Эффективность преобразования энергии ( η ) — это соотношение между полезной мощностью машины преобразования энергии и входной мощностью в энергетическом выражении. Входными данными, а также полезным выходом могут быть химическая энергия , электроэнергия , механическая работа , свет (излучение) или тепло . Результирующее значение η (эта) находится в диапазоне от 0 до 1. [1] [2] [3]
Эффективность преобразования энергии зависит от полезности продукции. Все или часть тепла, полученного при сжигании топлива, может стать отходящим теплом, если, например, работа является желаемым результатом термодинамического цикла . Преобразователь энергии является примером преобразования энергии. Например, лампочка относится к категории 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%. КПД не может превышать 100%, например, для вечного двигателя. Однако другие показатели эффективности , которые могут превышать 1,0, используются для тепловых насосов и других устройств, которые перемещают тепло, а не преобразуют его.
Когда речь идет об эффективности тепловых двигателей и электростанций, следует указать условное обозначение, т. е. HHV (также известный как валовая теплотворная способность и т. д.) или LCV (также известный как чистая теплотворная способность), а также валовой выход (на клеммах генератора) или чистый мощность (на ограждении электростанции) рассматриваются. Это два отдельных понятия, но оба должны быть указаны. Невыполнение этого требования вызывает бесконечную путаницу.
Связанные, более конкретные термины включают в себя
Изменение энергии Гиббса определенного химического превращения при определенной температуре — это минимальное теоретическое количество энергии, необходимое для того, чтобы это изменение произошло (если изменение энергии Гиббса между реагентами и продуктами положительное) или максимальная теоретическая энергия, которая может быть получена. от этого изменения (если изменение энергии Гиббса между реагентами и продуктами отрицательно). Энергетическая эффективность процесса, включающего химические изменения, 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), необходимое для поддержания этой температуры. [4]
Топливный элемент можно рассматривать как нечто противоположное электролизу. Например, идеальный топливный элемент, работающий при температуре 25 °C, имеющий газообразный водород и газообразный кислород на входе и жидкую воду на выходе, может производить теоретическое максимальное количество электрической энергии 237,129 кДж (0,06587 кВтч) на грамм-моль (18,0154). грамм) произведенной воды, и для поддержания этой температуры из клетки потребуется отвести 48,701 кДж (0,01353 кВтч) на грамм-моль произведенной воды тепловой энергии. [5]
Идеальная электролизная установка, работающая при температуре 25 °C, имеющая жидкую воду в качестве входного сигнала и газообразный водород и газообразный кислород в качестве продуктов, потребует теоретического минимального расхода электрической энергии 237,129 кДж (0,06587 кВтч) на грамм-моль (18,0154 грамма) потребляемой воды, и для поддержания этой температуры в устройство потребуется добавить 48,701 кДж (0,01353 кВтч) на грамм моль потребленной воды тепловой энергии. [5] Он будет работать при напряжении элемента 1,24 В.
Для установки электролиза воды, работающей при постоянной температуре 25 °C без ввода какой-либо дополнительной тепловой энергии, электрическая энергия должна подаваться со скоростью, эквивалентной энтальпии (теплоте) реакции или 285,830 кДж (0,07940 кВтч) на единицу. грамм-моль потребляемой воды. [5] Он будет работать при напряжении элемента 1,48 В. Потребляемая электрическая энергия этого элемента в 1,20 раза превышает теоретический минимум, поэтому энергоэффективность составляет 0,83 по сравнению с идеальным элементом.
Установка электролиза воды, работающая при более высоком напряжении (1,48 В) и температуре 25 °C, должна будет отводить тепловую энергию для поддержания постоянной температуры, а энергоэффективность будет менее 0,83.
Большая разница в энтропии между жидкой водой и газообразным водородом плюс газообразным кислородом объясняет значительную разницу между энергией Гиббса реакции и энтальпией (теплотой) реакции.
В Европе полезное энергосодержание топлива обычно рассчитывается с использованием низшей теплоты сгорания (LHV) этого топлива, определение которого предполагает, что водяной пар , образующийся при сгорании топлива (окислении), остается газообразным и не конденсируется в жидкую воду. поэтому скрытая теплота испарения этой воды непригодна для использования. Используя LHV, конденсационный котел может достичь «эффективности отопления», превышающей 100% (это не нарушает первый закон термодинамики , если понимается соглашение LHV, но вызывает путаницу). Это связано с тем, что устройство рекуперирует часть теплоты парообразования , которая не входит в определение низшей теплотворной способности топлива. [ нужна цитата ] В США и других странах используется более высокая теплотворная способность (HHV), которая включает в себя скрытую теплоту конденсации водяного пара, и, таким образом, термодинамический максимум 100% эффективности не может быть превышен.
В оптических системах, таких как освещение и лазеры , эффективность преобразования энергии часто называют эффективностью сетевой розетки . Эффективность сетевой розетки — это мера выходной излучаемой энергии в ваттах ( джоулях в секунду) на общую входную электрическую энергию в ваттах. Выходная энергия обычно измеряется в терминах абсолютной освещенности , а эффективность настенной розетки выражается в процентах от общей входной энергии, причем обратный процент представляет потери.
Эффективность настенной розетки отличается от светоотдачи тем, что эффективность настенной розетки описывает прямое преобразование энергии на выходе/входе (объем работы , который может быть выполнен), тогда как светоотдача учитывает различную чувствительность человеческого глаза к различным длинам волн ( насколько хорошо он может освещать пространство). Вместо использования ватт мощность источника света, создающего длину волны, пропорциональную 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 кривой Гаусса и снижаясь до нуля на красном и фиолетовом концах спектра. Из-за этого глаз обычно не видит все длины волн, излучаемые конкретным источником света, и не видит все длины волн в пределах зрительного спектра одинаково. Например, желтый и зеленый составляют более 50% того, что глаз воспринимает как белый, хотя с точки зрения энергии излучения белый свет состоит из равных частей всех цветов (т. е.: зеленый лазер мощностью 5 мВт кажется ярче чем красный лазер мощностью 5 мВт, но красный лазер лучше выделяется на белом фоне). Следовательно, сила излучения источника света может быть намного больше, чем его сила света , а это означает, что источник излучает больше энергии, чем может использовать глаз. Аналогично, эффективность лампы от настенной розетки обычно превышает ее светоотдачу. Эффективность источника света для преобразования электрической энергии в длины волн видимого света, пропорциональная чувствительности человеческого глаза, называется светоотдачей и измеряется в люменах на ватт (лм/Вт) потребляемой электрической энергии. -энергия.
В отличие от эффективности (эффективности), которая является единицей измерения , эффективность представляет собой безразмерное число, выраженное в процентах , требующее только, чтобы входные и выходные единицы были одного типа. Таким образом, светоотдача источника света представляет собой процент светоотдачи от теоретической максимальной эффективности 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 видимую яркость более чем в 30 раз большую, чем красная указка той же выходной мощности. При длине волны 555 нм 1 ватт лучистой энергии эквивалентен 683 люмену, таким образом, монохроматический источник света на этой длине волны со светоотдачей 683 лм/Вт будет иметь светоотдачу 100%. Теоретическая максимальная эффективность снижается для длин волн по обе стороны от 555 нм. Например, натриевые лампы низкого давления излучают монохроматический свет с длиной волны 589 нм со светоотдачей 200 лм/Вт, что является самым высоким показателем среди всех ламп. Теоретическая максимальная эффективность на этой длине волны составляет 525 лм/Вт, поэтому светоотдача лампы составляет 38,1%. Поскольку лампа монохромная, светоотдача почти соответствует эффективности сетевой розетки (<40%). [6] [7]
Расчеты светоотдачи становятся более сложными для ламп, излучающих белый свет или смесь спектральных линий. Люминесцентные лампы имеют более высокую эффективность при настенной розетке, чем натриевые лампы низкого давления, но имеют лишь половину светоотдачи (~ 100 лм/Вт), поэтому светоотдача люминесцентных ламп ниже, чем у натриевых ламп. Типичная эффективность ксеноновой лампы- вспышки при настенной розетке составляет 50–70%, что превышает эффективность большинства других форм освещения. Поскольку лампа-вспышка излучает большое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, глаз использует только часть выходной энергии. Поэтому светоотдача обычно составляет около 50 лм/Вт. Однако не все применения освещения задействуют человеческий глаз и не ограничиваются видимыми длинами волн. Для лазерной накачки эффективность не связана с человеческим глазом, поэтому ее называют не «световой» эффективностью, а просто «эффективностью», поскольку она связана с линиями поглощения лазерной среды . Криптоновые лампы-вспышки часто выбираются для накачки лазеров Nd:YAG , хотя их эффективность при включении в стену обычно составляет всего ~ 40%. Спектральные линии криптона лучше соответствуют линиям поглощения кристалла, легированного неодимом , поэтому эффективность криптона для этой цели намного выше, чем ксенона ; способен производить вдвое большую мощность лазера при той же потребляемой электрической мощности. [8] [9] Все эти термины относятся к количеству энергии и люменов, выходящих из источника света, без учета любых потерь, которые могут возникнуть в осветительном приборе или последующей выходной оптике. Эффективность светильника представляет собой общую светоотдачу светильника на выходную мощность лампы. [10]
За исключением нескольких источников света, таких как лампы накаливания , большинство источников света имеют несколько этапов преобразования энергии между «сетевой розеткой» (точкой электрического входа, которая может включать батареи, прямую проводку или другие источники) и конечным источником света. светоотдача, при этом каждая ступень дает потери. Натриевые лампы низкого давления первоначально преобразуют электрическую энергию с помощью электрического балласта для поддержания необходимого тока и напряжения, но некоторая энергия теряется в балласте. Точно так же люминесцентные лампы также преобразуют электричество с помощью балласта (электронный КПД). Затем электричество преобразуется в световую энергию с помощью электрической дуги (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 прохождения через покрытие (эффективность передачи). Количество фотонов, поглощенных покрытием, не будет соответствовать числу фотонов, которые затем переизлучаются в виде флуоресценции ( квантовая эффективность ). Наконец, из-за явления стоксова сдвига переизлученные фотоны будут иметь большую длину волны (следовательно, более низкую энергию), чем поглощенные фотоны (эффективность флуоресценции). Аналогичным образом лазеры также проходят множество стадий преобразования между розеткой и выходной апертурой . Таким образом, термины «эффективность сетевой розетки» или «эффективность преобразования энергии» используются для обозначения общей эффективности устройства преобразования энергии за вычетом потерь на каждой ступени, хотя это может исключать внешние компоненты, необходимые для работы некоторых устройств, таких как насосы охлаждающей жидкости. [11] [12]
{{cite journal}}
: CS1 maint: location (link)