Kuinka mitata sähköenergiaa: Yleiskatsaus

Mikä on sähköenergia?

Sähkö energia määritellään sähköisen tehon ja ajan tulona, ja se mitataan jouleina (J). Yksi joule sähköenergiasta on yhtä suuri kuin yhden wattin teho kulutettuna yhden sekunnin ajan. Matemaattisesti voimme kirjoittaa:

E=P×t

missä,

• E on sähköenergia jouleina (J)

• P on sähköinen teho wattina (W)

• t on aika sekunneissa (s)

Sähköenergia ja sähköinen teho ovat tiiviisti toisiinsa liittyviä käsitteitä. Sähköinen teho on määrä sähkövirtaa, joka virtaa piirin kautta tietyllä jännitteellä sen yli. Sähköinen teho on myös nopeus, jolla sähköenergia toimitetaan tai kulutetaan laitteessa tai järjestelmässä. Sähköinen teho mitataan wattiina (W), jotka ovat yhtä suuria kuin jouleja sekunnissa (J/s). Matemaattisesti voimme kirjoittaa:

P=V×I

missä,

• P on sähköinen teho wattiina (W)

• V on jännite voltteina (V)

• I on sähkövirta ampeareina (A)

Sähköenergian mitattakseen meidän täytyy tietää sekä sähköinen teho että aika, jonka ajan se on sovellettuna tai kulutettuna. Esimerkiksi, jos 100 W valo on päällä 10 minuuttia, sähköenergia, jota se kuluttaa, on:

E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J

Sähköenergian yksiköt

Joule on standardi energian yksikkö Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI), mutta se on liian pieni käytännön tarkoituksiin, kun käsitellään suuria määriä sähköenergiaa. Siksi muita yksiköitä käytetään usein sähköenergian mitatessa, kuten wattitunti (Wh), kilowattitunti (kWh), megawattitunti (MWh) ja gigawattitunti (GWh). Nämä yksiköt johtuvat yhdistämällä tehoyksikkö (watt) ja aika (tunti).

• Wattitunti (Wh) on määrä sähköenergiaa, jota laite tai järjestelmä kuluttaa yhden watin teholla yhden tunnin ajan. Se näyttää, kuinka nopeasti tehoa kulutetaan ajan kuluessa. Yksi wattitunti on yhtä suuri kuin 3,600 joule. Esimerkiksi 15 W LED-valo kuluttaa 15 Wh sähköenergiaa yhden tunnin ajan.

• Kilowattitunti (kWh) on suurempi yksikkö sähköenergiasta, jota käytetään usein kotitaloustarvikkeiden ja sähkömaksujen mittaamiseen. Yksi kilowattitunti on yhtä suuri kuin 1,000 wattituntia tai 3.6 megajoule. Esimerkiksi jääkaappi, joka kuluttaa 300 W:tä, kuluttaa 300 Wh tai 0.3 kWh sähköenergiaa yhden tunnin ajan.

• Megawattitunti (MWh) on yksikkö sähköenergiasta, jota käytetään yleensä suurten voimaloiden tai verkkojen tuotannon tai kulutuksen mittaamiseen. Yksi megawattitunti on yhtä suuri kuin 1,000 kilowattituntia tai 3.6 gigajoule. Esimerkiksi hiilellä toimiva voimalaitos, jolla on kapasiteetti 600 MW, tuottaa 600 MWh sähköenergiaa yhden tunnin ajan.

• Gigawattitunti (GWh) on yksikkö sähköenergiasta, jota käytetään hyvin suurien määrien sähköntuotannon tai -kulutuksen mittaamiseen pitkässä ajassa. Yksi gigawattitunti on yhtä suuri kuin 1,000 megawattituntia tai 3.6 terajoule. Esimerkiksi Yhdysvaltojen kokonaiskulutus vuonna 2019 oli noin 3,800 TWh tai 3.8 miljoonaa GWh.

Seuraava taulukko yhteenvetoi sähköenergian yksiköitä ja niiden muuntamista:

Miten sähköenergia mitataan mittarilla

Sähköenergian mittaamiseksi tarvitsemme laitteen, joka pystyy tallentamaan sähköisen tehdon ja ajan, jonka ajan se on sovellettuna tai kulutettuna. Tällainen laite on nimeltään  sähköenergiamittari tai yksinkertaisesti  energiamittari. Energiamittari on laite, joka mitataa sähköenergian määrän, jota asunto, yritys tai sähkövoimalla toimiva laite kuluttaa. Se mitataa kokonaistehoa aikavälillä ja kalibrointiin käytetään laskutusyksiköitä, joista yleisin on kilowattitunti (kWh). Energiamittareita käytetään kotitalous- ja teollisuuden vuaihepiireissä tehonkulutuksen mittaamiseen.

On olemassa erilaisia energiamittareita, riippuen teknologiasta, suunnittelusta ja sovelluksesta. Joitakin yleisiä tyyppejä ovat:

• Elektromekaaniset mittarit: Nämä ovat perinteisiä mittareita, jotka käyttävät pyöreää metallilevyä ja sähkömagneetta sähköisen tehdon mitaamiseen ja sen tallentamiseen sarjan dialeille tai mekaaniselle laskurille. Niitä kutsutaan myös induktiomittareiksi tai Ferraris-mittareiksi. Ne ovat yksinkertaisia, kestäviä ja tarkkoja, mutta niillä on joitakin haittapuolia, kuten mekaaninen kuluminen ja rappeutuminen, alttiisuus petokselle ja magneettiselle häiriölle, sekä kyky mittaamiseen reaktiivista tehoa tai tehonlaatua.

• Sähköiset mittarit: Nämä ovat modernia mittareita, jotka käyttävät sähköisiä piirejä ja antureita sähköisen tehdon mitaamiseen ja sen näyttämiseen digitaalisella näytöllä tai sen lähettämiseen etäjärjestelmälle. Niitä kutsutaan myös kiinteätilamittareiksi tai digitaalimittareiksi. Niillä on monia etuja elektromekaanisia mittareita vastaan, kuten korkeampi tarkkuus, alhaisempi huolto, etäluettavuus ja viestintä, useat hinnoitteluvaihtoehdot, ja edistyneet ominaisuudet, kuten kysyntävastaus, kuormitusprofiili ja tehonlaatuanalyysi.

• Älymittarit: Nämä ovat edistyneitä mittareita, jotka käyttävät digitaalista teknologiaa ja langaton kommunikaatio sähköisen tehdon mitaamiseen ja sen lähettämiseen keskitettyyn järjestelmään