Ватт-час
Обозначение: WhВесь мир
Что такое Ватт-час (Wh)?
Ватт-час (обозначение: Вт·ч, международное: Wh) — единица измерения энергии, равная энергии, выделяемой мощностью в один ватт в течение одного часа. Один ватт-час равен ровно 3 600 джоулям (поскольку один час = 3 600 секунд, а один ватт = один джоуль в секунду). Киловатт-час (кВт·ч), равный 1 000 Вт·ч, — стандартная единица учёта электроэнергии во всём мире.
Практическая единица электрической энергии
Ватт-час связывает мощность (ватты) и энергию (джоули) интуитивно понятным образом. Лампочка мощностью 100 ватт, работающая один час, потребляет 100 Вт·ч (0,1 кВт·ч). Обогреватель мощностью 2 000 ватт за 3 часа — 6 000 Вт·ч (6 кВт·ч). Соотношение «мощность × время» делает расчёт ватт-часов простым.
Ёмкость аккумуляторов
Ёмкость аккумуляторов обычно указывается в ватт-часах или милливатт-часах (мВт·ч). Аккумулятор смартфона — 10–15 Вт·ч, ноутбука — 50–100 Вт·ч, электромобиля — 40 000–100 000 Вт·ч (40–100 кВт·ч). Ватт-часы напрямую показывают, как долго аккумулятор может питать данную нагрузку.
Этимология
Джеймс Ватт (1736–1819)
Компонент «ватт» назван в честь шотландского изобретателя Джеймса Ватта, чьи усовершенствования паровой машины были ключевыми для Промышленной революции. Ватт ввёл понятие лошадиной силы для продвижения своих машин на рынке.
Составная единица
Ватт-час — составная единица, объединяющая мощность (ватты) и время (часы). Хотя система СИ использует джоуль (= ватт-секунда) для энергии, ватт-час сложился как практическая единица для электрической энергии, поскольку потребление естественнее описывать в часах, а не в секундах.
Принятие электрическими компаниями
Электрические компании приняли киловатт-час в конце XIX века с началом коммерческой электрогенерации. Электростанция Пёрл-Стрит Томаса Эдисона (1882) учитывала потребление клиентов в единицах, ставших кВт·ч. Счётчик ватт-часов, изобретённый в 1880-х годах, стал стандартным прибором учёта электроэнергии.
Точное определение
Один ватт-час определяется как энергия, выделяемая мощностью в один ватт за один час. Поскольку 1 Вт = 1 Дж/с и 1 час = 3 600 с: 1 Вт·ч = 3 600 Дж = 3,6 кДж.
Основные преобразования
1 Вт·ч = 3 600 Дж = 3,6 кДж = 860,4 кал = 0,8604 ккал = 3,412 BTU. 1 кВт·ч = 1 000 Вт·ч = 3 600 000 Дж = 3,6 МДж = 3 412 BTU. Обратно: 1 Дж ≈ 0,000278 Вт·ч, 1 кДж ≈ 0,278 Вт·ч, 1 ккал ≈ 1,163 Вт·ч, 1 BTU ≈ 0,293 Вт·ч.
Доминирование киловатт-часа
Киловатт-час (кВт·ч = 1 000 Вт·ч) — наиболее распространённый кратный. Счета за электричество, статистика энергосистем, выработка солнечных панелей и зарядка электромобилей — всё измеряется в кВт·ч. Более крупные кратные: мегаватт-час (МВт·ч = 1 000 кВт·ч) для электростанций и гигаватт-час (ГВт·ч = 1 000 000 кВт·ч) для национальной статистики.
История
Эдисон и начало электрификации
Ватт-час стал практической единицей с появлением коммерческого электричества в 1880-х годах. Томасу Эдисону нужен был способ выставлять счета клиентам на его электростанции Пёрл-Стрит на Манхэттене (1882). Счётчик ватт-часов — интегрирующий прибор, измеряющий кумулятивное потребление энергии — был разработан для этой цели.
Счётчик Элиху Томсона
Ранние счётчики ватт-часов были электролитическими или моторными. Элиху Томсон разработал первый коммерчески практичный счётчик в 1888 году. Этот счётчик с вращающимся диском оставался стандартным прибором более ста лет.
Глобальный стандарт электроэнергии
По мере расширения электросетей по всему миру в XX веке киловатт-час стал универсальной единицей учёта электроэнергии. Каждая страна, независимо от системы измерений (метрическая или имперская), использует кВт·ч для электричества.
Эра аккумуляторов
Рост портативной электроники и электромобилей в XXI веке придал ватт-часу новое значение. Спецификации смартфонов указывают ёмкость батареи в мВт·ч, ноутбуков — в Вт·ч, электромобилей — в кВт·ч.
Современное применение
Учёт электроэнергии
Каждый счёт за электричество в мире рассчитывается в киловатт-часах. Бытовые тарифы — от 0,05 $/кВт·ч (субсидированные рынки) до более 0,40 $/кВт·ч (дорогие рынки). Среднее домохозяйство в США потребляет около 900 кВт·ч в месяц; европейские — в среднем 300–500 кВт·ч.
Характеристики аккумуляторов
Ёмкость аккумуляторов указывается в Вт·ч или кВт·ч: смартфон — 10–20 Вт·ч, ноутбук — 50–100 Вт·ч, пауэрбанк — 20–100 Вт·ч, домашний аккумулятор (Tesla Powerwall) — 13,5 кВт·ч, электромобиль — 40–100 кВт·ч.
Солнечная энергия
Выходная мощность солнечных панелей оценивается в ваттах (пиковая мощность), но фактическое производство измеряется в ватт-часах. Панель мощностью 400 Вт в солнечном месте может производить около 1 600 Вт·ч (1,6 кВт·ч) в день.
Статистика энергосистем
Национальная и глобальная энергетическая статистика использует МВт·ч, ГВт·ч и ТВт·ч. Мировое производство электроэнергии — около 28 000 ТВт·ч в год.
Применение в быту
Понимание счёта за электричество
Ватт-час помогает расшифровать расходы на электричество. Обогреватель мощностью 1 500 Вт, работающий 8 часов, потребляет 12 кВт·ч (около 1,20–4,80 $ по типичным тарифам). Светодиодная лампа 10 Вт за 10 часов — 100 Вт·ч (0,1 кВт·ч) в день.
Время работы от аккумулятора
Ёмкость батареи в Вт·ч предсказывает время автономной работы. Ноутбук с батареей 60 Вт·ч при потреблении 15 Вт работает около 4 часов (60/15). Авиалинии ограничивают ручные аккумуляторы до 100 Вт·ч из соображений безопасности.
Запас хода электромобиля
Запас хода электромобиля напрямую связан с ёмкостью батареи в кВт·ч. Большинство ЭМ потребляют около 15–25 кВт·ч на 100 км. Батарея 75 кВт·ч обеспечивает примерно 300–500 км пробега.
Потребление бытовых приборов
Типовое потребление: холодильник — около 1–2 кВт·ч в день, стиральная машина — около 0,5–1 кВт·ч за цикл, посудомоечная машина — около 1,5–2 кВт·ч за цикл, кондиционер — около 1–3 кВт·ч в час.
В науке и промышленности
Исследования энергоаккумуляции
В исследованиях аккумуляторов плотность энергии измеряется в Вт·ч/кг (гравиметрическая) и Вт·ч/л (объёмная). Литий-ионные аккумуляторы достигают 150–300 Вт·ч/кг, теоретические литий-воздушные — свыше 1 000 Вт·ч/кг. Для сравнения, бензин содержит около 12 700 Вт·ч/кг.
Энергетическая инженерия
Инженерия электросетей использует МВт·ч для выработки электростанций, планирования передающей способности и потребностей в хранении. Сетевые аккумуляторы оцениваются в МВт·ч.
Климатическая и энергетическая политика
Углеродоёмкость электричества измеряется в граммах CO₂ на кВт·ч (гCO₂/кВт·ч). Уголь — около 900, газ — около 400, солнце — около 40, ядерная энергия — около 12 (жизненный цикл).
Космические технологии
Энергобюджеты космических аппаратов планируются в ватт-часах. МКС генерирует около 240 кВт·ч в день от солнечных батарей. Ровер Perseverance на Марсе производит около 2,6 кВт·ч в день от радиоизотопного генератора.
Интересные факты
Один киловатт-час электроэнергии стоит 0,10–0,40 $ в большинстве стран, но представляет 3,6 миллиона джоулей энергии — больше, чем сильный человек может произвести за полный день физического труда.
Tesla Model S Long Range имеет аккумулятор на 100 кВт·ч — достаточно энергии для питания среднего американского дома в течение примерно 3 дней при использовании в качестве резервного источника.
Человеческое тело в покое производит около 80–100 ватт тепла, а значит, за 8 часов сна вы «генерируете» около 640–800 Вт·ч — примерно столько же, сколько двойная зарядка большого аккумулятора ноутбука.
Литий-ионный аккумулятор типичного смартфона (около 15 Вт·ч) хранит примерно столько же энергии, сколько выделяется при сгорании одной деревянной спички — но отдаёт её значительно полезнее в течение многих часов.
Мировое производство электроэнергии — около 28 000 ТВт·ч в год. Если бы всё это обеспечивалось солнечными панелями, потребовалось бы покрыть около 0,3% суши Земли.
Авиационные правила ограничивают литиевые аккумуляторы в ручной клади до 100 Вт·ч на аккумулятор. Этот лимит объясняет, почему нельзя брать в полёт очень большие портативные зарядные устройства.
Типичная молния передаёт около 250 кВт·ч энергии, но вспышка длится лишь миллисекунды, то есть мощность достигает тераваттного диапазона — далеко за пределами любой человеческой технологии.
Плотность энергии аккумуляторов примерно удваивается каждое десятилетие: с около 80 Вт·ч/кг в 1990-х до более 250 Вт·ч/кг в современных литий-ионных элементах. Твердотельные аккумуляторы нацелены на 500+ Вт·ч/кг.
Региональные особенности
Универсальная единица электроэнергии
Киловатт-час используется для учёта электроэнергии в каждой стране мира, независимо от других измерительных предпочтений. Это, пожалуй, наиболее универсально принятая коммерческая единица энергии.
BTU в США
Для тепловой энергии (природный газ, мазут) Соединённые Штаты используют BTU (1 BTU ≈ 0,293 Вт·ч) и термы (1 терм = 100 000 BTU ≈ 29,3 кВт·ч). Остальной мир использует кВт·ч, кДж или МДж для тепловой энергии.
Предпочтение джоулей в науке
Научные публикации предпочитают джоули (1 Вт·ч = 3 600 Дж) как единицу энергии СИ. Ватт-час технически является внесистемной единицей, хотя повсеместно признан в инженерии и торговле.
Развивающиеся рынки
В развивающихся странах, где электрификация продолжается, кВт·ч часто становится первой метрической единицей, с которой люди сталкиваются в быту через счета за электричество и предоплатные счётчики.