كفاءة تحويل الطاقة (η) هي النسبة بين المخرجات المفيدة لآلة تحويل الطاقة والمدخلات ، من حيث الطاقة. قد يكون الإدخال ، وكذلك الناتج المفيد ، مادة كيميائية أو طاقة كهربائية أو عمل ميكانيكي أو ضوء (إشعاع) أو حرارة.

نظرة عامة
تعتمد كفاءة تحويل الطاقة على فائدة المخرجات. قد تصبح الحرارة الكاملة الناتجة عن حرق الوقود أو جزء منها حرمانًا من النفايات المفقودة إذا كان العمل ، على سبيل المثال ، هو الناتج المرغوب من دورة ديناميكية حرارية. محول الطاقة هو مثال على تحويل الطاقة. على سبيل المثال ، يسقط مصباح كهربائي في محولات الطاقة.  على الرغم من أن التعريف يتضمن مفهوم الفائدة ، فإن الكفاءة تعتبر مصطلحًا فنيًا أو فعليًا. تتضمن الأهداف الموجهة نحو المهمة الفعالية والكفاءة.

بشكل عام ، كفاءة تحويل الطاقة هي رقم بلا أبعاد بين 0 و 1.0 ، أو من 0٪ إلى 100٪. قد لا تتجاوز الكفاءة 100 ٪ ، على سبيل المثال ، لآلة الحركة الدائبة. ومع ذلك ، فإن إجراءات الفعالية الأخرى التي يمكن أن تتجاوز 1.0 تستخدم لمضخات الحرارة والأجهزة الأخرى التي تتحرك الحرارة بدلاً من تحويلها.

عند الحديث عن كفاءة المحركات الحرارية ومحطات توليد الطاقة ، يجب ذكر الاتفاقية ، أي HHV (يعرف بقيمة التسخين الإجمالي ، الخ) أو LCV (يعرف بقيمة Net Heating) ، وما إذا كان الناتج الإجمالي (في محطات المولد) أو صافي ويجري النظر في الانتاج (في سور محطة الطاقة). الاثنان منفصلان ولكن يجب ذكرهما. عدم القيام بذلك يسبب الارتباك لا نهاية لها.

تتضمن المصطلحات ذات الصلة الأكثر تحديدًا

الكفاءة الكهربائية ، خرج الطاقة المفيدة لكل الطاقة الكهربائية المستهلكة ؛
الكفاءة الميكانيكية ، حيث يتم تحويل أحد أشكال الطاقة الميكانيكية (مثل الطاقة الكامنة للماء) إلى طاقة ميكانيكية (العمل) ؛
الكفاءة الحرارية أو كفاءة الوقود والحرارة المفيدة و / أو ناتج العمل لكل طاقة مدخلات مثل الوقود المستهلك ؛
“الكفاءة الكلية” ، على سبيل المثال ، للتوليد المشترك للطاقة الكهربائية المفيدة وطاقة الحرارة لكل طاقة وقود مستهلكة. نفس الكفاءة الحرارية.
الكفاءة المضيئة ، هذا الجزء من الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث يمكن استخدامه للرؤية البشرية.

قيم تسخين الوقود وكفاءته
في أوروبا يتم حساب محتوى الطاقة القابل للاستخدام من الوقود عادة باستخدام قيمة التسخين المنخفضة (LHV) لذلك الوقود ، الذي يفترض تعريفه أن بخار الماء الناتج أثناء احتراق الوقود (الأكسدة) ، يبقى غازياً ، ولا يتم تكثيفه بالماء السائل لذا فإن الحرارة الكامنة لتبخير تلك المياه غير قابلة للاستخدام. باستخدام LHV ، يمكن أن تحقق غلاية التكثيف “كفاءة تدفئة” تزيد على 100٪ (وهذا لا ينتهك القانون الأول للديناميكا الحرارية طالما أن اتفاقية LHV مفهومة ، ولكنها تسبب التشويش). وذلك لأن الجهاز يسترد جزءًا من حرارة التبخير ، التي لا يتم تضمينها في تعريف قيمة التسخين المنخفضة للوقود. في الولايات المتحدة وأماكن أخرى ، يتم استخدام قيمة التسخين الأعلى (HHV) ، والتي تشمل الحرارة الكامنة لتكثيف بخار الماء ، وبالتالي لا يمكن تجاوز الحد الأقصى للحرارة الحرارية بنسبة 100٪ باستخدام HHV.

Related Post

كفاءة توصيل الحائط وكفاءة الإضاءة والفعالية
في النظم البصرية مثل الإضاءة والليزر ، وكثيرا ما يشار إلى كفاءة تحويل الطاقة باسم كفاءة المكونات الجدار. كفاءة التوصيل بالقوة هي مقياس الطاقة الإشعاعية للإنتاج ، بالواط (جول في الثانية) ، لكل إجمالي الطاقة الكهربائية الداخلة بالواط. تقاس طاقة الخرج عادةً من حيث الإشعاع المطلق وتُعطى كفاءة قابس الحائط كنسبة مئوية من إجمالي طاقة الإدخال ، مع النسبة المئوية المعكوسة التي تمثل الخسائر.

وتختلف كفاءة المقابس الجدارية عن الكفاءة المضيئة في كفاءة القابس الكهربائي التي تصف تحويل الطاقة / الإدخال المباشر للطاقة (كمية العمل التي يمكن إجراؤها) بينما تأخذ كفاءة الإضاءة بعين الاعتبار حساسية العين المختلفة للأطوال الموجية المختلفة ( كيف يمكن أن تضيء مساحة). بدلاً من استخدام الواط ، تقاس قوة مصدر الضوء لإنتاج أطوال موجية متناسبة مع الإدراك البشري بوحدة اللومن. تكون عين الإنسان أكثر حساسية للأطوال الموجية التي تبلغ 555 نانومتر (أصفر مخضر) ولكن الحساسية تنخفض بشكل كبير إلى أي من جانبي طول الموجة هذا ، بعد منحنى الطاقة الغوسية وينخفض ​​إلى حساسية صفر عند الأطراف الحمراء والبنفسجية للطيف. ونتيجة لذلك ، لا ترى العين عادةً جميع الأطوال الموجية المنبعثة من مصدر ضوئي معين ، ولا ترى جميع الأطوال الموجية ضمن الطيف المرئي بشكل متساوٍ. على سبيل المثال ، يشكل اللون الأصفر والأخضر أكثر من 50٪ مما تراه العين بيضاء اللون ، على الرغم من أنه من حيث الطاقة الإشعاعية ، فإن الضوء الأبيض مصنوع من أجزاء متساوية من جميع الألوان (على سبيل المثال: الليزر الأخضر 5 ميجا واط يبدو أكثر إشراقاً من ليزر أحمر 5 ميجا واط ، ومع ذلك ، فإن الليزر الأحمر يبرز بشكل أفضل على خلفية بيضاء). لذلك ، قد تكون الكثافة الإشعاعية لمصدر الضوء أكبر بكثير من شدة الإضاءة ، مما يعني أن المصدر يصدر طاقة أكثر مما يمكن للعين استخدامه. وبالمثل ، عادة ما تكون كفاءة التوصيل الكهربائي للمصباح أكبر من كفاءتها المضيئة. يشار إلى فعالية مصدر الضوء لتحويل الطاقة الكهربائية إلى أطوال موجية للضوء المرئي ، بما يتناسب مع حساسية العين البشرية ، كفاعلية مضيئة ، والتي تقاس بوحدات من لومن لكل وات (lm / w) من المدخلات الكهربائية -energy.

وعلى خلاف الفعالية (الفعالية) ، وهي وحدة قياس ، فإن الكفاءة هي عدد غير مقيَّد يتم التعبير عنه كنسبة مئوية ، مما يتطلب فقط أن تكون وحدات الإدخال والإخراج من نفس النوع. لذلك ، فإن الكفاءة المضيئة لمصدر الضوء هي النسبة المئوية للفعالية المضيئة لكل فعالية أقصى نظري عند طول موجة محدد. يتم تحديد كمية الطاقة التي يحملها فوتون للضوء من خلال الطول الموجي. في لومن ، هذه الطاقة يقابلها حساسية العين للأطوال الموجية المختارة. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون لمؤشر الليزر الأخضر أكثر من 30 مرة من السطوع الظاهري لمؤشر أحمر لنفس خرج الطاقة. في 555 نانومتر في الطول الموجي ، 1 واط من الطاقة الإشعاعية يعادل 685 لومن ، وبالتالي فإن مصدر الضوء أحادي اللون عند هذا الطول الموجي ، مع فعالية مضيئة من 685 lm / w ، لديه كفاءة مضيئة 100٪. يقلل الحد الأقصى للنظرية النظرية للأطوال الموجية على جانبي 555 نانومتر. على سبيل المثال ، تنتج مصابيح الصوديوم المنخفضة الضغط ضوءًا أحادي اللون عند 589 نانومتر مع فعالية مضيئة تبلغ 200 لومن / ث ، وهي أعلى قيمة لأي مصباح. إن الفعالية القصوى النظرية عند هذا الطول الموجي هي 525 lm / w ، وبالتالي فإن المصباح يتميز بالكفاءة المضيئة بنسبة 38.1٪. نظرًا لأن المصباح أحادي اللون ، فإن الكفاءة المضيئة تتطابق تقريبًا مع كفاءة المقابس الجدارية للعلامة & lt؛ 40٪.

تصبح الحسابات الخاصة بالكفاءة المضيئة أكثر تعقيدًا للمصابيح التي تنتج الضوء الأبيض أو خليطًا من الخطوط الطيفية. تتمتع مصابيح الفلورسنت بكفاءة أعلى في القوابس من مصابيح الصوديوم ذات الضغط المنخفض ، ولكن لديها فقط نصف الفاعلية المضيئة من ~ 100 lm / w ، وبالتالي فإن كفاءة الإضاءة الفلورية هي أقل من مصابيح الصوديوم. تتميز فلاشات الزينون بفعالية توصيل حائط تقليدية تبلغ 50 – 70٪ ، مما يزيد عن معظم أشكال الإضاءة الأخرى. ولأن الفلاشتوب يصدر كميات كبيرة من الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ، فإن العين لا تستخدم سوى جزء من طاقة الخرج. وبالتالي ، تكون الفعالية المضيئة عادة حوالي 50 lm / w. ومع ذلك ، لا تشتمل جميع تطبيقات الإضاءة على العين البشرية ولا تقتصر على الأطوال الموجية المرئية. بالنسبة إلى ضخ الليزر ، لا ترتبط الفعالية بالعين البشرية ، لذلك لا تُسمى فعالية “مضيئة” ، ولكنها ببساطة “فعالية” لأنها تتعلق بخطوط الامتصاص الخاصة بالوسط الليزري. غالباً ما يتم اختيار flashtons Krypton لضخ Nd: YAG lasers ، على الرغم من أن كفاءة توصيل قابسها عادة ما تكون فقط ~ 40٪. تتطابق خطوط كريبتون الطيفية بشكل أفضل مع خطوط امتصاص البلور المشبع بالنيوديميوم ، وبالتالي تكون فعالية الكريبتون لهذا الغرض أعلى بكثير من الزينون. قادرة على إنتاج ما يصل إلى ضعف خرج الليزر لنفس المدخلات الكهربائية. تشير كل هذه المصطلحات إلى كمية الطاقة واللومن عند خروجها من مصدر الضوء ، مع تجاهل أي خسائر قد تحدث داخل جهاز الإضاءة أو بصريات الإخراج اللاحقة. تشير كفاءة الإنارة إلى إجمالي خرج اللومن من التركيب في خرج المصباح.

باستثناء بعض مصادر الضوء ، مثل مصابيح الإضاءة المتوهجة ، فإن معظم مصادر الضوء لديها مراحل متعددة لتحويل الطاقة بين “قابس الحائط” (نقطة الإدخال الكهربائية ، والتي قد تتضمن البطاريات أو الأسلاك المباشرة أو مصادر أخرى) والنهائية الضوء ، مع كل مرحلة تنتج خسارة. تقوم مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط في البداية بتحويل الطاقة الكهربائية باستخدام كوابح كهربائية ، للحفاظ على التيار والجهد المناسبين ، ولكن يتم فقدان بعض الطاقة في الصابورة. وبالمثل ، تعمل مصابيح الفلورسنت أيضًا على تحويل الكهرباء باستخدام الصابورة (الكفاءة الإلكترونية). ثم يتم تحويل الكهرباء إلى طاقة ضوئية بواسطة القوس الكهربائي (كفاءة الإلكترود وكفاءة التصريف). ثم يتم نقل الضوء إلى طلاء فلورسنت يمتص فقط أطوال موجية مناسبة ، مع بعض الخسائر من هذه الأطوال الموجية بسبب الانعكاس والانتقال من خلال الطلاء (كفاءة النقل). عدد الفوتونات التي يمتصها الطلاء لن يتطابق مع العدد الذي يعاد استخدامه كمؤشر (الكفاءة الكمية). أخيراً ، وبسبب ظاهرة التحول في Stokes ، فإن الفوتونات المعاد تربيعها سيكون لها طول موجي أقصر (وبالتالي طاقة أقل) من الفوتونات الممتصة (كفاءة الفلورسنت). وبطريقة مشابهة جدًا ، تمر أجهزة الليزر أيضًا بمراحل عديدة من التحويل بين قابس الحائط وفتحة الإخراج. لذلك ، تُستخدم المصطلحات “كفاءة المقابس الجدارية” أو “كفاءة تحويل الطاقة” للدلالة على الكفاءة الكلية لجهاز تحويل الطاقة ، مع خصم الخسائر من كل مرحلة ، على الرغم من أن هذا قد يستبعد المكونات الخارجية اللازمة لتشغيل بعض الأجهزة ، مثل مضخات المبرد.

مثال على كفاءة تحويل الطاقة

عملية التحويل نوع التحويل كفاءة الطاقة
توليد الكهرباء
التوربين الغازي الكيميائية إلى الكهربائية ما يصل الى 40٪
التوربين الغازي بالإضافة إلى التوربينات البخارية (الدورة المركبة) الكيميائية / الحرارية إلى الكهربائية تصل إلى 60 ٪
التوربينات المائية الجاذبية للكهرباء تصل إلى 90 ٪ (تحقق عمليا)
توربينات الرياح الحركية إلى الكهربائية تصل إلى 59٪ (الحد النظري)
الخلايا الشمسية اشعاعي للكهرباء 6 – 40 ٪ (تعتمد على التكنولوجيا ، 15-20 ٪ في معظم الأحيان ، والحد 85-90 ٪ النظري)
خلية الوقود الكيميائية إلى الكهربائية تصل إلى 85٪
الجيل العالمي للكهرباء 2008 الناتج الإجمالي 39 ٪ الناتج الصافي 33 ٪
تخزين الكهرباء
بطارية ليثيوم أيون الكيميائية إلى كهربائية / عكسها 80-90٪
بطارية هيدريد النيكل والمعدن الكيميائية إلى كهربائية / عكسها 66٪
بطارية الرصاص الحمضية الكيميائية إلى كهربائية / عكسها 50-95٪
المحرك / المحرك
محرك الاحتراق الكيميائية إلى الحركية 10-50٪
محرك كهربائي الكهربائية إلى الحركية 70-99.99٪ (> 200 واط) ؛ 50-90٪ (من 10 إلى 200 واط) ؛ 30-60٪ (<10 واط)
المروحي الكيميائية إلى الحركية 20-40٪
عملية طبيعية
البناء الضوئي إشعاعي للمواد الكيميائية حتى 6٪
عضلة الكيميائية إلى الحركية 14-27٪
جهاز
ثلاجة منزلية الكهربائية إلى الحرارية أنظمة منخفضة نهاية ~ 20 ٪. أنظمة عالية نهاية ~ 40-50 ٪
لمبة ضوء ساطع الكهربائية إلى الإشعاعية 0.7-5.5٪ ، 5-10٪
الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) الكهربائية إلى الإشعاعية 4،2 حتي 53٪
مصباح الفلورسنت الكهربائية إلى الإشعاعية 8،0 حتي 15،6٪، و 28٪
مصباح الصوديوم منخفض الضغط الكهربائية إلى الإشعاعية 15.0–29.0٪ ، 40.5٪
مصباح معدن هاليد الكهربائية إلى الإشعاعية 9.5 – 17.0٪ ، 24٪
امدادات الطاقة وضع التبديل الكهربائية إلى الكهربائية حاليا تصل إلى 96 ٪ عمليا
دش كهربائي الكهربائية إلى الحرارية 90-95 ٪ (تتضاعف مع كفاءة الطاقة لتوليد الكهرباء للمقارنة مع أنظمة تسخين المياه الأخرى)
سخان كهربائي الكهربائية إلى الحرارية ~ 100 ٪ (أساسا يتم تحويل كل الطاقة إلى حرارة ، وتتكاثر مع كفاءة الطاقة لتوليد الكهرباء للمقارنة مع أنظمة التدفئة الأخرى)
الآخرين
سلاح ناري الكيميائية إلى الحركية ~ 30 ٪ (30000 ذخيرة هوك)
التحليل الكهربائي للمياه الكهربائية إلى الكيميائية 50-70٪ (80-94٪ كحد أقصى نظري)
Share