چگونه انرژی الکتریکی را اندازه بگیرید: یک راهنمای جامع

انرژی الکتریکی چیست؟

انرژی الکتریکی به عنوان حاصل ضرب توان الکتریکی و زمان تعریف می‌شود و به جول (J) اندازه‌گیری می‌شود. یک جول انرژی الکتریکی برابر است با مصرف یک وات توان در یک ثانیه. به صورت ریاضی می‌توان نوشت:

E=P×t

که در آن،

• E انرژی الکتریکی در جول (J)

• P توان الکتریکی در وات (W)

• t زمان در ثانیه (s)

انرژی و توان الکتریکی مفاهیم نزدیک به هم هستند. توان الکتریکی مقدار جریان الکتریکی است که به دلیل یک اختلاف ولتاژ خاص در مدار جریان می‌یابد. توان الکتریکی همچنین نرخی است که انرژی الکتریکی توسط یک دستگاه یا سیستم تحویل یا مصرف می‌شود. توان الکتریکی به وات (W) اندازه‌گیری می‌شود که معادل جول در ثانیه (J/s) است. به صورت ریاضی می‌توان نوشت:

P=V×I

که در آن،

• P توان الکتریکی در وات (W)

• V اختلاف ولتاژ در ولت (V)

• I جریان الکتریکی در آمپر (A)

برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی، باید هم توان الکتریکی و هم مدت زمانی که آن توان اعمال یا مصرف می‌شود را بدانیم. به عنوان مثال، اگر یک چراغ 100 واتی برای 10 دقیقه روشن باشد، انرژی الکتریکی مصرف شده توسط آن عبارت است از:

E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J

واحدهای انرژی الکتریکی

جول واحد استاندارد انرژی در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) است، اما برای مقاصد عملی وقتی با مقدار زیادی از انرژی الکتریکی سروکار داریم، خیلی کوچک است. بنابراین، واحدهای دیگری معمولاً برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی استفاده می‌شود، مانند وات‌ساعت (Wh)، کیلووات‌ساعت (kWh)، مگاوات‌ساعت (MWh) و گیگاوات‌ساعت (GWh). این واحدها از ضرب واحد توان (وات) در واحد زمان (ساعت) بدست می‌آیند.

• وات‌ساعت (Wh) مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده توسط یک دستگاه یا سیستم که یک وات توان می‌کشد برای یک ساعت است. این نشان می‌دهد که چقدر سریع توان در طول زمان مصرف می‌شود. یک وات‌ساعت معادل 3,600 جول است. به عنوان مثال، یک چراغ LED 15 واتی 15 Wh انرژی الکتریکی در یک ساعت مصرف می‌کند.

• کیلووات‌ساعت (kWh) یک واحد بزرگتر از انرژی الکتریکی است که معمولاً برای ابزارهای خانگی و قبض‌های برق استفاده می‌شود. یک کیلووات‌ساعت برابر با 1,000 وات‌ساعت یا 3.6 مگا جول است. به عنوان مثال، یک یخچال که 300 وات توان می‌کشد، 300 Wh یا 0.3 kWh انرژی الکتریکی در یک ساعت مصرف می‌کند.

• مگاوات‌ساعت (MWh) یک واحد از انرژی الکتریکی است که معمولاً برای اندازه‌گیری خروجی یا مصرف انرژی نیروگاه‌ها یا شبکه‌های بزرگ استفاده می‌شود. یک مگاوات‌ساعت برابر با 1,000 کیلووات‌ساعت یا 3.6 گیگا جول است. به عنوان مثال، یک نیروگاه سوخت‌فشرده که ظرفیت 600 MW دارد، 600 MWh انرژی الکتریکی در یک ساعت تولید می‌کند.

• گیگاوات‌ساعت (GWh) یک واحد از انرژی الکتریکی است که برای اندازه‌گیری مقدار زیادی از تولید یا مصرف برق در مدت زمان طولانی استفاده می‌شود. یک گیگاوات‌ساعت برابر با 1,000 مگاوات‌ساعت یا 3.6 ترا جول است. به عنوان مثال، مجموع مصرف برق ایالات متحده در سال 2019 حدود 3,800 TWh یا 3.8 میلیون GWh بود.

جدول زیر واحدهای انرژی الکتریکی و تبدیل آنها را خلاصه می‌کند:

چگونه انرژی الکتریکی را با یک متر اندازه‌گیری کنیم

برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی، به دستگاهی نیاز داریم که بتواند توان الکتریکی و مدت زمانی که آن توان اعمال یا مصرف می‌شود را ثبت کند. چنین دستگاهی به نام متر انرژی الکتریکی یا به طور خلاصه متر انرژی شناخته می‌شود. متر انرژی دستگاهی است که مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده توسط یک محل زندگی، یک کسب و کار یا یک دستگاه الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند. این متر مقدار کل توان مصرفی در یک بازه زمانی را اندازه‌گیری می‌کند و به واحد‌های پرداختی کالیبره شده است، که مشهورترین آن کیلووات‌ساعت (kWh) است. مترهای انرژی در مدارهای AC خانگی و صنعتی برای اندازه‌گیری مصرف توان استفاده می‌شوند.

انواع مختلفی از مترهای انرژی وجود دارد که به تکنولوژی، طراحی و کاربرد آنها بستگی دارد. برخی از انواع رایج عبارتند از:

• مترهای الکترومکانیکی: این مترهای سنتی هستند که از یک دیسک فلزی چرخان و یک الکترومغناطیس برای اندازه‌گیری توان الکتریکی و ثبت آن در یک سری دایره‌ها یا یک شمارنده مکانیکی استفاده می‌کنند. آنها همچنین به عنوان مترهای القایی یا مترهای فراری شناخته می‌شوند. آنها ساده، قوی و دقیق هستند، اما دارای برخی از نقص‌ها هستند، مانند سایش مکانیکی، آسیب‌پذیری در مقابل تحریک و مداخله مغناطیسی و عدم توانایی اندازه‌گیری توان واکنشی یا کیفیت توان.

• مترهای الکترونیکی: این مترهای مدرن هستند که از مدارهای الکترونیکی و سنسورها برای اندازه‌گیری توان الکتریکی و نمایش آن روی یک صفحه نمایش دیجیتال یا ارسال آن به یک سیستم دوردست استفاده می‌کنند. آنها همچنین به عنوان مترهای جامد یا مترهای دیجیتال شناخته می‌شوند. آنها دارای مزایای زیادی نسبت به مترهای الکترومکانیکی هستند، مانند دقت بالاتر، نگهداری کمتر، خواندن و ارتباط از راه دور، گزینه‌های تعرفه متعدد و ویژگی‌های پیشرفته مانند پاسخ تقاضا، پروفایل‌سازی بار و تجزیه و تحلیل کیفیت توان.

• مترهای هو