איך למדוד אנרגיה חשמלית: מדריך מקיף

מהי אנרגיה חשמלית?

אנרגיה חשמלית מוגדרת כמכפלת כוח חשמלי בזמן, והיא נמדדת בז'ול (J). ז'ול אחד של אנרגיה חשמלית שווה לוואט אחד של כוח שהופך לשנייה אחת. מתמטית, ניתן לכתוב:

E=P×t

כאשר,

• E היא האנרגיה החשמלית בז'ולים (J)

• P הוא הכוח החשמלי בוואטים (W)

• t הוא הזמן בשניות (s)

אנרגיה חשמלית וכוח חשמלי הם מושגים קשורים. כוח חשמלי הוא כמות הזרם החשמלי שזורם דרך מעגל בשל הפרש מתח מסוים עליו. כוח חשמלי הוא גם קצב ההעברה או הצריכה של אנרגיה חשמלית על ידי מכשיר או מערכת. כוח חשמלי נמדד בוואטים (W), שהם שקולים לז'ולים לשניה (J/s). מתמטית, ניתן לכתוב:

P=V×I

כאשר,

• P הוא הכוח החשמלי בוואטים (W)

• V הוא הפרש המתח בוולט (V)

• I הוא הזרם החשמלי באמפר (A)

כדי למדוד אנרגיה חשמלית, יש לדעת את הכוח החשמלי ואת משך הזמן שבו הוא מופעל או נצרך. למשל, אם מנורה של 100 וואט דלוקה במשך 10 דקות, אז האנרגיה החשמלית שנצרכת על ידה היא:

E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J

יחידות אנרגיה חשמלית

ז'ול הוא היחידה הסטנדרטית לאנרגיה במערכת היחידות הבינלאומית (SI), אך היא קטנה מדי למטרות מעשיות כאשר מתייחסים לכמויות גדולות של אנרגיה חשמלית. לכן, משתמשים ביחידות אחרות למדידת אנרגיה חשמלית, כגון ואט-שעה (Wh), קילוואט-שעה (kWh), מגוואט-שעה (MWh) וגיגוואט-שעה (GWh). היחידות הללו נגזרות ממכפלת יחידת הכוח (וואט) ביחידת הזמן (שעה).

• וואט-שעה (Wh) הוא כמות האנרגיה החשמלית שנצרכת על ידי מכשיר או מערכת שמשכה ואט אחד של כוח שעתיים אחת. זה מראה כמה מהיר הכוח נצרכת לאורך זמן. ואט-שעה אחד שווה ל-3,600 ז'ולים. למשל, מנורה LED של 15 וואט צורכת 15 Wh של אנרגיה חשמלית בשעה אחת.

• קילוואט-שעה (kWh) הוא יחידה גדולה יותר של אנרגיה חשמלית הנמצאת בשימוש נפוץ עבור מכשירי בית וחשבונות חשמל. קילוואט-שעה אחד שווה ל-1,000 ואט-שעה או 3.6 מגאז'ולים. למשל, מקרר שמשוך 300 וואט של כוח צורך 300 Wh או 0.3 kWh של אנרגיה חשמלית בשעה אחת.

• מגוואט-שעה (MWh) הוא יחידה של אנרגיה חשמלית המשמשת בדרך כלל למדידת הפקת או צריכת אנרגיה של תחנות כוח גדולות או רשתות. מגוואט-שעה אחד שווה ל-1,000 קילוואט-שעה או 3.6 גיגה-ז'ולים. למשל, תחנת כוח פחם שקיבולת שלה היא 600 MW מייצרת 600 MWh של אנרגיה חשמלית בשעה אחת.

• גיגוואט-שעה (GWh) הוא יחידה של אנרגיה חשמלית המשמשת למדידת כמויות גדולות מאוד של ייצור או צריכה של חשמל לאורך תקופות זמן ארוכות. גיגוואט-שעה אחד שווה ל-1,000 מגוואט-שעה או 3.6 טרה-ז'ולים. למשל, צריכת החשמל הכוללת של ארצות הברית בשנת 2019 הייתה בערך 3,800 TWh או 3.8 מיליון GWh.

הטבלה הבאה מסכמת את היחידות של אנרגיה חשמלית והמרתן:

איך למדוד אנרגיה חשמלית עם מדIDA-Business

כדי למדוד אנרגיה חשמלית, אנו צריכים מכשיר שיכול לתעד את הכוח החשמלי ואת משך הזמן שבו הוא מופעל או נצרך. מכשיר כזה נקרא  מד אנרגיה חשמלית או פשוט  מד אנרגיה. מד אנרגיה הוא מכשיר המדד את כמות האנרגיה החשמלית שנצרכת על ידי מגורים, עסק או מכשיר מונע בחשמל. הוא מדד את סך הכוח שנצרך לאורך פרק זמן ומתקליבר ביחידות חישוב, הנפוצה בהן היא קילוואט-שעה (kWh). מד אנרגיה משמשים במעגלים חשמליים ביתיים ובתעשייתיים למדידת צריכת כוח.

ישנם סוגים שונים של מד אנרגיה, בהתאם לטכנולוגיה, לעיצוב ולwendung. חלק מהסוגים הנפוצים הם:

• מדדים אלקטרומכניים: אלו הם המדדים המסורתיים שמשתמשים בדיסק מתכת סובב ומגנט אלקטרומגנטי כדי למדוד את הכוח החשמלי ולהקליט אותו על סדרה של מחוונים או מונה מכני. הם ידועים גם כמדדי אינדוקציה או מדדי פרארי. הם פשוטים, חזקים ומדוייקים, אך יש להם כמה חסרונות, כגון שחיקה מכנית, רגישות לריגול והתערבות מגנטית, ולא יכולתם למדוד כוח ריאקטיבי או איכות כוח.

• מדדים אלקטרוניים: אלו הם המדדים המודרניים שמשתמשים במעגלים אלקטרוניים וחיישנים כדי למדוד את הכוח החשמלי ולהציג אותו על מסך דיגיטלי או לשלוח אותו למערכת מרוחקת. הם ידועים גם כמדדי מצב מוצק או מדדי דיגיטליים. להם הרבה יתרונות על מדדים אלקטרומכניים, כגון דיוק גבוה יותר, תחזוקה נמוכה, קריאה מרוחקת ושיחה, אפשרויות טריף מרובות, ותכונות מתקדמות כמו תגובה לדרישה, פרופיל הטעינה, וניתוח איכות כוח.

• מדדים חכמים: אלו הם מדדים מתקדמים שמשתמשים בטכנולוגיה דיגיטלית ותקשורת אלחוטית כדי למדוד את הכוח החשמלי ולהעביר אותו למערכת מרכזית או לרשת חשמל חכמה. הם ידועים גם כrastructure מתקדמת למדידת אנרגיה (AMI) או מערכות מדידת מתקדמות (IMS). להם הרבה יתרונות על מדדים אלקטרוניים, כגון איסוף וניתוח נתונים בזמן אמת, מחירים וחשבונות דינמיים, גילוי ותיקון תקלות, ניהול הצד הדemand, ומשתתפות לקוחות.

העקרון הבסיסי של מדידת אנרגיה חשמלית עם מד הוא להכפיל את הכוח החשמלי במשך הזמן שבו הוא מופעל או נצרך. עם זאת, בהתאם לסוג המד וסוג העומס, ישנם דרכים שונות לחישוב הכוח החשמלי. חלק מהשיטות הנפוצות הן:

• מדדים חד-פאזיים: אלו הם המדדים שמדדו את הכוח החשמלי במעגלים חשמליים חד-פאזיים, שיש להם חוט חי אחד וחוט ניטרלי אחד. הדרך הפשוטה ביותר לחישוב הכוח החשמלי במעגל חד-פאזי היא להכפיל את המתח בזרם. עם זאת, אם העומס אינו רק 저ומי, אז יש הפרש פאזה בין המתח לזרם, שמחזיר את הכוח השיעורי שהועבר לעומס. הכוח השיעורי הזה נקרא כוח אמיתי או כוח פעיל, והוא מחושב על ידי הכפלת המתח בזרם על ידי  גורם הכוח (קוסינוס הזוית). הכוח הנראה או הכוח הכולל מחושב על ידי הכפלת המתח בזרם ללא התחשבות בגורם הכוח. ההבדל בין הכוח הנראה לכוח האמיתי נקרא כוח ריאקטיבי או כוח בלתי פעיל, שמתבזז בלהט מערכות המעגל. היחס בין הכוח האמיתי לכוח הנראה נקרא גורם הכוח, שמציין כמה יעיל העומס משתמש באנרגיה חשמלית.

  

• מדדים שלושה-פאזיים: אלו הם המדדים שמדדו את הכוח החשמלי במעגלים חשמליים שלושה-פאזיים, שיש להם שלושה