에너지 변환 효율 (η)은 에너지 변환 장치의 유용한 출력과 입력 간의 비율입니다. 유용한 출력뿐만 아니라 입력은 화학, 전력, 기계 작업, 빛 (방사선) 또는 열이 될 수 있습니다.
개요
에너지 변환 효율은 출력의 유용성에 달려있다. 예를 들어 작업이 열역학 사이클의 원하는 출력 인 경우 연료를 연소하여 생성 된 열 전부 또는 일부가 불량 열이 될 수 있습니다. 에너지 변환 장치는 에너지 변환의 한 예입니다. 예를 들어 전구는 에너지 변환기 범주에 속합니다. 정의에는 유용성이라는 개념이 포함되어 있지만 효율성은 기술 또는 물리적 용어로 간주됩니다. 목표 또는 임무 중심의 용어는 효과와 효능을 포함합니다.
정의에는 유용성이라는 개념이 포함되어 있지만 효율성은 기술 또는 물리적 용어로 간주됩니다. 목표 또는 임무 중심의 용어는 효과와 효능을 포함합니다.일반적으로 에너지 변환 효율은 0과 1.0 사이의 무 차원 숫자 또는 0 %에서 100 %입니다. 영원한 운동 기계와 같이 효율성은 100 %를 초과 할 수 없습니다. 그러나 1.0을 초과 할 수있는 다른 효과 측정은 히트 펌프 및 변환하기보다는 열을 이동시키는 기타 장치에 사용됩니다.
열 엔진과 발전소의 효율성에 대해 말할 때 HHV (일명 총 열량) 또는 LCV (일명 순 난방 가치) 및 총 출력 (발전기 단자에서) 또는 그물 출력 (발전소 펜스에서)이 고려되고있다. 둘은 분리되어 있지만 모두 명시해야합니다. 그렇게하지 않으면 끝없는 혼란이 야기됩니다.
보다 구체적인 용어와 관련된
전기 효율, 소비 된 전력 당 유용한 전력 출력;
기계적 에너지의 한 형태 (예 : 물의 잠재적 에너지)가 기계적 에너지로 변환되는 기계적 효율 (작업);
열 효율 또는 연료 효율, 소비 된 연료와 같은 입력 에너지 당 유용한 열 및 / 또는 일 출력;
예를 들어, 열병합 발전, 유용한 전력 및 소비 된 연료 에너지 당 열 출력에 대한 ‘총 효율’. 열효율과 동일합니다.
발광 효율은 방출되는 전자기 복사의 일부가 사람의 시각에 유용합니다.
연료 발열량 및 효율
유럽에서 연료의 사용 가능한 에너지 함량은 일반적으로 연료 연소 (산화) 중에 생성 된 수증기가 기체 상태로 남아 있고 액체 수에 응축되지 않는다고 가정하는 해당 연료의 낮은 발열량 (LHV)을 사용하여 계산됩니다 그 물의 기화 잠열은 사용할 수 없다. LHV를 사용하면 응축 보일러가 100 %를 초과하는 “가열 효율”을 달성 할 수 있습니다 (LHV 규정이 이해되는 한 열역학의 첫 번째 법칙을 위반하지 않지만 혼란을 야기 함). 이것은 장치가 연료의 낮은 발열량의 정의에 포함되지 않은 기화열의 일부를 회복하기 때문입니다. 미국과 다른 지역에서는 수증기를 응축하기위한 잠재 열을 포함하는 높은 발열량 (HHV)이 사용되므로 HHV의 사용으로 열역학적 최대 효율 100 %를 초과 할 수 없습니다.
벽 플러그 효율, 발광 효율 및 효능
조명 및 레이저와 같은 광학 시스템에서 에너지 변환 효율은 종종 월 플러그 효율 (wall-plug efficiency)이라고합니다. 벽 플러그 효율성은 와트 단위의 입력 전기 에너지 총량에 대한 출력 복사 에너지의 단위입니다 (와트 / 초). 출력 에너지는 일반적으로 절대 방사 조도로 측정되며 벽 플러그 효율은 총 입력 에너지의 백분율로 표시되며 역 백분율은 손실을 나타냅니다.
벽 플러그 효율은 벽면 효율이 에너지의 직접적인 출력 / 입력 변환 (수행 할 수있는 작업량)을 설명하는 반면 발광 효율은 사람의 눈의 다양한 파장에 대한 다양한 감도를 고려한 점에서 (발광 효율과 다릅니다 얼마나 잘 공간을 밝힐 수 있는지). 와트를 사용하는 대신 인간의 인식에 비례하여 파장을 생성하는 광원의 출력이 루멘 (lumen) 단위로 측정됩니다. 인간의 눈은 555 나노 미터 (녹색 – 황색)의 파장에 가장 민감하지만 감도는 스펙트럼의 적색 및 보라색 끝에서 가우스 파워 커브 (Gaussian power-curve) 및 감도 (zero sensitivity)로 떨어지고이 파장의 어느 한쪽으로 급격히 감소합니다. 이 때문에 눈은 일반적으로 특정 광원에 의해 방출 된 모든 파장을 보지 않으며 시각 스펙트럼 내의 모든 파장을 동일하게 보지 않습니다. 예를 들어 옐로우와 그린은 눈동자가 흰색으로 인식하는 것의 50 % 이상을 차지합니다. 빛 에너지의 백색광은 모든 색상의 동일한 부분으로 만들어 지지만 (예 : 5mw 녹색 레이저가 더 밝게 보입니다 5mw 적색 레이저보다 더 좋지만, 적색 레이저는 흰색 배경에 비해 우수합니다.따라서 광원의 복사 강도는 광도보다 훨씬 클 수 있습니다. 즉, 광원이 사용할 수있는 것보다 더 많은 에너지를 방출합니다. 마찬가지로 램프의 벽 플러그 효율은 일반적으로 발광 효율보다 큽니다. 인간의 눈의 감도에 비례하여 전기 에너지를 가시 광선의 파장으로 변환시키는 광원의 유효성은 발광 효율 (luminous efficacy)로 불리며, 이는 전기 입력의 와트 당 루멘 (lm / w) 단위로 측정된다 -에너지.
측정 단위 인 유효성 (효율성)과 달리 효율성은 백분율로 표시되는 단위없는 숫자이며 입력 및 출력 단위가 동일한 유형이어야한다는 점만 제외하면 백분율로 표시됩니다. 따라서, 광원의 발광 효율은 특정 파장에서의 이론적 최대 효율 당 발광 효율의 백분율이다. 빛의 광자에 의해 운반되는 에너지의 양은 그 파장에 의해 결정됩니다. 루멘스에서이 에너지는 선택된 파장에 대한 눈의 감도로 상쇄됩니다. 예를 들어, 녹색 레이저 포인터는 동일한 전원 출력의 빨간색 포인터의 겉보기 밝기의 30 배를 초과 할 수 있습니다. 파장 555 nm에서 1 와트의 복사 에너지는 685 루멘에 해당하므로 685 lm / w의 발광 효율을 가진이 파장의 단색 광원이 100 %의 발광 효율을 갖습니다. 555 nm의 양측 파장에서 이론적 최대 효율은 낮아집니다. 예를 들어, 저압 나트륨 램프는 589 nm에서 단색광을 생성하고 200 lm / w의 발광 효율을 나타내며 이는 어떤 램프보다 높습니다. 파장에서의 이론적 최대 효과는 525 lm / w이므로 램프의 발광 효율은 38.1 %입니다. 램프는 단색이기 때문에, 발광 효율은 < 40 %.
발광 효율에 대한 계산은 백색광 또는 스펙트럼 선 혼합을 생성하는 램프에 대해 더욱 복잡해집니다.형광 램프는 저압 나트륨 램프보다 월 플러그 효율이 높지만 발광 효율이 약 100 lm / w에 불과하므로 형광 램프의 발광 효율은 나트륨 램프보다 낮습니다. 크세논 플래시 튜브의 일반적인 벽 플러그 효율은 50 ~ 70 %이며 대부분의 다른 조명 방식보다 월등합니다. 섬광 튜브는 다량의 적외선 및 자외선을 방출하기 때문에 출력 에너지의 일부만 눈에 사용됩니다. 따라서 발광 효율은 일반적으로 약 50 lm / w이다. 그러나 조명을위한 모든 응용 프로그램이 사람의 눈을 포함하지 않으며 가시적 인 파장에만 국한되는 것은 아닙니다. 레이저 펌핑의 경우 효능은 인간의 눈과 관련이 없으므로 “빛나는”효능이 아니라 레이저 매체의 흡수 선과 관련하여 간단히 “효능”이라고합니다. 크립톤 플래시 튜브는 Nd : YAG 레이저를 펌핑하기 위해 종종 선택됩니다. 비록 벽 플러그 효율이 일반적으로 ~ 40 %에 불과하지만. 크립톤의 스펙트럼 선은 네오디뮴이 도핑 된 결정의 흡수 선에 더 잘 부합하므로 크립톤의 효능은 크세논보다 훨씬 높습니다. 동일한 전기 입력에 대해 최대 2 배의 레이저 출력을 생성 할 수 있습니다. 이 모든 용어는 조명 장치 또는 후속 출력 광학 장치에서 발생할 수있는 손실을 무시하면서 광원을 나가는 에너지 및 루멘의 양을 나타냅니다. 조명 효율은 램프 출력 당 조명기의 전체 루멘 출력을 의미합니다.
백열 전구와 같은 몇 가지 광원을 제외하고 대부분의 광원은 “벽 플러그”(배터리, 직접 배선 또는 기타 소스가 포함될 수있는 전기 입력 지점)와 최종 광 출력, 각 단계는 손실을 일으킨다. 저압 나트륨 램프는 처음에는 적절한 전류와 전압을 유지하기 위해 전기 안정기를 사용하여 전기 에너지를 변환하지만 일부 에너지는 안정기에서 손실됩니다. 마찬가지로 형광등은 안정기 (전자 효율)를 사용하여 전기를 변환합니다. 그러면 전기는 전기 아크 (전극 효율 및 방전 효율)에 의해 빛 에너지로 변환됩니다. 그런 다음 빛은 적절한 파장만을 흡수하는 형광 코팅으로 옮겨지며 반사 반사 및 코팅을 통한 투과 (전송 효율)로 인해 해당 파장의 손실이 발생합니다. 코팅에 의해 흡수 된 광자의 수는 형광으로 재사용 된 수 (양자 효율)와 일치하지 않습니다. 마지막으로 Stokes shift 현상으로 인해 재 흡수 된 광자는 흡수 된 광자 (형광 효율)보다 짧은 파장 (따라서 에너지가 낮아짐)을 갖게됩니다. 매우 유사한 방식으로, 레이저는 또한 벽 플러그와 출력 구경 사이의 많은 전환 단계를 경험합니다. 따라서 “벽 플러그 효율”또는 “에너지 변환 효율”이라는 용어는 에너지 변환 장치의 전체 효율을 나타 내기 위해 사용되며, 각 장치의 손실을 공제합니다. 냉각수 펌프.
에너지 변환 효율의 예
| 변환 프로세스 | 전환 유형 | 에너지 효율 |
|---|---|---|
| 전기 세대 | ||
| 가스 터빈 | 화학 – 전기 | 최대 40 % |
| 가스 터빈 및 증기 터빈 (복합 사이클) | 화학 / 열 – 전기 | 최대 60 % |
| 수차 | 중력에서 전기까지 | 최대 90 % (실질적으로 달성 됨) |
| 풍력 터빈 | 키네틱 – 전기 | 최대 59 % (이론적 한계) |
| 태양 전지 | 방사성 – 전기 | 6-40 % (기술 의존적, 15-20 %, 가장 자주, 85-90 % 이론적 한계) |
| 연료 전지 | 화학 – 전기 | 최대 85 % |
| 세계 전기 세대 2008 | 총 생산량 39 % | 순 출력 33 % |
| 전기 저장 장치 | ||
| 리튬 이온 배터리 | 화학 / 전기 / 가역 | 80-90 % |
| 니켈 수소 전지 | 화학 / 전기 / 가역 | 66 % |
| 납산 배터리 | 화학 / 전기 / 가역 | 50-95 % |
| 엔진 / 모터 | ||
| 연소 엔진 | 케미칼에 화학 작용 | 10-50 % |
| 전기 모터 | 전기에서 운동까지 | 70-99.99 % (> 200W); 50-90 % (10-200W); 30-60 % (<10W) |
| 터보 팬 | 케미칼에 화학 작용 | 20-40 % |
| 자연 과정 | ||
| 광합성 | 화학 물질에 대한 방사성 | 최대 6 % |
| 근육 | 케미칼에 화학 작용 | 14-27 % |
| 기구 | ||
| 가정용 냉장고 | 전기에서 열까지 | 로우 엔드 시스템 ~ 20 %; 하이 엔드 시스템 ~ 40-50 % |
| 백열 전구 | 전기를 방사성으로 | 0.7-5.1 %, 5-10 % |
| 발광 다이오드 (LED) | 전기를 방사성으로 | 4.2-53 % |
| 형광등 | 전기를 방사성으로 | 8.0-15.6 %, 28 % |
| 저압 나트륨 램프 | 전기를 방사성으로 | 15.0-29.0 %, 40.5 % |
| 메탈 할라이드 램프 | 전기를 방사성으로 | 9.5-17.0 %, 24 % |
| 스위치 모드 전원 공급 장치 | 전기와 전기 | 현재 최대 96 %까지 |
| 전기 샤워 | 전기에서 열까지 | 90-95 % (다른 온수 난방 시스템과의 비교를 위해 발전 효율을 배가) |
| 전기 히터 | 전기에서 열까지 | ~ 100 % (본질적으로 모든 에너지는 열로 변환되고 다른 난방 시스템과의 비교를 위해 발전의 에너지 효율을 곱한다) |
| 기타 | ||
| 총기 | 케미칼에 화학 작용 | ~ 30 % (.300 호크 탄약) |
| 물의 전기 분해 | 전기 – 화학 | 50-70 % (이론상 최대 80-94 %) |