Эффективность преобразования энергии

Полезная выходная энергия всегда ниже входной.

КПД электростанций в мире, 2008 г.

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.

Обзор

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. $\eta ={\frac {P_{\mathrm {out} }}{P_{\mathrm {in} }}}$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%, что привело бы к созданию вечного двигателя, 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 полезного действия , или COP . Это отношение полезного нагрева или охлаждения к требуемой работе (энергии). Более высокий COP означает более высокую эффективность, более низкое потребление энергии (мощности) и, следовательно, более низкие эксплуатационные расходы. COP обычно превышает 1, особенно в тепловых насосах, потому что вместо простого преобразования работы в тепло (которое при 100% эффективности будет равно 1), он перекачивает дополнительное тепло от источника тепла туда, где это тепло требуется. Большинство кондиционеров имеют КПД от 2,3 до 3,5.

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

• Электрический КПД , полезная выходная мощность на единицу потребленной электроэнергии;
• Механический КПД , когда одна форма механической энергии (например, потенциальная энергия воды) преобразуется в механическую энергию ( работу );
• Термический КПД или КПД топлива , полезное тепло и/или работа на единицу входной энергии, например, на топливо ; израсходованное
• «Общая эффективность», например, для когенерации , полезная электроэнергия и тепловая мощность на единицу потребляемой энергии топлива. То же, что и тепловой КПД.
• Световая отдача — та часть излучаемого электромагнитного излучения, которая пригодна для человеческого зрения.

химической

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.

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.

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. 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. 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.

Теплотворная способность

В Европе полезное энергосодержание топлива обычно рассчитывается с использованием низшей теплотворной способности (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. В США и других странах используется более высокая теплотворная способность (HHV), которая включает скрытую теплоту конденсации водяного пара, и, таким образом, термодинамический максимум 100% эффективности не может быть превышен.

светоотдача и

Абсолютное излучение четырех различных газов при использовании в лампе-вспышке. Ксенон, безусловно, является наиболее эффективным из газов, хотя криптон более эффективен при определенной длине волны света.

Чувствительность человеческого глаза к различным длинам волн. Если предположить, что каждая длина волны равна 1 ватту лучистой энергии , то только центральная длина волны воспринимается как 683 канделы (1 ватт световой энергии), что соответствует 683 люменам. Вертикальные цветные линии представляют линию натрия 589 (желтую) и популярные лазерные указатели 532 нм (зеленая), 671 нм (красная), 473 нм (синяя) и 405 нм (фиолетовая).

Диаграмма Сэнки, показывающая несколько стадий потери энергии между сетевой вилкой и светоотдачей люминесцентной лампы. Наибольшие потери происходят из-за стоксова сдвига.

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 Интенсивность 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, очевидная яркость зеленой лазерной указки может более чем в 30 раз превышать видимую яркость красной указки 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 дают монохроматический свет. при длине 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%).

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 только 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 используются для накачки лазеров Nd:YAG. , хотя их эффективность при подключении к розетке обычно составляет всего ~ 40%. Спектральные линии криптона лучше соответствуют линиям поглощения , неодимом кристалла , легированного поэтому эффективность криптона для этой цели намного выше, чем ксенона ; способен производить вдвое большую мощность лазера при той же потребляемой электрической мощности. 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.

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). Число фотонов, поглощенных покрытием, не будет соответствовать количеству, которое затем переизлучится как флуоресценция ( 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.

Пример

Процесс конвертации	Тип конверсии	Энергоэффективность
Производство электроэнергии
Газовая турбина	Химическая и электрическая	до 40%
Газовая турбина плюс паровая турбина ( комбинированный цикл )	Химическая и термическая+электрическая ( когенерация )	до 63,08% В декабре 2017 года GE заявила о >64% на своей последней электростанции 9HA.02 мощностью 826 МВт по сравнению с 63,7%. Они сказали, что это произошло благодаря достижениям в аддитивном производстве и сжигании. В их пресс-релизе говорилось, что они планируют достичь 65% к началу 2020-х годов.
Водяная турбина	Гравитационное к электрическому	до 95% (практически достигнуто)
Ветряная турбина	Кинетический в электрический	до 50% (HAWT изолированно, до 25–40 % HAWT в непосредственной близости, до 35–40 % VAWT изолированно, до 41–47 % VAWT в серийных хозяйствах. 3128 HAWT старше 10 лет в Дании показали, что у половины не было снижения, а у другой половины наблюдалось снижение производства на 1,2% в год. Теоретический предел = 16/27= 59%)
Солнечная батарея	Радиационное к электрическому	6–40% (зависит от технологии, чаще всего 15–20%, медианная деградация для x-Si технологий составляет 0,5–0,6%/год). в диапазоне со средним значением 0,8–0,9% в год. Технологии гетероинтерфейсной технологии (HIT) и микрокристаллического кремния (μc-Si), хотя и не столь многочисленны, демонстрируют деградацию примерно на 1% в год и больше напоминают тонкопленочные продукты, чем x-Si. Предел бесконечного стека : концентрация 86,8%. 68,7% неконцентрированные )
Топливная ячейка	Химическая и термическая+электрическая (когенерация)	Энергоэффективность топливного элемента обычно составляет от 40 до 60%; однако, если отходящее тепло улавливается в схеме когенерации, можно получить эффективность до 85%.
Среднее мировое количество по производству электроэнергии на ископаемом топливе по состоянию на 2008 год. электростанций	Химическая и электрическая	Валовый выпуск 39%, Чистый выпуск 33%
Хранение электроэнергии
Литий-ионный аккумулятор	Химическое в электрическое/обратимое	80–90%
Никель-металлогидридный аккумулятор	Химическое в электрическое/обратимое	66%
Свинцово-кислотная батарея	Химическое в электрическое/обратимое	50–95%
Гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия	гравитационное к электрическому/обратимое	70–85%
Двигатель/мотор
Двигатель внутреннего сгорания	От химического к кинетическому	10–50%
Электрический двигатель	Электрический к кинетическому	70–99,99 % (> 200 Вт); 50–90 % (10–200 Вт); 30–60 % (< 10 Вт)
ТРДД	От химического к кинетическому	20–40%
Естественный процесс
Фотосинтез	Радиационно-химическое	0,1% (в среднем) до 2% (лучше всего); до 6% в принципе (см. главную: Эффективность фотосинтеза )
Мышцы	От химического к кинетическому	14–27%
прибор
Бытовой холодильник	Электрическое и тепловое	бюджетные системы ~ 20%; высокопроизводительные системы ~ 40–50%
Лампа накаливания	Электрическое и радиационное	~ 80% эффективность сетевой розетки Световая отдача 0,7–5,1 %
Светодиод (LED)	Электрическое и радиационное	4.2–53%
Флюоресцентная лампа	Электрическое и радиационное	8.0–15.6%, 28%
Натриевая лампа низкого давления	Электрическое и радиационное	15.0–29.0%, 40.5%
Металлогалогенная лампа	Электрическое и радиационное	9.5–17.0%, 24%
Импульсный источник питания	Электрическое к электрическому	на данный момент до 96% практически
Электрический душ	Электрическое и тепловое	90–95% (умножить на энергоэффективность производства электроэнергии для сравнения с другими водонагревательными системами)
Электрический нагреватель	Электрическое и тепловое	~100% (по сути, вся энергия преобразуется в тепло, умножьте на энергоэффективность производства электроэнергии для сравнения с другими системами отопления)
Другие
Огнестрельное оружие	От химического к кинетическому	~30% (боеприпасы .300 Hawk)
Электролиз воды	Электрическое и химическое	50–70% (теоретический максимум 80–94%)

См. также

• Стоимость электроэнергии по источникам
• Энергоэффективность (значения)
• СУМАСШЕДШЕМУ
• Эксергетический КПД
• Показатель заслуг
• Теплота сгорания
• Международная электротехническая комиссия
• Вечное движение
• Чувствительность (электроника)
• Эффективность солнечных батарей
• Коэффициент производительности

Внешние ссылки

• Есть ли смысл переходить на светодиоды?