Эффективность преобразования энергии

Эффективность преобразования энергии (η) представляет собой соотношение полезного выхода машины преобразования энергии и входа в энергетическом выражении. Входом, а также полезным выходом могут быть химические, электрические, механические работы, свет (излучение) или тепло.

обзор
Эффективность преобразования энергии зависит от полезности выхода. Все или часть тепла, образующегося при сжигании топлива, могут стать отброшенными отработанными отходами, если, например, работа является желаемым выходом из термодинамического цикла.Преобразователь энергии является примером преобразования энергии. Например, лампочка относится к категории преобразователей энергии.  Хотя определение включает понятие полезности, эффективность считается техническим или физическим термином.Целевые или ориентированные на миссию термины включают эффективность и эффективность.

Как правило, эффективность преобразования энергии представляет собой безразмерное число от 0 до 1,0, или от 0% до 100%. Эффективность не может превышать 100%, например, для вечного двигателя. Однако другие меры эффективности, которые могут превышать 1,0, используются для тепловых насосов и других устройств, которые перемещают тепло, а не преобразуют его.

Говоря об эффективности тепловых двигателей и электростанций, следует указывать конвенцию, например, HHV (aka Gross Heating Value и т. Д.) Или LCV (aka Net Heating value), а также валовой объем (на терминалах генератора) или сеть (на заводе электростанции). Эти два являются отдельными, но оба должны быть указаны. Неспособность сделать это вызывает бесконечную путаницу.

Связанные, более конкретные термины включают

Электрическая эффективность, полезная мощность на потребляемую электроэнергию;
Механическая эффективность, когда одна форма механической энергии (например, потенциальная энергия воды) преобразуется в механическую энергию (работу);
Тепловая эффективность или эффективность использования топлива, полезная тепловая и / или работающая мощность на каждую входную энергию, такую ​​как потребленное топливо;
«Общая эффективность», например, для когенерации, полезной электрической энергии и тепловой мощности на потребляемую энергию топлива. То же, что и тепловой КПД.
Световая эффективность, эта часть излучаемого электромагнитного излучения пригодна для человеческого зрения.

Значения и эффективность нагрева топлива
В Европе полезное энергетическое содержание топлива обычно рассчитывается с использованием более низкой теплотворной способности (LHV) этого топлива, определение которого предполагает, что водяной пар, образующийся при сгорании топлива (окисление), остается газообразным и не конденсируется с жидкой водой поэтому скрытая теплота испарения этой воды непригодна. Используя LHV, конденсационный котел может достичь «эффективности нагрева» более 100% (это не нарушает первый закон термодинамики, если понимать соглашение LHV, но вызывает путаницу). Это связано с тем, что устройство восстанавливает часть тепла испарения, которое не включено в определение более низкой теплотворной способности топлива. В США и в других местах используется более высокая теплотворная способность (HHV), которая включает скрытую теплоту для конденсации водяного пара и, следовательно, нельзя использовать термодинамический максимум 100% эффективности при использовании HHV.

Эффективность настенного крепления, эффективность света и эффективность
В оптических системах, таких как освещение и лазеры, эффективность преобразования энергии часто называется эффективностью настенного крепления. Эффективность настенной розетки – это показатель выходной радиационной энергии в ваттах (джоулей в секунду), в расчете на общую входную электрическую энергию в ваттах. Обычно выходная энергия измеряется с точки зрения абсолютной освещенности, а эффективность настенной розетки дается в процентах от общей входной энергии с обратным процентом, представляющим потери.

Эффективность настенной розетки отличается от световой эффективности в том, что эффективность настенной розетки описывает прямое преобразование энергии на выходе / входе (количество работы, которое может быть выполнено), тогда как световая эффективность учитывает различную чувствительность человеческого глаза к различным длинам волн ( насколько хорошо он может освещать пространство). Вместо использования ватт мощность источника света для создания длин волн, пропорциональных восприятию человека, измеряется в люменах. Человеческий глаз наиболее чувствителен к длинам волн 555 нанометров (зеленовато-желтый), но чувствительность резко уменьшается с обеих сторон этой длины волны, следуя гауссовой кривой мощности и снижая до нуля чувствительность на красном и фиолетовом концах спектра. Из-за этого глаз обычно не видит все длины волн, излучаемых конкретным источником света, и он не видит одинаково все длины волн в пределах визуального спектра. Например, желтый и зеленый цвета составляют более 50% того, что воспринимается глазом как белое, хотя с точки зрения лучистой энергии белый свет сделан из равных частей всех цветов (т. Е. Зеленый лазер мощностью 5 мВт становится ярче чем 5 мВт красного лазера, но красный лазер лучше выделяется на белом фоне). Поэтому интенсивность излучения источника света может быть намного больше, чем его сила света, что означает, что источник излучает больше энергии, чем глаз может использовать.Аналогично, эффективность работы лампы на стене обычно больше, чем ее световая эффективность. Эффективность источника света для преобразования электрической энергии в длины волны видимого света в пропорции к чувствительности человеческого глаза упоминается как световая эффективность, которая измеряется в единицах люмен на ватт (лм / Вт) электрического входа -Энергетика.

В отличие от эффективности (эффективности), которая является единицей измерения, эффективность представляет собой единичное число, выраженное в процентах, что требует только того, чтобы входные и выходные единицы были одного типа. Таким образом, световая эффективность источника света представляет собой процент светосильной эффективности на теоретико-максимальную эффективность при определенной длине волны. Величина энергии, переносимая фотоном света, определяется его длиной волны. В люменах эта энергия компенсируется чувствительностью глаза к выбранным длинам волн. Например, зеленый указатель лазера может иметь более чем в 30 раз кажущуюся яркость красного указателя с той же выходной мощностью. При длине волны 555 нм излучательная энергия 1 Вт эквивалентна 685 люменам, поэтому монохроматический источник света на этой длине волны со световой эффективностью 685 лм / Вт имеет светоотдачу 100%. Теоретическая максимальная эффективность снижается для длин волн с обеих сторон 555 нм. Например, натриевые лампы низкого давления производят монохроматический свет при 589 нм со световой эффективностью 200 лм / Вт, что является самым высоким из всех ламп.Теоретическая максимальная эффективность на этой длине волны составляет 525 лм / Вт, поэтому лампа имеет светоотдачу 38,1%. Поскольку лампа является монохроматической, световая эффективность почти соответствует эффективности настенной розетки, 40%.

Расчеты для световой эффективности становятся более сложными для ламп, которые производят белый свет или смесь спектральных линий. Люминесцентные лампы обладают большей эффективностью настенного крепления, чем натриевые лампы низкого давления, но имеют только половину световой эффективности ~ 100 лм / Вт, поэтому световая эффективность флуоресценции ниже, чем натриевые лампы. Ксеноновая флэш-трубка имеет типичную производительность настенного крепления на 50–70%, превышающую мощность большинства других видов освещения. Поскольку флэш-трубка излучает большое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, только часть выходной энергии используется глазом. Таким образом, световая эффективность обычно составляет около 50 лм / Вт. Однако не все приложения для освещения связаны с человеческим глазом и не ограничены видимыми длинами волн. Для лазерной накачки эффективность не связана с человеческим глазом, поэтому она не называется «световой» эффективностью, а скорее просто «эффективностью», поскольку она относится к линиям поглощения лазерной среды. Криптонные вспышки часто выбираются для накачки Nd: YAG-лазеров, хотя эффективность их работы на стенке обычно составляет всего ~ 40%. Спектральные линии Криптона лучше соответствуют линиям поглощения кристалла, легированного неодимом, поэтому эффективность криптона для этой цели намного выше, чем ксенон; способный производить в два раза больше лазерного выхода для одного и того же электрического входа. Все эти термины относятся к количеству энергии и люменов при выходе из источника света, невзирая на любые потери, которые могут возникнуть в осветительной арматуре или последующей оптике выхода. Эффективность светильника относится к общему выходу люмен из светильника на выход лампы.

За исключением нескольких источников света, таких как лампы накаливания, большинство источников света имеют несколько этапов преобразования энергии между «стеновой заглушкой» (электрическая входная точка, которая может включать батареи, прямую проводку или другие источники) и окончательный светоотдача, причем каждый этап производит потерю.Натриевые лампы низкого давления первоначально преобразуют электрическую энергию с помощью электрического балласта, чтобы поддерживать надлежащий ток и напряжение, но в балласте теряется некоторая энергия. Аналогичным образом, люминесцентные лампы также преобразуют электричество с использованием балласта (электронная эффективность). Затем электричество преобразуется в световую энергию электрической дугой (эффективность электрода и эффективность разряда). Затем свет переносится на флуоресцентное покрытие, которое поглощает только соответствующие длины волн с некоторыми потерями этих длин волн из-за отражения и пропускания через покрытие (эффективность передачи). Число фотонов, поглощаемых покрытием, не будет соответствовать числу, которое затем повторно используется как флуоресценция (квантовая эффективность). Наконец, из-за явления стоксового сдвига вновь испускаемые фотоны будут иметь более короткую длину волны (таким образом, более низкую энергию), чем поглощенные фотоны (эффективность флуоресценции).Подобным же образом лазеры также испытывают много стадий преобразования между настенкой и выходной апертурой. Поэтому термины «эффективность настенной розетки» или «эффективность преобразования энергии» используются для обозначения общей эффективности устройства преобразования энергии, вычитания потерь с каждой ступени, хотя это может исключать внешние компоненты, необходимые для работы с некоторыми устройствами, такими как насосы охлаждающей жидкости.

Пример эффективности преобразования энергии

Процесс конверсии Тип конверсии Энергоэффективность
Производство электроэнергии
Газовая турбина Химический к электрическим до 40%
Газовая турбина плюс паровая турбина (комбинированный цикл) Химические / термические к электрическим до 60%
Водяная турбина Гравитационные для электрических до 90% (практически достигнуто)
Ветровая турбина Кинетические для электрических до 59% (теоретический предел)
Солнечная батарея Радиационная на электрическую 6-40% (зависит от технологии, 15-20% чаще всего, 85-90% теоретического предела)
Топливная ячейка Химический к электрическим до 85%
Мировое производство электроэнергии 2008 Валовая продукция 39% Чистая прибыль 33%
Электричество
Литий-ионный аккумулятор Химический к электрическому / обратимому 80-90%
Никель-металлгидридная батарея Химический к электрическому / обратимому 66%
Свинцово-кислотный аккумулятор Химический к электрическому / обратимому 50-95%
Двигатель / мотор
Двигатель внутреннего сгорания Химический к кинетическому 10-50%
Электрический двигатель Электрические к кинетическим 70-99,99% (> 200 Вт); 50-90% (10-200 Вт); 30-60% (менее 10 Вт)
турбовентиляторный Химический к кинетическому 20-40%
Естественный процесс
фотосинтез Радиационно-химический до 6%
мускул Химический к кинетическому 14-27%
прибор
Бытовые холодильники Электрические к тепловым low-end системы ~ 20%; высокопроизводительные системы ~ 40-50%
Лампа накаливания Электрическое излучение 0,7-5,1%, 5-10%
Светодиод (LED) Электрическое излучение 4.2-53%
Флюоресцентная лампа Электрическое излучение 8.0-15.6%, 28%
Натриевая лампа низкого давления Электрическое излучение 15,0-29,0%, 40,5%
Металлогалогенная лампа Электрическое излучение 9,5-17,0%, 24%
Электропитание с коммутируемым режимом Электрические электрические в настоящее время до 96% практически
Электрический душ Электрические к тепловым 90-95% (умножьте с энергетической эффективностью выработки электроэнергии для сравнения с другими водонагревательными системами)
Электрический нагреватель Электрические к тепловым ~ 100% (по существу вся энергия преобразуется в тепло, умножается на энергоэффективность выработки электроэнергии для сравнения с другими системами отопления)
другие
огнестрельный Химический к кинетическому ~ 30% (.300 боеприпасов Ястреба)
Электролиз воды Электрические и химические 50-70% (теоретический максимум 80-94%)