Energieumwandlungseffizienz

Der Energieumwandlungswirkungsgrad (η) ist das energetische Verhältnis zwischen der Nutzleistung einer Energieumwandlungsmaschine und der Eingabe. Der Eingang sowie der Nutzausgang können chemische, elektrische Energie, mechanische Arbeit, Licht (Strahlung) oder Wärme sein.

Überblick
Die Energieumwandlungseffizienz hängt von der Nützlichkeit der Leistung ab. Die gesamte oder ein Teil der Wärme, die durch das Verbrennen eines Brennstoffs erzeugt wird, kann zur Abwärme werden, wenn zum Beispiel Arbeit die gewünschte Leistung aus einem thermodynamischen Zyklus ist. Energiewandler ist ein Beispiel für eine Energiewende. Zum Beispiel fällt eine Glühbirne in die Kategorien Energiewandler.  Obwohl die Definition den Begriff der Nützlichkeit einschließt, wird Effizienz als technischer oder physikalischer Begriff betrachtet. Ziel- oder missionsorientierte Begriffe umfassen Wirksamkeit und Wirksamkeit.

Im Allgemeinen ist die Energieumwandlungseffizienz eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1,0 oder 0% bis 100%. Die Wirkungsgrade dürfen 100% nicht überschreiten, z. B. für eine Maschine mit permanenter Bewegung. Andere Effektivitätsmaßnahmen, die 1,0 überschreiten können, werden jedoch für Wärmepumpen und andere Geräte verwendet, die Wärme bewegen und nicht umwandeln.

Wenn über die Effizienz von Wärmekraftmaschinen und Kraftwerken gesprochen wird, sollte die Konvention angegeben werden, dh HHV (auch bekannt als Bruttoheizwert usw.) oder LCV (auch als Nettoheizwert bezeichnet) und ob Bruttoausstoß (an den Generatorterminals) oder Netto Die Leistung (am Kraftwerkszaun) wird berücksichtigt. Die beiden sind getrennt, aber beide müssen angegeben werden. Andernfalls führt dies zu endloser Verwirrung.

Verwandte, spezifischere Begriffe schließen ein

Elektrischer Wirkungsgrad, Nutzleistung pro verbrauchter elektrischer Leistung;
Mechanischer Wirkungsgrad, bei dem eine Form mechanischer Energie (z. B. potentielle Energie von Wasser) in mechanische Energie umgewandelt wird (Arbeit);
Wärmewirkungsgrad oder Kraftstoffeffizienz, Nutzwärme und / oder Arbeitsleistung pro Eingangsenergie, wie z. B. der verbrauchte Kraftstoff;
„Gesamtwirkungsgrad“, z. B. für die Kraft-Wärme-Kopplung, elektrische Nutzleistung und Wärmeleistung pro verbrauchter Energie. Gleich wie der thermische Wirkungsgrad.
Bei Lichtausbeute ist der Teil der emittierten elektromagnetischen Strahlung für das menschliche Sehen nutzbar.

Brennstoffheizwerte und Effizienz
In Europa wird der nutzbare Energieinhalt des Brennstoffs typischerweise anhand des niedrigeren Heizwerts (LHV) dieses Brennstoffs berechnet, dessen Definition davon ausgeht, dass der bei der Brennstoffverbrennung (Oxidation) entstehende Wasserdampf gasförmig bleibt und nicht zu flüssigem Wasser kondensiert wird Daher ist die latente Verdampfungswärme dieses Wassers nicht nutzbar. Mit dem LHV kann ein Brennwertkessel einen „Heizwirkungsgrad“ von über 100% erreichen (dies verstößt nicht gegen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, solange die LHV-Konvention verstanden wird, führt jedoch zu Verwirrung). Dies liegt daran, dass die Vorrichtung einen Teil der Verdampfungswärme zurückgewinnt, die nicht in die Definition des niedrigeren Heizwerts des Kraftstoffs einbezogen ist. In den USA und anderswo wird der höhere Heizwert (HHV) verwendet, der die latente Wärme zum Kondensieren des Wasserdampfs einschließt. Daher kann das thermodynamische Maximum von 100% Wirkungsgrad bei Verwendung von HHV nicht überschritten werden.

Steckdoseneffizienz, Lichtausbeute und Effizienz
In optischen Systemen wie Beleuchtung und Lasern wird die Energieumwandlungseffizienz oft als Wandsteckereffizienz bezeichnet. Der Wandsteckwirkungsgrad ist das Maß für die abgegebene Strahlungsenergie in Watt (Joule pro Sekunde) pro Summe der eingegebenen elektrischen Energie in Watt. Die Ausgangsenergie wird normalerweise als absolute Bestrahlungsstärke gemessen, und der Wirkungsgrad der Wandsteckdose wird als Prozentsatz der gesamten Eingangsenergie angegeben, wobei der inverse Prozentsatz die Verluste darstellt.

Der Wandsteckwirkungsgrad unterscheidet sich von dem Lichtwirkungsgrad dahingehend, dass der Wandsteckwirkungsgrad die direkte Energieumwandlung / -umwandlung (die auszuführende Arbeit) beschreibt, während die Lichteffizienz die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen berücksichtigt ( wie gut es einen Raum beleuchten kann). Anstatt Watt zu verwenden, wird die Leistung einer Lichtquelle zur Erzeugung von zur menschlichen Wahrnehmung proportionalen Wellenlängen in Lumen gemessen. Das menschliche Auge ist am empfindlichsten für Wellenlängen von 555 Nanometern (grünlich-gelb), aber die Empfindlichkeit nimmt zu beiden Seiten dieser Wellenlänge dramatisch ab, folgt einer Gaußschen Leistungskurve und sinkt an den roten und violetten Enden des Spektrums auf null. Daher sieht das Auge normalerweise nicht alle Wellenlängen, die von einer bestimmten Lichtquelle ausgesandt werden, noch sieht es alle Wellenlängen innerhalb des visuellen Spektrums gleich. Zum Beispiel machen Gelb und Grün mehr als 50% von dem aus, was das Auge als weiß wahrnimmt, obwohl Weißlicht aus Strahlungsenergie zu gleichen Teilen aus allen Farben besteht (dh ein grüner 5-MW-Laser erscheint heller.) als ein roter Laser mit 5 MW, der rote Laser fällt jedoch besser vor einem weißen Hintergrund hervor). Daher kann die Strahlungsintensität einer Lichtquelle viel größer als ihre Lichtintensität sein, was bedeutet, dass die Quelle mehr Energie abgibt, als das Auge verwenden kann. Ebenso ist der Wandsteckwirkungsgrad der Lampe in der Regel größer als ihre Lichtausbeute.Die Wirksamkeit einer Lichtquelle zur Umwandlung elektrischer Energie in Wellenlängen des sichtbaren Lichts im Verhältnis zur Empfindlichkeit des menschlichen Auges wird als Lichtausbeute bezeichnet, die in Einheiten von Lumen pro Watt (lm / w) der elektrischen Eingabe gemessen wird -Energie.

Im Gegensatz zur Wirksamkeit (Effektivität), einer Maßeinheit, ist die Effizienz eine prozentlose Einheitszahl, die lediglich die Eingabe der Eingabe- und Ausgabeeinheiten desselben Typs erfordert.Daher ist die Lichtausbeute einer Lichtquelle der Prozentsatz der Lichtausbeute pro theoretisch maximalem Wirkungsgrad bei einer bestimmten Wellenlänge. Die Energiemenge, die ein Lichtphoton trägt, wird durch seine Wellenlänge bestimmt. In Lumen wird diese Energie durch die Empfindlichkeit des Auges gegenüber den ausgewählten Wellenlängen versetzt. Beispielsweise kann ein grüner Laserzeiger die scheinbare Helligkeit eines roten Zeigers der gleichen Ausgangsleistung mehr als 30-fach haben. Bei einer Wellenlänge von 555 nm entspricht 1 Watt Strahlungsenergie 685 Lumen. Daher hat eine monochromatische Lichtquelle bei dieser Wellenlänge mit einer Lichtausbeute von 685 lm / w eine Lichtausbeute von 100%. Die theoretisch maximale Wirksamkeit verringert sich für Wellenlängen auf beiden Seiten von 555 nm. Zum Beispiel erzeugen Natriumdampf-Niederdrucklampen monochromatisches Licht bei 589 nm mit einer Lichtausbeute von 200 lm / w, was die höchste aller Lampen ist. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad bei dieser Wellenlänge beträgt 525 lm / w, daher hat die Lampe eine Lichtausbeute von 38,1%. Da die Lampe monochromatisch ist, entspricht die Lichtausbeute der Wandsteckereffizienz von & lt; 40%.

Berechnungen zur Lichtausbeute werden für Lampen komplexer, die weißes Licht oder eine Mischung aus Spektrallinien erzeugen. Leuchtstofflampen haben höhere Wandsteckwirkungsgrade als Natriumdampf-Niederdrucklampen, weisen jedoch nur eine halbe Lichtausbeute von ~ 100 lm / w auf, daher ist die Lichtausbeute von Fluoreszenzmitteln niedriger als bei Natriumlampen. Eine Xenon-Blitzröhre hat einen typischen Wandsteckwirkungsgrad von 50 bis 70% und übertrifft den der meisten anderen Beleuchtungsformen. Da die Blitzröhre große Mengen an Infrarot- und Ultraviolettstrahlung emittiert, wird nur ein Teil der Ausgangsenergie vom Auge verbraucht. Die Lichtausbeute liegt daher typischerweise bei 50 lm / w. Nicht alle Anwendungen für Beleuchtung betreffen jedoch das menschliche Auge und sind nicht auf sichtbare Wellenlängen beschränkt. Beim Laserpumpen bezieht sich die Wirksamkeit nicht auf das menschliche Auge, daher wird sie nicht als „leuchtende“ Wirksamkeit bezeichnet, sondern einfach als „Wirksamkeit“, da sie sich auf die Absorptionslinien des Lasermediums bezieht. Krypton-Blitzröhren werden häufig für das Pumpen von Nd: YAG-Lasern ausgewählt, obwohl deren Wandsteckwirkungsgrad typischerweise nur etwa 40% beträgt. Kryptons Spektrallinien passen besser zu den Absorptionslinien des mit Neodymium dotierten Kristalls. Daher ist die Wirksamkeit von Krypton für diesen Zweck viel höher als bei Xenon.Bis zu doppelt so viel Laserleistung für denselben elektrischen Eingang erzeugen können. Alle diese Begriffe beziehen sich auf die Energiemenge und die Lumen, wenn sie die Lichtquelle verlassen, wobei jegliche Verluste, die innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung oder der nachfolgenden Ausgangsoptik auftreten können, unberücksichtigt bleiben. Der Leuchtenwirkungsgrad bezieht sich auf die Gesamtleistung der Leuchte pro Lampenleistung.

Mit Ausnahme einiger Lichtquellen, wie z. B. Glühlampen, haben die meisten Lichtquellen mehrere Stufen der Energieumwandlung zwischen dem „Wandstecker“ (elektrischer Eingangspunkt, der Batterien, direkte Verdrahtung oder andere Quellen umfassen kann) und der Endstufe Lichtleistung, wobei jede Stufe einen Verlust erzeugt. Natriumdampf-Niederdrucklampen wandeln die elektrische Energie zunächst mit einem elektrischen Vorschaltgerät um, um den richtigen Strom und die richtige Spannung aufrechtzuerhalten, wobei jedoch etwas Energie im Vorschaltgerät verloren geht. In ähnlicher Weise wandeln Leuchtstofflampen auch den Strom mit einem Vorschaltgerät (elektronischer Wirkungsgrad) um. Die Elektrizität wird dann durch den Lichtbogen in Lichtenergie umgewandelt (Elektrodeneffizienz und Entladungseffizienz). Das Licht wird dann auf eine fluoreszierende Beschichtung übertragen, die nur geeignete Wellenlängen mit einigen Verlusten dieser Wellenlängen aufgrund von Reflexion und Transmission durch die Beschichtung absorbiert (Übertragungseffizienz). Die Anzahl der von der Beschichtung absorbierten Photonen stimmt nicht mit der Anzahl überein, die als Fluoreszenz wiedergegeben wird (Quanteneffizienz). Schließlich haben die erneut emittierten Photonen aufgrund des Phänomens der Stokes-Verschiebung eine kürzere Wellenlänge (also eine niedrigere Energie) als die absorbierten Photonen (Fluoreszenzeffizienz). In ähnlicher Weise erfahren Laser auch viele Umwandlungsstufen zwischen dem Wandstecker und der Ausgangsapertur. Die Ausdrücke „Wandsteckwirkungsgrad“ oder „Energieumwandlungswirkungsgrad“ werden daher verwendet, um den Gesamtwirkungsgrad der Energieumwandlungsvorrichtung zu bezeichnen, wobei die Verluste von jeder Stufe abgezogen werden, obwohl dies externe Komponenten ausschließen kann, die zum Betrieb einiger Vorrichtungen benötigt werden, wie z Kühlmittelpumpen.

Beispiel für die Energieumwandlungseffizienz