Czym jest moc prądu i od czego zależy?

Mocą prądu, poprawnie zwaną mocą elektryczną, określamy pracę, jaką wykonuje energia elektryczna w jednostce czasu. W układzie SI jednostką mocy jest wat. Aby obliczyć moc, należy pomnożyć siłę (napięcie elektryczne U) przez rozmiar strumienia elektronów (natężenie prądu elektrycznego I). Moc elektryczną oblicza się z zależności: Moc = napięcie × natężenie [W] (P=U*I). Napięciem elektrycznym (U) nazywamy różnicę potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu bądź pola elektrycznego. Jego jednostką jest volt (V). Natężeniem prądu elektrycznego (I) nazywamy stosunek wartości ładunku elektrycznego przepływającego przez wyznaczoną powierzchnię do czasu jego przepływu. Jego jednostka to amper (A).

Rodzaje prądu

W technologii fotowoltaicznej mamy do czynienia z dwoma rodzajami prądu elektrycznego: prądem stałym, oznaczanym umownym skrótem DC (ang.Direct Current), oraz prądem przemiennym, oznaczony symbolem AC (ang.Alternating Current). Istnieje również możliwość przekonwertowania (zamiany) prądu stałego na prąd przemienny, a na przemienny trójfazowy, jeśli istnieje zapotrzebowanie na urządzenia wysokiej mocy. Poniżej krótko scharakteryzowano rodzaje prądu.

• Prąd stały – płynie zawsze w tym samym kierunku, nie zmienia się więc jego biegunowość. Dużą zaletą prądu stałego jest możliwość jego magazynowania, np. w akumulatorze. Tego typu prąd wytwarzają m.in. ogniwa (zwane powszechnie bateriami i zasilające najczęściej układy elektroniczne), a także panele fotowoltaiczne. Zwykle w domowych instalacjach wykorzystujemy prąd stały o napięciu 12 V.
• Prąd zmienny (przemienny) – mamy z nim do czynienia, gdy elektrony swobodne w przewodzie poruszają się naprzemiennie w jednym lub w drugim kierunku. Zmienia się okresowo biegunowość i wielkość prądu elektrycznego. Prąd i napięcie wzrastają do maksymalnych wartości, po czym spadają do zera i dalej, aż osiągną minimalną wartość. W zależności od częstotliwości generatora zmiany te następują kilka razy na sekundę. Tak wytworzony prąd nazywamy jednofazowym prądem przemiennym. Przyjmuje się, że instalacje elektryczne w naszych domach mają częstotliwość 50 Hz (Hertz), a skuteczna wartość napięcia wynosi 230 V. Dane te są określone w polskiej normie PN-IEC 60038.
• Trójfazowy prąd przemienny – potocznie nazywany jest siłą. Stosuje się go głównie do zasilania silników trójfazowych oraz maszyn dużej mocy, zwykle przekraczającej 4 kW. Prąd ten jest wytwarzany przez generator trójfazowy, który ma trzy oddzielne uzwojenia rozmieszczone co 120⁰.

Panele fotowoltaiczne produkują prąd stały. Potrzeba przekształcenia prądu stałego w prąd przemienny występuje wtedy, gdy chcemy połączyć instalację paneli z siecią energetyczną albo korzystamy z typowych urządzeń elektrycznych zasilanych z gniazdka. Do zamiany na prąd zmienny wykorzystujemy inwertery ( zwane również falownikami bądź przetwornikami ).

Sprawdź: Fotowoltaika dla domu

Konwersja prądu stałego na zmienny

Do przekształcania prądu stałego na zmienny w technologii fotowoltaicznej wykorzystuje się inwertery. Muszą one w jak najlepszym stopniu odwzorowywać przebieg kształtu krzywej napięcia przemiennego. W praktyce sprowadza się to do uzyskania 230 V oraz częstotliwości 50 Hz, przy jak najmniejszych stratach.

W technologii fotowoltaicznej stosuje się następujące rodzaje falowników:

• jedno- lub trójfazowe;
• wewnętrzne i zewnętrzne;
• falowniki sieciowe, współpracujące z siecią, bądź wyspowe (tzw. autonomiczne) bez dostępu do sieci energetycznej;
• łańcuchowe (obsługujące małe instalacje fotowoltaiczne, od 1 do 30 kW) lub centralne (o dużej mocy, przeznaczone do pracy na farmach fotowoltaicznych);
• transformatorowe (pracują optymalnie, gdy są obciążone w zakresie 20–60%), beztransformatorowe (pracują optymalnie w zakresie 25–100%).

Przykładowe zakresy mocy elektrycznych urządzeń gospodarstwa domowego:

Moc urządzeń gospodarstwa domowego zależy głównie od budowy, która wynika często z samego przeznaczenia sprzętu. Ogrzewacze przepływowe wody z racji bardzo dużego zapotrzebowania moc, mają od 3 do nawet kilkunastu kW (w zależności od wydajności). Sprawia to, że urządzenia tego typu można zakwalifikować do najbardziej energochłonnych. Również w przypadku kuchenki indukcyjnej mamy do czynienia z wysoką mocą, która wynosi od 3 do 10 kW w zależności od liczby aktywnych pól. Przeciętny piekarnik, czajnik lub pralka zużywa od 1 do 3 kW mocy elektrycznej. Zmywarka albo odkurzacz pobiera średnio od 1 do 1,5 kW. W przypadku wyżej wymienionych sprzętów w przeciętnym gospodarstwie domowym mamy do czynienia z największą moc. Poniżej przedstawiono również kilka innych urządzeń:

• TV – 50–200 W,
• Komputer stacjonarny – 350–650 W,
• Laptop – 60–120 W,
• Mikser – 350–800 W,
• Mikrofalówka – 700–1200 W,
• Suszarka do włosów – 1500–2400 W,
• Żelazko – 1000–2200 W,
• Robot kuchenny – 800–1500 W,

Przedstawione powyżej moce odnoszą się do chwilowego poboru prądu. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie urządzenia w domu użytkowane są przez dłuższy czas. W przypadku przepływowych ogrzewaczy, czajników elektrycznych, mikrofalówek mamy najczęściej do czynienia z kilkuminutowym poborem mocy. Natomiast korzystanie z piekarnika bądź kuchenki indukcyjnej może wiązać się nawet z kilkudziesięciominutowym okresem działania. Nie warto więc określać zapotrzebowania mocy domowej instalacji z dużym zapasem, gdyż z wysokim poborem mocy mamy do czynienia tylko przez pewien czas. Powinno się wziąć to pod uwagę, wybierając panele fotowoltaiczne dla naszego domu.

Moc urządzenia a rzeczywisty pobór energii

Moc znamionowa jest to maksymalna moc, jaką dane urządzenie elektryczne może pobierać lub dostarczać w normalnych warunkach pracy. Oznacza to moc, dla której urządzenie zostało zaprojektowane i jest w stanie działać prawidłowo, bez przegrzewania się lub uszkodzenia w dłuższym okresie czasu. Wartość ta najczęściej umieszczona jest na tabliczce znamionowej, którą przytwierdza się do obudowy urządzenia. Rzeczywiste zużycie energii nie musi odpowiadać mocy znamionowej. W praktyce zależy ono od tego, co dzieje się z urządzeniem, gdy jest obciążone.

Moc znamionowa jest wyrażana w watach (W) lub kilowatach (kW) i może odnosić się zarówno do urządzeń pobierających energię elektryczną, jak i dostarczających ją, na przykład do prądnicy lub silnika.

Dla przykładu, jeśli mówimy o prądnicach, moc znamionowa określa ile energii elektrycznej może ona dostarczyć przy określonym obciążeniu, bez ryzyka uszkodzenia. W przypadku silników elektrycznych, moc znamionowa wskazuje, jaka ilość mocy mechanicznej jest generowana przez silnik przy normalnych warunkach pracy.

Moc znamionowa jest istotna, ponieważ umożliwia właściwą kalkulację i planowanie obciążenia układu elektrycznego. Przekroczenie mocy znamionowej może prowadzić do przegrzewania się urządzenia, spadku efektywności lub w skrajnych przypadkach do uszkodzenia. Dlatego ważne jest, aby dobrze zrozumieć i przestrzegać jej parametrów w kontekście urządzeń elektrycznych.