Эффективность преобразования энергии - Energy conversion efficiency
Эффективность преобразования энергии ( η ) - это соотношение между полезной выходной мощностью машины преобразования энергии и входной мощностью в единицах энергии . Входом, а также полезным выходом могут быть химические вещества , электроэнергия , механическая работа , свет (излучение) или тепло .
Обзор
Эффективность преобразования энергии зависит от полезности продукции. Вся или часть тепла, производимого при сжигании топлива, может стать отброшенным отходящим теплом, если, например, работа является желаемой мощностью термодинамического цикла . Преобразователь энергии - это пример 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%. КПД 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.
Когда речь идет об эффективности тепловых двигателей и электростанций соглашение должно быть указано, то есть, HHV ( ака Гросса теплотворной и т.д.) или LCV (ака значение Net Heating), и будет ли валовой продукции (на клеммах генератора) или сети мощность (у ограждения электростанции) рассматривается. Эти два понятия разделены, но оба должны быть указаны. Неспособность сделать это вызывает бесконечную путаницу.
Связанные, более конкретные термины включают
- Электрический КПД , полезная выходная мощность на потребляемую электрическую мощность;
- Механический КПД , когда одна из форм механической энергии (например, потенциальная энергия воды) преобразуется в механическую энергию ( работу );
- Тепловой КПД или Топливный КПД , полезное тепло и / или объем работы на входную энергию, например, израсходованное топливо ;
- «Общий КПД», например, для когенерации , полезная электрическая мощность и тепловая мощность на потребляемую топливную энергию. То же, что и тепловой КПД .
- Световая отдача , та часть испускаемого электромагнитного излучения, которая пригодна для человеческого зрения.
Эффективность химического преобразования
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 является положительным) или максимальной теоретической энергией, которая может быть получена. от этого изменения (если изменение энергии Гиббса между реагентами и продуктами отрицательное). Энергоэффективность 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 необходимое количество тепла или отвод тепла. (охлаждение), необходимое для поддержания этой температуры.
Топливный элемент можно рассматривать как противоположность электролиза. Например, идеальный топливный элемент, работающий при температуре 25 ° C, с газообразным водородом и газообразным кислородом на входе и жидкой водой на выходе, может производить теоретическое максимальное количество электроэнергии 237,129 кДж (0,06587 кВтч) на грамм-моль (18,0154 грамма). ) произведенной воды и потребует 48,701 кДж (0,01353 кВтч) на грамм воды, произведенной в виде тепловой энергии, которая должна быть удалена из ячейки для поддержания этой температуры, в то время как идеальная электролизная установка работает при температуре 25 ° C с жидкой водой на входе. а газообразный водород и газообразный кислород в качестве продуктов потребуют теоретического минимального расхода электроэнергии 237,129 кДж (0,06587 кВтч) на грамм моль (18,0154 грамма) потребляемой воды и потребуют 48,701 кДж (0,01353 кВтч) на грамм моль воды, произведенной из тепловая энергия, добавляемая к устройству для поддержания этой температуры.
Теплотворная способность и эффективность топлива
В Европе полезная энергия топлива обычно рассчитывается с использованием более низкой теплотворной способности (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 непригодна. Используя LHV, конденсационный котел может достичь «КПД нагрева», превышающего 100% (это не нарушает первый закон термодинамики, если понимается конвенция LHV, но вызывает путаницу). Это связано с тем, что устройство рекуперирует часть теплоты парообразования , которая не входит в определение более низкой теплотворной способности топлива. В США и других странах используется более высокая теплотворная способность (HHV), которая включает скрытую теплоту для конденсации водяного пара, и поэтому термодинамический максимум 100% эффективности не может быть превышен.
Эффективность розетки, светоотдача и эффективность
В оптических системах, таких как освещение и лазеры , эффективность преобразования энергии часто называют эффективностью розетки . Эффективность розетки - это мера выходной энергии излучения в ваттах ( джоулях в секунду) на общую потребляемую электрическую энергию в ваттах. Выходная энергия обычно измеряется в единицах абсолютной освещенности, а эффективность заглушки указывается в процентах от общей потребляемой энергии, а обратный процент представляет собой потери.
Эффективность настенной розетки отличается от световой отдачи тем, что эффективность настенной розетки описывает прямое преобразование энергии на выходе / входе (объем работы, который может быть выполнен), тогда как световая отдача учитывает изменяющуюся чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн ( насколько хорошо он может освещать пространство). Вместо использования ватт мощность источника света для получения 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 снижаясь до нулевой чувствительности 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 визуального спектра одинаково. Желтый и зеленый, например, составляют более 50% того, что глаз воспринимает как белый, хотя с точки зрения энергии излучения 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). 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. Точно так же эффективность настенной розетки лампы обычно больше, чем ее светоотдача. Эффективность источника света по преобразованию электрической энергии в длины волн видимого света пропорционально чувствительности человеческого глаза называется световой эффективностью , которая измеряется в единицах люмен на ватт (лм / Вт) входящей электрической энергии. -энергетика.
В отличие от эффективности (эффективности), которая является единицей измерения , эффективность - это безразмерное число, выраженное в процентах , требующее только того, чтобы входные и выходные единицы были одного типа. Световая отдача источника света, таким образом, представляет собой процент световой отдачи 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 кажущуюся яркость более чем в 30 раз больше, чем красная указка при той же выходной мощности. При длине волны 555 нм 1 ватт лучистой энергии эквивалентен 685 люменам, таким образом, источник монохроматического света на этой длине волны со световой эффективностью 685 лм / Вт имеет световую эффективность 100%. Теоретически максимальная эффективность снижается для длин волн по обе стороны от 555 нм. Например, натриевые лампы низкого давления производят монохроматический свет при 589 нм с светоотдачей 200 лм / Вт, что является самым высоким из любой лампы. Теоретическая максимальная эффективность на этой длине волны составляет 525 лм / Вт, поэтому световая отдача лампы составляет 38,1%. Поскольку лампа монохроматическая, световая отдача почти соответствует эффективности розетки <40%.
Расчеты световой отдачи становятся более сложными для ламп, излучающих белый свет или смесь спектральных линий. Люминесцентные лампы имеют более высокий КПД, чем натриевые лампы низкого давления, но имеют только половину световой отдачи ~ 100 лм / Вт, поэтому световая эффективность люминесцентных ламп ниже, чем у натриевых ламп. Ксеноновая лампа-вспышка имеет типичный КПД от розетки 50–70%, что превышает эффективность большинства других видов освещения. Поскольку лампа-вспышка излучает большое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, только часть выходной энергии используется глазом. Поэтому световая отдача обычно составляет около 50 лм / Вт. Однако не все применения освещения связаны с человеческим глазом 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 относится к линиям поглощения лазерной среды . Криптоновые лампы-вспышки часто выбирают для накачки лазеров на Nd: YAG , даже несмотря на то, что их эффективность от розетки обычно составляет всего ~ 40%. Криптон спектральные линии «ы лучше соответствовать линиям поглощения в неодиме - легированный кристалле, таким образом , эффективность криптона для этой цели гораздо выше , чем ксенон ; способен производить вдвое большую мощность лазера при одном и том же электрическом входе. Все эти термины относятся к количеству энергии и люменам на выходе из источника света, без учета любых потерь, которые могут возникнуть в осветительной арматуре или последующей выходной оптике. Эффективность светильника - это общий световой поток светильника на световой поток.
За исключением нескольких источников света, таких как лампы накаливания , большинство источников света имеют несколько этапов преобразования энергии между "сетевой вилкой" (точкой электрического входа, которая может включать батареи, прямую проводку или другие источники) и конечной светоотдача, при которой на каждой ступени возникают потери. Натриевые лампы низкого давления сначала преобразуют электрическую энергию с помощью электрического балласта , чтобы поддерживать надлежащий ток и напряжение, но некоторая энергия теряется в балласте. Точно так же люминесцентные лампы также преобразуют электричество с помощью балласта (электронный КПД). Затем электричество преобразуется в энергию света электрической дугой (эффективность электрода и эффективность разряда). Затем свет передается на флуоресцентное покрытие, которое поглощает только волны подходящей длины, с некоторыми потерями этих длин волн из-за отражения и пропускания через покрытие (эффективность передачи). Количество фотонов, поглощенных покрытием, не будет соответствовать количеству фотонов, которые затем переизлучаются как флуоресценция ( квантовая эффективность ). Наконец, из-за явления стоксова сдвига повторно испускаемые фотоны будут иметь большую длину волны (следовательно, меньшую энергию), чем поглощенные фотоны (эффективность флуоресценции). Подобным образом лазеры также претерпевают множество этапов преобразования между сетевой вилкой и выходной апертурой . Поэтому термины «эффективность подключения к розетке» 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 эффективности преобразования энергии
| Процесс конвертации | Тип конверсии | Энергоэффективность |
|---|---|---|
| Производство электроэнергии | ||
| Газовая турбина | От химического до электрического | до 40% |
| Газовая турбина плюс паровая турбина ( комбинированный цикл ) | От химического до теплового + электрического ( когенерация ) | до 63,08% В декабре 2017 года GE потребовала> 64% на своей последней электростанции 9HA.02 мощностью 826 МВт по сравнению с 63,7%. Они сказали, что это произошло из-за достижений в аддитивном производстве и сжигании. В их пресс-релизе говорится, что они планируют достичь 65% к началу 2020-х годов. |
| Водяная турбина | Гравитационный в электрический | 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 серийном хозяйстве. 3128 HAWT старше 10 лет в Дании показали, что у половины не было снижения, в то время как у другой половины производство сократилось на 1,2% в год. Теоретический предел = 16/27 = 59%) |
| Солнечная батарея | Излучательное в электрическое | 6–40% (зависит от технологии, чаще всего 15–20%, медиана деградации для технологий x-Si находится в диапазоне 0,5–0,6% / год со средним значением в диапазоне 0,8–0,9% / год. Технология гетероинтерфейсов ( HIT) и технологии микрокристаллического кремния (µc-Si), хотя и не так многочисленны, демонстрируют деградацию около 1% в год и больше напоминают тонкопленочные продукты, чем x-Si. Предел бесконечного набора : 86,8% концентрировано 68,7% неконцентрировано) |
| Топливная ячейка | От химического до теплового + электрического (когенерация) | Энергетическая эффективность топливного элемента обычно составляет от 40 до 60%; однако, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации , может быть получен КПД до 85%. |
| Мировое производство электроэнергии 2008 г. | Валовая продукция 39% | Чистый выпуск 33% |
| Хранение электроэнергии | ||
| Литий-ионный аккумулятор | Химическое преобразование в электрическое / обратимое | 80–90% |
| Никель-металлогидридная батарея | Химическое преобразование в электрическое / обратимое | 66% |
| Свинцово-кислотный аккумулятор | Химическое преобразование в электрическое / обратимое | 50–95% |
| Двигатель / мотор | ||
| Двигатель внутреннего сгорания | Химический в кинетический | 10–50% |
| Электродвигатель | Электрический в кинетический | 70–99,99% (> 200 Вт); 50–90% (10–200 Вт); 30–60% (<10 Вт) |
| Турбовентиляторный | Химический в кинетический | 20-40% |
| Естественный процесс | ||
| Фотосинтез | Радиационная химическая | От 0,1% (средний) до 2% (лучший); до 6% в принципе (см. главное: Фотосинтетическая эффективность ) |
| Мышцы | Химический в кинетический | 14–27% |
| Прибор | ||
| Бытовой холодильник | От электрического к тепловому | младшие системы ~ 20%; высокопроизводительные системы ~ 40–50% |
| Лампа накаливания | От электрического к радиационному | 0,7–5,1%, 5–10% |
| Светодиод (LED) | От электрического к радиационному | 4,2–53% |
| Флюоресцентная лампа | От электрического к радиационному | 8,0–15,6%, 28% |
| Натриевая лампа низкого давления | От электрического к радиационному | 15,0–29,0%, 40,5% |
| Металлогалогенная лампа | От электрического к радиационному | 9,5–17,0%, 24% |
| Импульсный источник питания | От электрического к электрическому | в настоящее время практически до 96% |
| Электрический душ | От электрического к тепловому | 90–95% (умножить на энергоэффективность производства электроэнергии для сравнения с другими системами водяного отопления) |
| Электрический нагреватель | От электрического к тепловому | ~ 100% (практически вся энергия преобразуется в тепло, умножьте на энергоэффективность производства электроэнергии для сравнения с другими системами отопления) |
| Другие | ||
| Огнестрельное оружие | Химический в кинетический | ~ 30% (боеприпасы .300 Hawk) |
| Электролиз воды | От электрического до химического | 50–70% (теоретический максимум 80–94%) |