель может отказаться от приобретения электроэнергии у поставщиков электроэнергии и при соответствующей цене на энергоноситель может осуществить значительную экономию к ПГУ может быть также отнесена мобильная газотурбинная установка.
Перекрестное субсидирование – тарифы на электроэнергию дифференцируются таким образом, что в отношении одной категории потребителей (в РФ это население) – установленные тарифы ниже экономически обоснованных, а в отношении других групп потребителей (прочие потребители – в основном мелкий и средний бизнес) применяются цены, которые выше экономически обоснованных тарифов. Таким образом бремя платежей за электроэнергия распределяется на потребителей неравномерно. Кроме того, можно выделить также и территориальное перекрестное субсидирование: ситуация при которой в одних регионах тарифы выше, а в других ниже.
Поверка счетчиков – мероприятия по установлению соответствующим органом государственной метрологической службы факта пригодности к эксплуатации средств измерения электроэнергия (приборов учета электроэнергии).
Потери электроэнергии – разница между объемом электроэнергии, которая поступила в электрическую сеть и объемом электроэнергии, который был отпущен из этой электросети.
Потребитель электрической энергии – любое физическое или юридическое лицо или индивидуальный предприниматель, который использует для различных нужд электроэнергию (мощность). Ради них, собственно, и задумывался этот сайт;
Производство энергии (генерация) – действия организации, направленные на производство и продажи электроэнергии или тепловой энергии на оптовый или розничный рынок электроэнергии для дальнейшей поставки электроэнергии потребителям. Кроме того выделяют также собственную генерацию на предприятии. В этом случае предприятия устанавливает для собственных нужд объекты по производству электроэнергии. Кроме того, при наличии собственной генерации, предприятие может выступать в роли продавца электроэнергии на розничном рынке электроэнергии и мощности.
Пропускная способность электрической сети – максимальное количество электрической мощности, которую может пропустить электросеть в нормальных условиях работы.
Расчетные счетчики – счетчики электроэнергии, с использованием показаний которых производятся расчеты за потребляемую электроэнергию. Такие счетчики должны быть поверены Госстандартом РФ, и иметь пломбу сетевой компании или гарантирующего поставщика.
Розничный рынок электрической энергии (розничный рынок) – место обращения товара с определенными особенностями – электроэнергии и мощности вне рамок оптового рынка. Таким образом на розничном рынке продается электроэнергия, приобретенная на оптовом рынке, либо произведенная производителями электроэнергии, имеющими статус субъект розничного рынка. На розничном рынке гарантирующие поставщик, независимые энергосбытовые компании, энергоснабжающие организации поставляют потребителям электроэнергию и мощность, которые они приобрели на оптовом рынке.
Сетевая компания – организация, которая владеет на праве собственности или ином другом законном основании объектами электросетевого хозяйства (линиями электропередач, подстанциями), для которой утвержден тариф на передачу электроэнергии по ее электрическим сетям. Тариф на передачу электроэнергии является составляющей конечных тарифов (цен) на электрическую энергию.
Сбытовая надбавка гарантирующего поставщика – утверждается местным органом исполнительной власти в области государственного регулирования тарифов (РЭК, РСТ, Управление по тарифам и ценам) в отношении каждого гарантирующего поставщика. Является составляющей конечных тарифов (цен) на электрическую энергию. Устанавливается в размере «руб. за кВт.ч.». Например, 0.13 руб. за кВт.ч. После выхода Постановления Правительства РФ от 04.05.2012 №442, сбытовая надбавка утверждается как процент от конечной цены на электроэнергию. Напрмер, 13% от цены покупки на оптовом рынке электроэнергии
Точка поставки (точка поставки на розничном рынке) – место в электросети, которое находится на границе между потребителем и сетевой организацией. В этом месте осуществляется исполнение обязательств по поставке электроэнергии между потребителем и поставщиком электроэнергии.
Федеральная служба по тарифам – организация, осуществляющая государственное регулирование тарифов на федеральном уровне.