33. Досліджуємо перетворення і використання електричної енергії - Засєкіна

• Назад до змісту

Думай

1. Назви типи електростанцій. Які з них не завдають значної шкоди довкіллю?

Існують такі основні типи електростанцій: теплові (ТЕС), атомні (АЕС), гідравлічні (ГЕС), вітрові (ВЕС) та сонячні (СЕС). До тих, що не завдають значної шкоди довкіллю (не викидають шкідливих газів), належать джерела відновлюваної енергії: вітрові (ВЕС), сонячні (СЕС) та гідравлічні (ГЕС) електростанції.

2. Опиши перетворення енергії, які відбуваються для отримання електричної енергії на тепловій електростанції.

На тепловій електростанції (ТЕС) відбуваються послідовні перетворення енергії: спочатку хімічна енергія палива перетворюється на теплову енергію пари, потім теплова енергія переходить у механічну енергію обертання турбіни, і врешті механічна енергія перетворюється на електричну енергію.

3. Чим ТЕС відрізняється від ТЕЦ?

Теплоелектростанція (ТЕС) виробляє виключно електричну енергію. Теплоелектроцентраль (ТЕЦ) — це різновид ТЕС, яка, окрім генерації електроенергії, також подає гарячу воду в центральну систему опалення та для побутових потреб. Тобто ТЕЦ дає і світло, і тепло.

4. Що означає клас енергоспоживання? Чому важливо використання енергозбережувальних технологій?

Клас енергоспоживання (енергоефективності) — це позначення на приладі, яке вказує на ефективність використання ним енергії: від класу D (найнижча ефективність) до класу А+++ (найвища ефективність). Використання енергозбережувальних технологій важливе, тому що це дозволяє заощаджувати сімейний бюджет та позитивно впливає на економіку країни й екологію планети, зменшуючи викиди шкідливих газів в атмосферу.

Дій

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Скажи, чи є у цей момент у твоєму будинку прилади, які перебувають в режимі очікування — увімкнені в електричну мережу, але не використовуються. Обчисли, скільки електроенергії споживають такі прилади в режимі очікування упродовж місяця.

Так, у будинку зазвичай є багато таких приладів: телевізор, комп’ютер, мікрохвильовка, зарядні пристрої тощо. Розрахуємо їхнє споживання за місяць, якщо сумарна потужність усіх перелічених приладів у режимі очікування становить $P = 10{,}1\text{ Вт}$.

Загальна енергія за місяць:

$W = 10{,}1\text{ Вт} \cdot 15\text{ год} \cdot 30\text{ діб} = 4545\text{ Вт} \cdot \text{год} = 4{,}545\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Вартість цієї енергії:

$Вартість = 4{,}545 \cdot 4{,}32 \approx 19{,}63\text{ грн}$

Відповідь: такі прилади споживають близько 4,5 кВт$\cdot$год на місяць, що коштує приблизно 20 гривень.

2. В електричній лампі за напруги 220 В іде струм силою 0,5 А. Визнач, скільки енергії втрачається за час твого перебування у школі, а лампу при цьому ти забув/забула вимкнути. Скільки коштує така «забудькуватість»?

Дано:

• $U = 220\text{ В}$
• $I = 0{,}5\text{ А}$
• $t = 6\text{ год}$ (середній час перебування у школі)
• $Тариф = 4{,}32\text{ грн}/(\text{кВт} \cdot \text{год})$

Знайти:

• $A - ?$
• $Вартість - ?$

Розв’язання:

Спочатку знайдемо потужність лампи:

$P = U \cdot I$

$P = 220 \cdot 0{,}5 = 110\text{ Вт} = 0{,}11\text{ кВт}$

Обчислимо спожиту енергію:

$A = P \cdot t$

$A = 0{,}11 \cdot 6 = 0{,}66\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Обчислимо вартість:

$Вартість = A \cdot Тариф$

$Вартість = 0{,}66 \cdot 4{,}32 \approx 2{,}85\text{ грн}$

Відповідь: втрачається 0,66 кВт$\cdot$год енергії, це коштує 2,85 грн.

3. Порівняй ефективність освітлення кімнати лампою розжарювання потужністю 100 Вт та світлодіодною лампою потужністю 9 Вт за один і той самий проміжок часу. Скільки електроенергії можна зекономити вдома протягом місяця, якщо замінити лампу розжарювання світлодіодною?

Світлодіодна лампа набагато ефективніша. При тій самій яскравості освітлення вона споживає в 11 разів менше енергії, ніж лампа розжарювання.

Розрахуємо економію за місяць (30 днів), якщо лампа працює в середньому 5 годин на добу ($t = 150\text{ год}$).

Дано:

• $P_1 = 100\text{ Вт} = 0{,}1\text{ кВт}$
• $P_2 = 9\text{ Вт} = 0{,}009\text{ кВт}$
• $t = 5\text{ год} \cdot 30 = 150\text{ год}$

Знайти:

• $\Delta A - ?$

Розв’язання:

Енергія лампи розжарювання:

$A_1 = P_1 \cdot t = 0{,}1 \cdot 150 = 15\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Енергія світлодіодної лампи:

$A_2 = P_2 \cdot t = 0{,}009 \cdot 150 = 1{,}35\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Економія:

$\Delta A = A_1 - A_2 = 15 - 1{,}35 = 13{,}65\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Відповідь: можна зекономити 13,65 кВт$\cdot$год електроенергії (це приблизно 59 грн при тарифі 4,32 грн).

4. Порівняй, коли ти більше використовуєш енергії: коли виконуєш домашнє завдання протягом години із увімкненою настільною лампою потужністю 60 Вт чи коли нагріваєш воду у чайнику потужністю 600 Вт впродовж 1 хв.

Дано:

• $P_{\text{л}} = 60\text{ Вт}$
• $t_{\text{л}} = 1\text{ год}$
• $P_{\text{ч}} = 600\text{ Вт}$
• $t_{\text{ч}} = 1\text{ хв} = \dfrac{1}{60}\text{ год}$

Знайти:

• $A_{\text{л}} - ?$
• $A_{\text{ч}} - ?$

Розв’язання:

Робота струму (енергія) лампи:

$A_{\text{л}} = P_{\text{л}} \cdot t_{\text{л}}$

$A_{\text{л}} = 60 \cdot 1 = 60\text{ Вт} \cdot \text{год}$

Робота струму (енергія) чайника:

$A_{\text{ч}} = P_{\text{ч}} \cdot t_{\text{ч}}$

$A_{\text{ч}} = 600 \cdot \dfrac{1}{60} = 10\text{ Вт} \cdot \text{год}$

Порівняння:

$\dfrac{A_{\text{л}}}{A_{\text{ч}}} = \dfrac{60}{10} = 6$

Відповідь: під час роботи лампи протягом години витрачається у 6 разів більше енергії, ніж під час нагрівання чайника за 1 хвилину.

5. Проаналізуй, від чого залежать підвищені витрати електроенергії і які можливі шляхи її економії. Визнач вартість спожитої у твоїй квартирі електроенергії протягом місяця.

Підвищені витрати залежать від:

1. Використання застарілих приладів (низький клас енергоефективності, наприклад B, C, D).
2. Використання ламп розжарювання замість LED.
3. Залишання приладів у режимі очікування (“stand-by”).
4. Нераціонального використання (кип’ятіння повного чайника води заради однієї чашки, невимкнене світло в порожній кімнаті).

Шляхи економії:

• Заміна ламп на світлодіодні.
• Купівля техніки класу А, А+, А++.
• Вимикання приладів з розетки.
• Використання зонних лічильників (нічний тариф).

Для визначення вартості та побудови графіка тобі потрібно:

1. Подивитися на лічильник сьогодні й записати число.
2. Рівно через місяць зняти нові покази.
3. Відняти від нових показів старі ($W = \text{Покази}_2 - \text{Покази}_1$).
4. Помножити різницю на тариф (наприклад, 4,32 грн).

Для графіка: на горизонтальній осі відкладай дні місяця (1, 2, 3…), а на вертикальній — скільки кВт$\cdot$год “накрутило” за цей день (різниця між показами сьогодні й вчора).

6. Помешкання обладнано електроприладами споживаною потужністю… Які прилади одночасно можна вмикати в мережу, якщо максимальний струм 16 А?

Дано:

• $I_{max} = 16\text{ А}$
• $U = 220\text{ В}$ (стандартна напруга)
• $P_{\text{чайник}} = 1{,}5\text{ кВт} = 1500\text{ Вт}$
• $P_{\text{мікро}} = 2{,}0\text{ кВт} = 2000\text{ Вт}$
• $P_{\text{праска}} = 1{,}5\text{ кВт} = 1500\text{ Вт}$
• $P_{\text{обігрівач}} = 3\text{ кВт} = 3000\text{ Вт}$

Знайти:

• $P_{max} - ?$
• Можливі комбінації

Розв’язання:

Спочатку знайдемо максимальну потужність, яку витримує мережа:

$P_{max} = U \cdot I_{max}$

$P_{max} = 220 \cdot 16 = 3520\text{ Вт} = 3{,}52\text{ кВт}$

Тепер перевіримо комбінації приладів:

1. Електрочайник + Праска: $1{,}5 + 1{,}5 = 3{,}0\text{ кВт}$ (Можна, бо $3{,}0 < 3{,}52$).
2. Електрочайник + Мікрохвильова піч: $1{,}5 + 2{,}0 = 3{,}5\text{ кВт}$ (Можна, $3{,}5 < 3{,}52$).
3. Праска + Мікрохвильова піч: $1{,}5 + 2{,}0 = 3{,}5\text{ кВт}$ (Можна, $3{,}5 < 3{,}52$).
4. Обігрівач: $3{,}0\text{ кВт}$ (Можна вмикати лише сам, бо $3{,}0 + 1{,}5 > 3{,}52$).

Відповідь: можна одночасно вмикати будь-які два прилади з переліку: чайник, мікрохвильова піч, праска. Або ж вмикати лише один обігрівач.

7. Кухню помешкання обладнано електроприладами… Які прилади одночасно можна підключити до мережі електроживлення за допомогою подовжувача з різним перерізом?

Дано:

• $I_{\text{кава}} = 2\text{ А}$
• $I_{\text{тостер}} = 3\text{ А}$
• $I_{\text{посуд}} = 7\text{ А}$
• $I_{\text{мікро}} = 10\text{ А}$

Відповіді по пунктах:

а) Переріз 1 мм² (макс 6 А):

Можна увімкнути:

• Кавоварку і тостер ($2 + 3 = 5\text{ А}$).

б) Переріз 1,5 мм² (макс 10 А):

Можна увімкнути:

• Мікрохвильову піч (10 А) — окремо.
• Посудомийну машину і тостер ($7 + 3 = 10\text{ А}$).
• Посудомийну машину і кавоварку ($7 + 2 = 9\text{ А}$).
• Кавоварку і тостер ($2 + 3 = 5\text{ А}$).

в) Переріз 2,5 мм² (макс 16 А):

Можна увімкнути:

• Мікрохвильову піч і тостер і кавоварку ($10 + 3 + 2 = 15\text{ А}$).
• Посудомийну машину і тостер і кавоварку ($7 + 3 + 2 = 12\text{ А}$).
• Мікрохвильову піч і кавоварку ($10 + 2 = 12\text{ А}$).

(Комбінація “Мікрохвильова піч + Посудомийна машина” неможлива, бо $10 + 7 = 17\text{ А}$, що більше 16 А).

8. Обчисли вартість гри на ігровому комп’ютері… упродовж 2 годин. Скільки коштуватиме ігрова залежність за місяць (5 годин щодня)?

Для розрахунків беремо потужність режиму гри (“стріляти/ганяти”), яка вказана як 300 Вт. Тариф візьмемо з попередньої задачі — 4,32 грн/кВт·год.

Дано:

• $P = 300\text{ Вт} = 0{,}3\text{ кВт}$
• $t_1 = 2\text{ год}$
• $t_{\text{міс}} = 5\text{ год} \cdot 30\text{ днів} = 150\text{ год}$
• $Тариф = 4{,}32\text{ грн}/(\text{кВт} \cdot \text{год})$

Знайти:

• $Вартість_1 - ?$ (за 2 год)
• $Вартість_{\text{міс}} - ?$

Розв’язання:

Робота та вартість за 2 години:

$A_1 = P \cdot t_1 = 0{,}3 \cdot 2 = 0{,}6\text{ кВт} \cdot \text{год}$

$Вартість_1 = 0{,}6 \cdot 4{,}32 \approx 2{,}59\text{ грн}$

Робота та вартість за місяць:

$A_{\text{міс}} = P \cdot t_{\text{міс}} = 0{,}3 \cdot 150 = 45\text{ кВт} \cdot \text{год}$

$Вартість_{\text{міс}} = 45 \cdot 4{,}32 = 194{,}40\text{ грн}$

Відповідь: 2 години гри коштують приблизно 2 грн 60 коп., а місяць такої “залежності” обійдеться майже у 195 грн.