Эффективность преобразования энергии ( η ) — это отношение полезного выхода машины преобразования энергии к входу, в терминах энергии . Вход, как и полезный выход, может быть химическим , электрическим , механической работой , светом (излучением) или теплом . Результирующее значение, η (eta), находится в диапазоне от 0 до 1. [1] [2] [3]
Эффективность преобразования энергии зависит от полезности результата. Все или часть тепла, полученного при сжигании топлива, может стать отброшенным отработанным теплом, если, например, желаемым результатом термодинамического цикла является работа . Преобразователь энергии является примером преобразования энергии. Например, лампочка попадает в категорию преобразователей энергии. Несмотря на то, что определение включает понятие полезности, эффективность считается техническим или физическим термином. Термины, ориентированные на цель или миссию, включают эффективность и действенность .
Как правило, эффективность преобразования энергии представляет собой безразмерное число от 0 до 1,0 или от 0% до 100%. Эффективность не может превышать 100%, что привело бы к вечному двигателю, что невозможно.
Однако другие показатели эффективности , которые могут превышать 1,0, используются для холодильников , тепловых насосов и других устройств, которые перемещают тепло, а не преобразуют его. Это называется не эффективностью, а коэффициентом производительности , или COP . Это отношение полезного нагрева или охлаждения, обеспечиваемого относительно требуемой работы (энергии). Более высокие COP соответствуют более высокой эффективности, более низкому потреблению энергии (мощности) и, следовательно, более низким эксплуатационным расходам. COP обычно превышает 1, особенно в тепловых насосах, потому что вместо того, чтобы просто преобразовывать работу в тепло (что при 100% эффективности было бы COP 1), он перекачивает дополнительное тепло из источника тепла туда, где оно требуется. Большинство кондиционеров имеют COP от 2,3 до 3,5. [4]
Говоря об эффективности тепловых двигателей и электростанций, следует указать условное обозначение, то есть HHV ( высшая теплотворная способность и т. д.) или LCV (низшая теплотворная способность), а также то, рассматривается ли валовая выработка (на клеммах генератора) или чистая выработка (на ограждении электростанции). Эти два понятия являются отдельными, но оба они должны быть указаны. Невыполнение этого требования приводит к бесконечной путанице.
Связанные, более конкретные термины включают
Изменение энергии Гиббса определенного химического превращения при определенной температуре — это минимальное теоретическое количество энергии, необходимое для того, чтобы произошло это изменение (если изменение энергии Гиббса между реагентами и продуктами положительно) или максимальная теоретическая энергия, которая может быть получена из этого изменения (если изменение энергии Гиббса между реагентами и продуктами отрицательно). Энергетическая эффективность процесса, включающего химическое изменение, может быть выражена относительно этих теоретических минимумов или максимумов. Разница между изменением энтальпии и изменением энергии Гиббса химического превращения при определенной температуре указывает на требуемый подвод тепла или отвод тепла (охлаждение), требуемый для поддержания этой температуры. [5]
Топливный элемент можно считать противоположностью электролизу. Например, идеальный топливный элемент, работающий при температуре 25 °C, имеющий газообразный водород и газообразный кислород в качестве входов и жидкую воду в качестве выхода, может производить теоретически максимальное количество электроэнергии 237,129 кДж (0,06587 кВт·ч) на грамм-моль (18,0154 грамма) произведенной воды и потребует 48,701 кДж (0,01353 кВт·ч) на грамм-моль произведенной воды тепловой энергии, которая должна быть удалена из элемента для поддержания этой температуры. [6]
Идеальная электролизная установка, работающая при температуре 25 °C, имеющая жидкую воду в качестве входного материала и газообразный водород и газообразный кислород в качестве продуктов, потребовала бы теоретического минимального ввода электрической энергии в размере 237,129 кДж (0,06587 кВт·ч) на грамм-моль (18,0154 грамма) потребляемой воды и потребовала бы 48,701 кДж (0,01353 кВт·ч) на грамм-моль потребляемой воды тепловой энергии, которая должна быть добавлена к установке для поддержания этой температуры. [6] Она работала бы при напряжении ячейки 1,24 В.
Для электролизной установки для воды, работающей при постоянной температуре 25 °C без подвода какой-либо дополнительной тепловой энергии, электрическая энергия должна подаваться со скоростью, эквивалентной энтальпии (теплу) реакции или 285,830 кДж (0,07940 кВт·ч) на грамм-моль потребленной воды. [6] Она будет работать при напряжении ячейки 1,48 В. Входная электрическая энергия этой ячейки в 1,20 раза больше теоретического минимума, поэтому энергетическая эффективность составляет 0,83 по сравнению с идеальной ячейкой.
Установка электролиза воды, работающая при напряжении выше 1,48 В и температуре 25 °C, должна будет отводить тепловую энергию для поддержания постоянной температуры, а ее энергоэффективность составит менее 0,83.
Большая разница в энтропии между жидкой водой и газообразным водородом и газообразным кислородом объясняет значительную разницу между энергией Гиббса реакции и энтальпией (теплотой) реакции.
В Европе полезная энергия топлива обычно рассчитывается с использованием низшей теплоты сгорания (LHV) этого топлива, определение которой предполагает, что водяной пар, образующийся при сгорании топлива (окислении), остается газообразным и не конденсируется в жидкую воду, поэтому скрытая теплота испарения этой воды не может быть использована. Используя LHV, конденсационный котел может достичь «тепловой эффективности» свыше 100% (это не нарушает первый закон термодинамики, если понятна конвенция LHV, но вызывает путаницу). Это происходит потому, что аппарат восстанавливает часть теплоты испарения , которая не включена в определение низшей теплоты сгорания топлива. [ необходима цитата ] В США и других странах используется высшая теплота сгорания (HHV), которая включает скрытую теплоту конденсации водяного пара, и, таким образом, термодинамический максимум эффективности 100% не может быть превышен.
В оптических системах, таких как освещение и лазеры , эффективность преобразования энергии часто называют эффективностью настенной розетки . Эффективность настенной розетки — это мера выходной энергии излучения в ваттах ( джоулях в секунду) на общую входную электрическую энергию в ваттах. Выходная энергия обычно измеряется в терминах абсолютной освещенности , а эффективность настенной розетки указывается в процентах от общей входной энергии, причем обратный процент представляет потери.
Эффективность настенной розетки отличается от световой эффективности тем, 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 разным длинам волн (насколько хорошо он может освещать пространство). Вместо использования ватт, мощность источника света для создания длин волн, пропорциональных человеческому восприятию, измеряется в люменах . Человеческий глаз наиболее чувствителен к длинам волн 555 нанометров (зеленовато-желтый), но чувствительность резко снижается по обе стороны от этой длины волны, следуя гауссовой кривой мощности и опускаясь до нуля на красном и фиолетовом концах спектра. Из-за этого глаз обычно не видит все длины волн, излучаемые определенным источником света, и не видит все длины волн в пределах визуального спектра одинаково. Например, желтый и зеленый составляют более 50% того, что глаз воспринимает как белый, хотя с точки зрения лучистой энергии белый свет состоит из равных частей всех цветов (то есть: зеленый лазер мощностью 5 мВт кажется ярче, чем красный лазер мощностью 5 мВт, но красный лазер лучше выделяется на белом фоне). Поэтому интенсивность излучения источника света может быть намного больше его световой интенсивности , что означает, что источник излучает больше энергии, чем глаз может использовать. Аналогично, эффективность настенной розетки лампы обычно больше ее световой эффективности. Эффективность источника света по преобразованию электрической энергии в длины волн видимого света, пропорциональная чувствительности человеческого глаза, называется световой эффективностью , которая измеряется в единицах люмен на ватт (лм/Вт) электрической входной энергии.
В отличие от эффективности (эффективности), которая является единицей измерения , эффективность — это безразмерное число, выраженное в процентах , требующее только, чтобы входные и выходные единицы были одного типа. Таким образом, световая эффективность источника света — это процент световой эффективности на теоретическую максимальную эффективность на определенной длине волны. Количество энергии, переносимой фотоном света, определяется его длиной волны. В люменах эта энергия компенсируется чувствительностью глаза к выбранным длинам волн. Например, зеленая лазерная указка может иметь более чем в 30 раз большую видимую яркость, чем красная указка той же выходной мощности. При длине волны 555 нм 1 Вт излучаемой энергии эквивалентен 683 люменам, таким образом, монохроматический источник света на этой длине волны со световой эффективностью 683 лм/Вт будет иметь световую эффективность 100%. Теоретическая максимальная эффективность снижается для длин волн по обе стороны от 555 нм. Например, натриевые лампы низкого давления производят монохроматический свет на 589 нм со световой эффективностью 200 лм/Вт, что является самой высокой среди всех ламп. Теоретическая максимальная эффективность на этой длине волны составляет 525 лм/Вт, поэтому лампа имеет световую эффективность 38,1%. Поскольку лампа монохромная, световая эффективность почти соответствует эффективности настенной розетки < 40%. [7] [8]
Расчеты световой эффективности становятся более сложными для ламп, которые производят белый свет или смесь спектральных линий. Флуоресцентные лампы имеют более высокую эффективность при подключении к розетке, чем натриевые лампы низкого давления, но имеют только половину световой эффективности ~ 100 лм/Вт, таким образом, световая эффективность флуоресцентных ламп ниже, чем натриевых ламп. Ксеноновая импульсная лампа имеет типичную эффективность при подключении к розетке 50–70%, что превышает таковую у большинства других форм освещения. Поскольку импульсная лампа излучает большое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, только часть выходной энергии используется глазом. Поэтому световая эффективность обычно составляет около 50 лм/Вт. Однако не все приложения для освещения включают человеческий глаз и не ограничиваются 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 . Криптоновые импульсные лампы часто выбирают для накачки Nd:YAG лазеров , хотя их эффективность при подключении к розетке обычно составляет всего ~ 40%. Спектральные линии криптона лучше соответствуют линиям поглощения легированного неодимом кристалла, поэтому эффективность криптона для этой цели намного выше, чем ксенона ; он способен производить до двух раз больше лазерного излучения при том же электрическом входе. [9] [10] Все эти термины относятся к количеству энергии и люменов, когда они выходят из источника света, без учета любых потерь, которые могут возникнуть в осветительном приборе или последующей выходной оптике. Эффективность светильника относится к общему световому потоку прибора на выход лампы. [11]
За исключением нескольких источников света, таких как лампы накаливания , большинство источников света имеют несколько стадий преобразования энергии между «штепсельной вилкой» (электрической точкой входа, которая может включать батареи, прямую проводку или другие источники) и конечным световым выходом, причем каждая стадия производит потери. Натриевые лампы низкого давления изначально преобразуют электрическую энергию с помощью электрического балласта , чтобы поддерживать надлежащий ток и напряжение, но часть энергии теряется в балласте. Аналогично, люминесцентные лампы также преобразуют электричество с помощью балласта (электронная эффективность). Затем электричество преобразуется в световую энергию электрической дугой ( эффективность электрода и эффективность разряда). Затем свет передается на флуоресцентное покрытие, которое поглощает только подходящие длины волн, с некоторыми потерями этих длин волн из-за отражения и пропускания через покрытие (эффективность передачи). Количество фотонов, поглощенных покрытием, не будет соответствовать количеству, затем переизлученному в виде флуоресценции ( квантовая эффективность ). Наконец, из-за явления сдвига Стокса , переизлученные фотоны будут иметь большую длину волны (и, следовательно, меньшую энергию), чем поглощенные фотоны (эффективность флуоресценции). Очень похожим образом лазеры также испытывают много стадий преобразования между настенной вилкой и выходной апертурой . Термины «эффективность настенной вилки» или «эффективность преобразования энергии» поэтому используются для обозначения общей эффективности устройства преобразования энергии, вычитая потери на каждой стадии, хотя это может исключать внешние компоненты, необходимые для работы некоторых устройств, таких как насосы для охлаждающей жидкости. [12] [13]
{{cite journal}}: CS1 maint: location (link)