Расчет потребляемой мощности дома.
Обходиться без участия электроэнергии сегодня было бы достаточно сложно, если ни сказать больше — невозможно. Каждый современный дом зависит от электрической сети, а поэтому расчет потребляемой мощности электроэнергии – базовая задача для каждого домовладельца, не желающего переплачивать за услуги компаний, предоставляющих электроэнергию.
Ближе к сути: как производится расчет?
Оформление заказа проекта электрификации дома или квартиры даёт возможность владельцу недвижимости получить приблизительное представление относительно потребляемой мощности. Однако часто полезно предварительно информировать себя об ориентировочной цифре потребляемой мощности. Предварительное представление позволяет достигнуть определенности в вопросе величины приобретаемой мощности, дает возможность не переплачивать личные средства за нерасходуемую энергию. В условиях роста цен на электроэнергию актуальным становится вопрос экономии, целесообразности энергопотребления в доме, по причине чего практичные хозяева желают заблаговременно осведомляться относительно подобных вопросов.
Порой выгоднее оплаты лишних киловатт (величина измерения мощности электроэнергии, кВт) оказывается отказ от некоторых потребителей энергии, бытовых электрических приборов.
Фундаментом расчета суммарного потребления мощности электроэнергии для частного дома, который выполняется на этапе проектирования системы электрификации, служат нагрузки оконечных потребителей электроэнергии. Стоит отметить, что данные относительно приблизительной цифры потребления электричества силовым оборудованием, электроприборами бытового типа, позволят интересующемуся провести самостоятельное оценивание энергопотребления дома.
Для того чтобы произвести расчет мощности самостоятельно, потребуется умение пользования таблицей, а также основные знания физики из школьного курса. Данные, изложенные в рамках таблицы, основываются на практическом опыте проектирования систем водоснабжения, а также освещения домов частного типа. Несмотря на ориентировочность данных, значения таблицы по части потребляемой мощности могут точно отражать реальные показатели, так как взяты они из технических паспортов на специальное оборудование.
В рамках таблицы приведены наименования самых распространенных бытовых электроприборов, потребителей электроэнергии, в числе которых лампы люминесцентные, накаливания, галогенные, светодиодные, электрическая плита, холодильник, розетка, посудомоечная машина, вытяжка (кухонная), электрочайник, аэрогриль, кофемашина, духовой шкаф, стиральная машина, котел электрический и др. С увеличением количества электрических приборов вопрос относительно экономии расходной части мощности становится все более важным! Для каждого энергопотребителя, бытового электроприбора приведен примерный показатель мощности, которую он потребляет во время эксплуатации, а также параметры напряжения электросети (однофазная сеть переменного тока — 220В, трехфазная — 380В).
Помимо данных, приведенных в таблице ориентировочного расчета потребляемой мощности частного дома расчет потребует от интересующегося использовать коэффициент спроса, значение которого определяется посредством нормативной документации. Чтобы произвести расчет самостоятельно понадобится сделать выбор из представленного перечня потребителей, планирующихся к использованию, после чего просуммировать данные.
Следующим этапом является умножение полученной суммы на коэффициент одновременного пользования, зависящего от потребляемой мощности.
Для примера стоит сказать следующее: при получении суммы потребителей, равной 32,8 кВт, таблица №1 иллюстрирует, что коэффициент спроса равен 0,6. Произведение 32,8 кВт на коэффициент 0,6 позволяет получить ориентировочный показатель мощности, которая будет потребляться домом, то есть 19,68 кВт. Оценка, полученная в результате подобного расчета мощности, может использоваться в дальнейшем с целью корректировки значения приобретаемой мощности, своих потребителей, если выделенная мощность имеет меньшее значение от полученного показателя.
Самостоятельный предварительный расчет потребляемой электрической мощности дома. Советы потребителю
Основным показателем, рассчитываемым в проекте электрики частного дома, является общая потребляемая мощность. Заказав проект электрики, владелец частного дома обязательно получит цифру потребляемой мощности, которая будет в нем указана.
Но часто бывает полезно понять ориентировочную потребляемую мощность еще до заказа проекта, на этапе покупки «киловатт». Предварительный расчет поможет Вам определиться с величиной покупаемой мощности (если есть различные предложения), а также осмысленно подойти к своим потребностям в части энергопотребления. Иногда бывает выгоднее отказаться от некоторых энергопотребителей, чем платить за лишние киловатты.
Основой расчета общей потребляемой мощности частного дома, выполняемого в ходе проектирования электрики, являются нагрузки оконечных потребителей электроэнергии. Именно данные о примерном потреблении электричества элементами освещения, силовым оборудованием и бытовыми приборами, используемыми в Вашем доме, и дадут возможность проведения самостоятельной «прикидки» требуемых киловатт.
Для самостоятельного расчета требуемой электрической мощности на Ваш дом, приводим таблицу «Ведомость потребителей электроэнергии (ориентировочная)» (Таблица № 1). Данные, приведенные в таблице, основаны на нашем опыте проектирования систем электроснабжения и освещения частных домов.
Являясь ориентировочными, приведенные значения потребляемой мощности достаточно точно отражают их реальные значения, поскольку взяты из технических паспортов на соответствующее оборудование.
Таблица 1. Ведомость потребителей электроэнергии (ориентировочная)
| Наименование оборудования | Рн, кВт (за ед.) | Uн, В сети |
| Лампа накаливания | 0.5 | 220 |
| Лампа люминесцентная | 0,04 | 220 |
| Лампа светодиодная | 0,02 | 220 |
| Лампа галогенная | 0,04 | 220 |
| Розеточное место | 0,1 | 220 |
| Холодильник | 0,5 | 220 |
| Электроплита | 4 | 220 |
| Кухонная вытяжка | 0,3 | 220 |
| Посудомоечная машина | 1,5 | 220 |
| Измельчитель отходов | 0,4 | 220 |
| Электроподжиг плиты | 0,1 | 220 |
| Аэрогриль | 1,2 | 220 |
| Чайник | 2,3 | 220 |
| Кофемашина | 2,0 | 220 |
| Стиральная машина | 1,5 | 220 |
| Духовой шкаф | 1,2 | 220 |
| Посудомоечная машина | 1,2 | 220 |
| СВЧ-печь | 1,3 | 220 |
| Гидромассажная ванна | 0,6 | 220 |
| Сауна | 6,0 | 380 |
| Котел электрический | 12 | 380 |
| Котел газовый | 0,2 | 220 |
| Насосное оборудование котельной | 0,8 | 220 |
| Система химводоподготовки | 0,2 | 220 |
| Привод ворот | 0,4 | 220 |
| Телевизор «Плазма» | 0,4 | 220 |
| Освещение улицы | 1,0 | 220 |
| Компьютерное место | 0,9 | 220 |
| Электрический теплый пол | 0. 8 |
220 |
| Септик | 0.65 | 220 |
| Канализационно-напорная станция | 1.5 | 220-380 |
| Кондиционер | 1,5 | 220 |
| Вентиляционная установка | 2.5 | 220-380 |
| Сауна | 7 | 220-380 |
| Электрокамин | 0,3 | 220 |
| Проводы рольставен | 220 | |
| Электрические полотенцесушители | 0.75 | 220 |
| Парогенератор | 1.5 | 380 |
| Скважный насос | 2 | 220-380 |
Кроме данных, приведенных в таблице 1, для расчета также понадобится коэффициент спроса, значение которого четко определено нормативными документами и приведено в таблице № 2.
Таблица 2. Коэффициенты спроса (по нормативам)
| Заявленная мощность, кВт │до 14│ 20 │ 30 │ 40 │ 50 │ 60 │ 70 и более│ |
| Коэффициент спроса │ 0,8 │ 0,65 │ 0,6 │ 0,55 │ 0,5 │ 0,48 │ 0,45 │ |
Для того, чтобы самостоятельно рассчитать примерную потребляемую мощность, необходимо выбрать из списка потребителей, которые планируются к использованию и просуммировать их (предварительно умножив каждую позицию на количество потребителей одного типа). Далее необходимо умножить полученную сумму на коэффициент одновременного использования, который зависит от потребляемой мощности (таблица № 2).
Пример: если сумма потребителей у вас получилась 32,8 кВт, то по таблице № 1 коэффициент спроса будет равен 0,6. Умножив 32,8 кВт на 0,6, получим ориентировочное значение потребляемой мощности (на дом) 19,68 кВт.
Полученную оценку потребляемой мощности Вашего дома Вы можете использовать в дальнейшем для корректировки значения приобретаемой мощности, либо своих потребностей, если выделенная мощность меньше полученного значения.
БЕЗУЧЕТНОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ, КАК РАССЧИТАТЬ? СОСТАВЛЯЮЩИЕ ФОРМУЛ РАСЧЕТА
Пунктом 1 Приложения 3 к Основным положениям функционирования розничных рынков электрической энергии, утвержденным Постановлением Правительства РФ от 04.05.2012 № 442 (ред. от 21.12.2018) «О функционировании розничных рынков электрической энергии, полном и (или) частичном ограничении режима потребления электрической энергии» предусмотрены три формулы расчета безучетного потребления электрической энергии.
Основной является формула расчета с использованием имеющейся величины максимальной мощности энергопринимающих устройств в соответствующей точке поставки, а именно:
где:
Pмакс — максимальная мощность энергопринимающих устройств, относящаяся к соответствующей точке поставки.
Где взять данную велину?
-В одном из приложений к Договору энергоснабжения, например она может быть указана в Реестре источников энергоснабжения, энергопринимающего оборудования и средств коммерческого учета электроэнергии и мощности.
-В Акте разграничения балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности сторон (АРБП).
-В Акте об осуществлении технологического присоединения (АТП).
T — количество часов в расчетном периоде в течение которого осуществлялось безучетное потребление электрической энергии, но не более 8760 часов. Как правило Гарантирующие поставщики и Сетевые организации берут величину Т равную 24 часам. Однако, в случае если данная величина каким-либо образом урегулирована в договоре энергоснабжения (сторонами согласовано число часов работы энергопринимающего оборудования Абонента), то к расчету может быть применена такая величина. Но на практике ни энергосбыт ни сетевая организация ее не применяют. Применимость данной величины обычно доказывается в судебном споре, если дело доходит до суда.
Также законодателем (а именно абзацем 7 п. 1 Приложения 3 к Основным положениям 442) предусмотрены случаи если:
— в договоре, обеспечивающем продажу электрической энергии (мощности) на розничном рынке, отсутствовали данные о величине максимальной мощности;
— при выявлении безучетного потребления было выявлено использование потребителем мощности, величина которой превышает величину максимальной мощности энергопринимающих устройств потребителя, указанную в договоре.
В этих случаях производится так называемый расчет безучетного потребления по «сечению вводного кабеля». Формула расчета для таких случаев выглядит следующим образом:
для однофазного ввода:
для трехфазного ввода:
где:
— допустимая длительная токовая нагрузка вводного провода (кабеля), А;
— номинальное фазное напряжение, кВ;
— коэффициент мощности при максимуме нагрузки. При отсутствии данных в договоре коэффициент принимается равным 0,9;
T — количество часов в расчетном периоде, в течение которого осуществлялось безучетное потребление электрической энергии, но не более 8760 часов .
Значение принимается равным 220В.
Значение коэффициента равно 0,9.
T — количество часов в расчетном периоде в течение которого осуществлялось безучетное потребление электрической энергии, но не более 8760 часов.(1) Как правило Гарантирующие поставщики и Сетевые организации берут величину Т равную 24 часам.
Исключения описаны выше.
Переменная величина в этой формуле — это параметр .
Откуда ее взять, спросите Вы?
В соответствии с действующим законодательством, расчет по сечению кабеля производится на основании значений, установленных Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) (Шестое издание), утв. Главтехуправлением, Госэнергонадзором Минэнерго СССР 05.10.1979.
Например, в соответствии с Таблицей №1.3.4 Правил устройства электроустановок (ПУЭ) «Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами», допустимый длительный ток для четырех жильного провода сечением жилы 6 мм. составляет 40А:
Ниже для примера приведена сводная таблица значений.
Таблица 1.3.4. Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами
| сечение токопро- водящей жилы кв.
| Ток, А, для проводов, проложенных | |||||
| открыто | в одной трубе | |||||
| двух одно- жильных | трех одно- жильных | четырех одно- жильных | одного двух- жильного | одного трех- жильного | ||
| 0,5
| 11 15 17 20 23 26 30 34 41 46 50 62 80 100 140 170 215 270 330 385 440 510 605 695 830 | — — 16 18 19 24 27 32 38 42 46 54 70 85 115 135 185 225 275 315 360 — — — — | — — 15 16 17 22 25 28 35 39 42 51 60 80 100 125 170 210 255 290 330 — — — — | —
14 260 — — — — — | — — 15 16 18 23 25 28 32 37 40 48 55 80 100 125 160 195 245 295 — — — — — | — — 14 14,5 15 19 21 24 27 31 34 43 50 70 85 100 135 175 215 250 — — — — — |
ммДалее осталось лишь подставить все рассматриваемые значения в соответствующую формулу.
Вот таким образом и производится расчет безучетного потребления. В случае если у Вас возникли вопросы или в отношении вашего предприятия составлен акт о безучетном потреблении, обращайтесь, мы готовы ответить на все Ваши вопросы.
Дмитриева А.А.
ЭнергоПраво
——————————————————————————————————
[1] Постановление Правительства РФ от 04.05.2012 N 442 (ред. от 21.12.2018) «О функционировании розничных рынков электрической энергии, полном и (или) частичном ограничении режима потребления электрической энергии» (вместе с «Основными положениями функционирования розничных рынков электрической энергии», «Правилами полного и (или) частичного ограничения режима потребления электрической энергии».
Как измерить энергопотребление цепи
Ключевые выводы
Узнайте, почему измерение энергопотребления важно для увеличения срока службы электроники.
Понимание основ различных уровней энергопотребления.
Узнайте, как измерить энергопотребление цепи.
Мой любимый способ снять стресс — отправиться на кухню и попробовать новый рецепт. Иногда мне удается получить вкусное блюдо, а иногда моя готовка полностью терпит неудачу.
Хотя я не очень талантлив в кулинарии, мне никогда не помогает результат, когда в рецепте используются туманные измерения. Например, когда рецепт требует «щепотки» или «щепотки» приправы, я неизбежно получаю слишком много специй и в итоге получаю менее вкусное блюдо, чем оно должно было быть.
Получение точных измерений имеет решающее значение, независимо от того, являетесь ли вы поваром или проектировщиком печатных плат. Для последнего важно знать, как измерить потребляемую мощность цепи, чтобы поддерживать блок питания и электронику в хорошем рабочем состоянии. В следующем разделе мы более подробно рассмотрим важность понимания энергопотребления схемы.
Почему важно знать, как измерить энергопотребление цепи?
Знание мощности, потребляемой цепью, позволяет лучше оценить срок службы батареи.
Электроника обычно питается от стационарного источника питания, батареи, солнечной батареи или комбинации этих методов. Независимо от того, как вы питаете цепь, вам нужно знать, сколько энергии она потребляет.
Мощность зависит от тока и напряжения. Поскольку напряжение в цепи является постоянным, ток является переменным фактором, когда речь идет об определении мощности. Когда вы включаете промышленный контроллер с импульсным блоком питания, который обеспечивает недостаточную мощность, вы обнаружите, что напряжение зажато. Поскольку источник питания не может обеспечить необходимый ток, схема не может функционировать должным образом.
Поэтому перед выбором блока питания важно определить, сколько энергии потребляет схема.
Тот же принцип применим и к цепям с солнечными батареями. Каждая солнечная панель производит номинальное количество тока, и важно найти правильный баланс для того, что нужно цепи.
Если не рассчитать энергопотребление для конструкции с батарейным питанием, это может привести к резкому сокращению времени работы. Конструкции с батарейным питанием должны быть энергоэффективными. Каждый мкА может повлиять на скорость разряда батареи. Если вы не будете осторожны с этим, вы можете увидеть, как батарея разряжается в течение нескольких минут.
Понимание уровней энергопотребления
Некоторые схемы могут проводить большую часть времени в спящем режиме, с периодическими пиками энергопотребления
Расчет энергопотребления важен, но не менее важным является понимание различных уровней мощности что схема может потреблять. В то время как аналоговые часы могут потреблять постоянную мощность, большая часть электроники этого не делает.
Схемы функционируют либо в режиме ожидания, либо в активном состоянии, либо в состоянии максимального энергопотребления.
Например, контроллер аварийной сигнализации будет оставаться в спящем режиме, где ток минимален, пока он не будет разбужен прерыванием. Затем он находится в активном состоянии, где потребляет больше энергии, считывая биометрические отпечатки пальцев и сравнивая их в своей базе данных. После проверки он запускает реле, активирует зуммер и связывается с центральным сервером. Эти одновременные действия приводят к максимальному энергопотреблению устройства.
При проектировании схемы важно предусмотреть ее использование. Оценка того, как часто устройство будет оставаться в активной стадии или стадии максимального энергопотребления, помогает определить мощность источника питания или срок службы батареи.
Как измерить потребляемую мощность цепи
Амперметр — самый быстрый способ облегчить измерение потребляемой мощности, но он весьма ограничен.
Измерить энергопотребление схемы довольно просто. Все сводится к уравнению P = IV. Напряжение, подаваемое на схему, вполне стабильно и подвержено незначительным изменениям в реальных приложениях. Что вам нужно сделать, так это измерить ток, протекающий в цепи, с помощью амперметра.
Используя амперметр, вы можете рассчитать энергопотребление конкретного экземпляра. Однако амперметры предоставляют ограниченную информацию, поскольку они не дают полной картины характеристик энергопотребления, таких как пиковая потребляемая мощность, рабочий цикл и продолжительность различных уровней энергопотребления.
Для проведения углубленного анализа вам потребуется обратиться к осциллографу и использовать токовый пробник для измерения тока, протекающего в цепи. Эти показания сохраняются и могут использоваться для дальнейшего анализа. Таким образом, вы получите более четкое представление о потреблении тока в цепи.
Теперь, когда вы научились измерять энергопотребление схемы, пришло время построить ее с помощью подходящего программного обеспечения для проектирования печатных плат.
OrCAD PCB Designer предоставляет все инструменты, необходимые для создания проекта с низким энергопотреблением.
Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Вы также можете посетить наш канал YouTube и посмотреть видеоролики о моделировании и системном анализе, а также ознакомиться с новинками нашего набора инструментов для проектирования и анализа.
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.
Подпишитесь на Linkedin Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions
OrCAD
Начать бесплатную пробную версию
Мощность | Физика
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Вычислять мощность путем вычисления изменений энергии во времени.
- Изучить энергопотребление и расчет стоимости потребляемой энергии.
Что такое сила?
Рис. 1. Эта мощная ракета космического корабля «Индевор» действительно работала и потребляла энергию с очень высокой скоростью. (кредит: НАСА)
Сила — это слово вызывает в воображении множество образов: профессиональный футболист, отбрасывающий мускулы в сторону своего соперника, драгстер, ревущий вдали от стартовой линии, вулкан, выбрасывающий свою лаву в атмосферу, или взлетающая ракета, как на рис. 1.
Эти образы мощности объединяет быстрое выполнение работы, что согласуется с научным определением мощности ( P ) как скорости выполнения работы.
Мощность
Мощность — это скорость выполнения работы.
[латекс]\displaystyle{P}=\frac{W}{t}\\[/latex]
Единицей мощности в системе СИ является ватт (Вт), где 1 ватт равен 1 джоулю в секунду ( 1 Вт=1 Дж/с).
Поскольку работа — это передача энергии, мощность — это также скорость, с которой расходуется энергия.
Например, лампочка мощностью 60 Вт расходует 60 Дж энергии в секунду. Большая сила означает большой объем работы или энергии, развиваемый за короткое время. Например, когда мощный автомобиль быстро разгоняется, он выполняет большой объем работы и потребляет большое количество топлива за короткое время.
Расчет мощности по энергии
Пример 1. Расчет мощности для подъема по лестнице
Какова выходная мощность женщины массой 60,0 кг, которая поднимается по лестнице высотой 3,00 м за 3,50 с, начиная с состояния покоя, но имея конечная скорость 2,00 м/с? (См. рис. 2.)
Рис. 2. Когда эта женщина бежит вверх по лестнице, начиная с отдыха, она преобразует химическую энергию, первоначально полученную от пищи, в кинетическую энергию и гравитационную потенциальную энергию. Ее выходная мощность зависит от того, насколько быстро она это делает. 92\right)\left(3.00\text{ m}\right)}{3.50\text{ s}}\\\text{ }&=&\frac{120\text{J}+1764\text{J} }{3.50\text{ s}}\\\text{ }&=&538\text{ W}\end{array}\\[/latex]
Обсуждение
Женщина совершает работу 1764 Дж, чтобы подняться лестница по сравнению с только 120 Дж, чтобы увеличить ее кинетическую энергию; таким образом, большая часть ее выходной мощности требуется для набора высоты, а не для ускорения.
Впечатляет, что полезная мощность этой женщины чуть меньше 1 лошадиных сил (1 л.с. = 746 Вт)! Люди могут генерировать больше лошадиной силы с помощью мышц ног за короткие промежутки времени, быстро превращая доступный уровень сахара и кислорода в кровь в производительность. (Лошадь может вырабатывать 1 л.с. в течение нескольких часов подряд.) Как только кислород истощается, выходная мощность снижается, и человек начинает быстро дышать, чтобы получить кислород для метаболизма большего количества пищи — это известно как аэробная стадия упражнений. Если бы женщина поднималась по лестнице медленно, то ее выходная мощность была бы намного меньше, хотя количество проделанной работы было бы таким же.
Установление связей: домашнее исследование — Измерьте свою мощность
Определите свою собственную мощность, измерив время, которое требуется вам, чтобы подняться по лестнице. Прирост кинетической энергии мы проигнорируем, так как приведенный выше пример показал, что это была небольшая часть прироста энергии.
Не ожидайте, что ваша мощность будет больше, чем примерно 0,5 л.с.
Примеры энергии
Рисунок 3. Огромное количество электроэнергии вырабатывается угольными электростанциями, такими как эта в Китае, но еще большее количество энергии идет на передачу тепла в окружающую среду. Большие градирни здесь необходимы для передачи тепла с такой же скоростью, с какой оно производится. Передача тепла характерна не только для угольных электростанций, но является неизбежным следствием производства электроэнергии из любого вида топлива — атомного, угля, нефти, природного газа и т.п. (кредит: Kleinolive, Wikimedia Commons)
Примеры силы ограничены только воображением, потому что их столько же, сколько форм работы и энергии. (Некоторые примеры см. в Таблице 1.) Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, несет максимальную мощность около 1,3 киловатта на квадратный метр (кВт/м 2 ). Крошечная часть этого сохраняется Землей в течение длительного времени. Наш уровень потребления ископаемых видов топлива намного превышает уровень их хранения, поэтому неизбежно, что они будут истощены.
Сила подразумевает, что энергия передается, возможно, изменяя форму. Невозможно полностью превратить одну форму в другую, не потеряв часть ее в виде тепловой энергии. Например, лампа накаливания мощностью 60 Вт преобразует в свет только 5 Вт электроэнергии, а 55 Вт рассеивается в тепловую энергию.
Кроме того, типичная электростанция преобразует в электричество только 35–40% своего топлива. Остаток становится огромным количеством тепловой энергии, которую необходимо рассеивать по мере теплопередачи так же быстро, как она создается. Угольная электростанция может производить 1000 мегаватт; 1 мегаватт (МВт) это 10 6 Вт электроэнергии. Но электростанция потребляет химическую энергию в размере около 2500 МВт, создавая теплопередачу в окружающую среду в размере 1500 МВт. (См. рис. 3.)
«>Электроэнергия и потребление энергии
Обычно нам приходится платить за энергию, которую мы используем.
Интересно и легко оценить стоимость энергии для электроприбора, если известны его мощность и время использования. Чем выше уровень энергопотребления и чем дольше используется прибор, тем выше его стоимость. Мощность потребления составляет [латекс]P=\frac{W}{t}=\frac{E}{t}\\[/latex], где E — энергия, поставляемая электроэнергетической компанией. Таким образом, энергия, потребляемая за время t , равна
E = Pt.
В счетах за электроэнергию указывается потребленная энергия в единицах киловатт-часов (кВт⋅ч) , , что является произведением мощности в киловаттах и времени в часах. Эта единица удобна тем, что типичным является потребление электроэнергии на уровне киловатт в течение нескольких часов.
Пример 2. Расчет стоимости энергии
Какова стоимость работы компьютера мощностью 0,200 кВт в течение 6,00 часов в день в течение 30,0 дней, если стоимость электроэнергии составляет 0,120 долл. США за кВт⋅ч?
Стратегия
Стоимость основана на потребляемой энергии; таким образом, мы должны найти E из E = Pt и затем рассчитать стоимость.
Поскольку электрическая энергия выражается в кВт⋅ч, в начале такой задачи удобно преобразовать единицы измерения в кВт и часы.
Решение
Потребляемая энергия в кВт⋅ч равна
[латекс]\begin{array}{lll}E&=&Pt=(0,200\текст{кВт})(6,00\текст{ч/д})(30,0\текст{д})\\\текст{}& =&36.0\text{ кВт}\cdot\text{h}\end{array}\\[/latex]
, а стоимость просто определяется как
cost = (36,0 кВт ⋅ ч) (0,120 долл. США за кВт). ⋅ ч) = 4,32 доллара США в месяц.
Обсуждение
Стоимость использования компьютера в этом примере не является ни чрезмерной, ни незначительной. Понятно, что цена — это сочетание мощности и времени. Когда оба высоки, например, для кондиционера летом, стоимость высока.
Стремление экономить энергию становится все более убедительным в связи с ее постоянно растущей ценой. Вооружившись знанием того, что потребляемая энергия является произведением мощности и времени, вы можете самостоятельно оценить затраты и сделать необходимые суждения о том, где можно сэкономить энергию.
Либо мощность, либо время должны быть уменьшены. Наиболее рентабельно ограничить использование мощных устройств, которые обычно работают в течение длительного периода времени, таких как водонагреватели и кондиционеры. Сюда не входят относительно мощные устройства, такие как тостеры, потому что они включаются всего на несколько минут в день. Это также не будет включать электрические часы, несмотря на то, что они используются 24 часа в сутки, потому что они являются очень маломощными устройствами. Иногда можно использовать устройства с большей эффективностью, то есть устройства, потребляющие меньше энергии для выполнения той же задачи. Одним из примеров является компактная люминесцентная лампа, которая производит в четыре раза больше света на ватт потребляемой мощности, чем ее родственница накаливания.
Современная цивилизация зависит от энергии, но текущий уровень потребления и производства энергии не является устойчивым. Вероятность связи между глобальным потеплением и использованием ископаемого топлива (с сопутствующим образованием двуокиси углерода) сделала сокращение использования энергии, а также переход на неископаемые виды топлива крайне важными.
Несмотря на то, что энергия в изолированной системе является сохраняемой величиной, конечным результатом большинства преобразований энергии является передача отработанного тепла в окружающую среду, которое больше не используется для выполнения работы. Как мы более подробно обсудим в термодинамике, способность энергии производить полезную работу была «ухудшена» при преобразовании энергии.
Резюме раздела
- Мощность — это скорость выполнения работы или в виде уравнения для средней мощности P для работы Вт за время t , [latex]P=\frac{ W}{т}\\[/латекс]
- Единицей мощности в системе СИ является ватт (Вт), где [латекс]1\текст{Вт}=1\фракция{\текст{Дж}}{\текст{с}}\\[/латекс].
- Мощность многих устройств, таких как электродвигатели, также часто выражается в лошадиных силах (л.с.), где 1 л.с. = 746 Вт.
Концептуальные вопросы
- Мощность большинства электроприборов измеряется в ваттах. Зависит ли этот рейтинг от того, как долго прибор включен? (В выключенном состоянии это устройство с нулевой мощностью. ) Объясните с точки зрения определения мощности.
- Объясните с точки зрения определения мощности, почему потребление энергии иногда указывается в киловатт-часах, а не в джоулях. Какова связь между этими двумя энергетическими единицами?
- Искра статического электричества, которую можно получить от дверной ручки в холодный сухой день, может нести мощность в несколько сотен ватт. Объясните, почему вы не ранены такой искрой.
) Объясните с точки зрения определения мощности.Задачи и упражнения
- Пульсар Крабовидная туманность (см. рис. 4) является остатком сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году нашей эры. Используя данные из таблицы 1, вычислите приблизительный коэффициент, на который уменьшилась выходная мощность этого астрономического объекта. с момента его взрыва.
Рис. 4. Крабовидная туманность (кредит: ESO, Wikimedia Commons)
- Предположим, что звезда в 1000 раз ярче нашего Солнца (то есть излучающая в 1000 раз больше энергии) внезапно становится сверхновой. Используя данные таблицы 1: а) во сколько раз увеличивается его выходная мощность? (б) Во сколько раз ярче всей нашей галактики Млечный Путь сверхновая? (c) На основе ваших ответов обсудите, можно ли наблюдать сверхновые звезды в далеких галактиках. Обратите внимание, что существует порядка 10 11 наблюдаемые галактики, средняя яркость которых несколько меньше, чем у нашей галактики.
- Человек в хорошей физической форме может выдавать 100 Вт полезной мощности в течение нескольких часов подряд, например, крутя педали механизма, приводящего в действие электрогенератор. Пренебрегая любыми проблемами эффективности генератора и практическими соображениями, такими как время отдыха: (a) Сколько людей потребуется, чтобы запустить электрическую сушилку для белья мощностью 4,00 кВт? б) Сколько человек потребуется, чтобы заменить крупную электростанцию мощностью 800 МВт?
- Какова стоимость эксплуатации электрических часов мощностью 3,00 Вт в течение года, если стоимость электроэнергии составляет 0,0900 долл. США за кВт·ч?
- Большой бытовой кондиционер может потреблять 15,0 кВт электроэнергии. Какова стоимость эксплуатации этого кондиционера 3,00 часа в день в течение 30,0 дней, если стоимость электроэнергии составляет 0,110 доллара США за кВт·ч?
- (a) Какова средняя потребляемая мощность в ваттах прибора, потребляющего 5,00 кВт·ч энергии в день? б) Сколько джоулей энергии потребляет этот прибор в год?
- (a) Какова средняя полезная выходная мощность человека, который выполняет 6,00 × 10 6 Дж полезной работы за 8,00 ч? б) За какое время при такой скорости этот человек поднимет 2000 кг кирпичей на высоту 1,50 м? (Работа, проделанная для подъема его тела, может быть опущена, потому что здесь она не считается полезным результатом. )
- Дрэгстер массой 500 кг разгоняется из состояния покоя до конечной скорости 110 м/с на расстоянии 400 м (около четверти мили) и сталкивается со средней силой трения 1200 Н. Какова его средняя выходная мощность в ваттах и лошадиных силах, если это занимает 7,30 с?
- (a) За какое время автомобиль массой 850 кг с полезной выходной мощностью 40,0 л.с. (1 л.с. = 746 Вт) разовьет скорость 15,0 м/с без учета трения? б) Сколько времени займет это ускорение, если при этом автомобиль поднимется на холм высотой 3,00 м?
- (a) Найдите полезную мощность двигателя лифта, который поднимает груз массой 2500 кг на высоту 35,0 м за 12,0 с, если он также увеличивает скорость из состояния покоя до 4,00 м/с. Обратите внимание, что общая масса уравновешенной системы составляет 10 000 кг, так что в высоту поднимается только 2 500 кг, но ускоряются полные 10 000 кг. (b) Сколько это стоит, если электричество стоит 0,09 доллара?00 за кВт·ч?
- (a) Каково доступное содержание энергии в джоулях батареи, которая питает электрические часы мощностью 2,00 Вт в течение 18 месяцев? (b) Как долго батарея, которая может обеспечивать 8,00 × 10 4 Дж, может работать с карманным калькулятором, который потребляет энергию со скоростью 1,00 × 10 −3 Вт?
- (a) За какое время самолет массой 1,50 × 10 5 кг с двигателями мощностью 100 МВт достигнет скорости 250 м/с и высоты 12,0 км, если сопротивлением воздуха можно пренебречь? (b) Если на самом деле требуется 900 с, какая мощность? в) Какова средняя сила сопротивления воздуха при этой мощности, если самолету потребуется 1200 с? (Подсказка: вы должны найти расстояние, которое самолет проходит за 1200 с при постоянном ускорении. )
- Рассчитайте выходную мощность, необходимую для того, чтобы автомобиль массой 950 кг поднялся по склону 2,00º с постоянной скоростью 30,0 м/с, столкнувшись с сопротивлением ветра и трением в сумме 600 Н. Подробно покажите, как вы следуете шагам, описанным в разделе «Стратегии решения проблем для энергетики». .
- (a) Рассчитайте мощность на квадратный метр, достигающую верхних слоев атмосферы Земли от Солнца. (Примем выходную мощность Солнца равной 4,00 × 10 26 W.)[/latex] (b) Часть его поглощается и отражается атмосферой, так что максимум 1,30 кВт/м 2 достигает поверхности Земли. Рассчитайте площадь в км 2 коллекторов солнечной энергии, необходимых для замены электростанции, вырабатывающей 750 МВт, если коллекторы преобразуют в электричество в среднем 2,00% максимальной мощности. (Эта небольшая эффективность преобразования обусловлена самими устройствами, а также тем фактом, что солнце находится прямо над головой лишь ненадолго. ) При тех же предположениях какая площадь потребуется для удовлетворения энергетических потребностей США (1,05 × 10 20 Дж)? Энергетические потребности Австралии (5,4 × 10 18 Дж)? Энергетические потребности Китая (6,3 × 10 19 Дж)? (Эти значения энергопотребления относятся к 2006 г.)
Обратите внимание, что существует порядка 10 11 наблюдаемые галактики, средняя яркость которых несколько меньше, чем у нашей галактики.
)
)
) При тех же предположениях какая площадь потребуется для удовлетворения энергетических потребностей США (1,05 × 10 20 Дж)? Энергетические потребности Австралии (5,4 × 10 18 Дж)? Энергетические потребности Китая (6,3 × 10 19 Дж)? (Эти значения энергопотребления относятся к 2006 г.)Глоссарий
мощность: скорость, с которой совершается работа {\text{s}}\\[/latex]
лошадиных сил: старая единица мощности, не входящая в систему СИ, с 1 л.с. = 746 Вт
киловатт-час: кВт · ч единица, используемая в основном для электроэнергии, поставляемой электроэнергетическими компаниями
Избранные решения задач и упражнения
1. 2 × 10 −10
3. (a) 40; (б) 8 миллионов
5. 149 долларов
7. (а) 208 Вт; (б) 141 с
9. (а) 3,20 с; (б) 4,04 с
11. (а) 9,46 × 10 7 Дж; (б) 2,54 y
13. Определите известные: m = 950 кг, угол наклона θ = 2,00º, v = 3,00 м/с, f = 600 Н
Определить неизвестные: мощность P автомобиля, сила F , приложенная автомобилем к дороге
Решите для неизвестных: [latex]P=\frac{W}{t}=\frac {Fd}{t}=F\left(\frac{d}{t}\right)=Fv\\[/latex], где F параллелен наклону и должен противодействовать силам сопротивления и силе гравитация: [латекс]F=f+w=600\text{ N}+mg\sin\theta\\[/latex].