Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Полезная выходная энергия всегда ниже входной энергии.
Мировой КПД электростанций, 2008 г.

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 . [ необходима цитата ]

Обзор [ править ]

Эффективность преобразования энергии зависит от полезности продукции. Все или часть тепла, производимого при сжигании топлива, может стать отброшенным отходящим теплом, если, например, работа является желаемой выходной 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.

Показатели нагрева и эффективность топлива [ править ]

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, а не конденсируется в жидкую воду. поэтому скрытая теплота испарения этой воды непригодна. Используя LHV, конденсационный котел может достичь «эффективности нагрева», превышающей 100% (это не нарушает первый закон термодинамики, если понимается конвенция LHV, но вызывает путаницу). Это потому, что аппарат восстанавливает часть теплоты испарения., что не входит в определение нижней теплотворной способности топлива. [ необходима цитата ] В США и других странах используется более высокая теплотворная способность (HHV), которая включает скрытую теплоту для конденсации водяного пара, и, таким образом, термодинамический максимум 100% эффективности не может быть превышен.

Эффективность розетки, светоотдача и светоотдача [ править ]

Абсолютная освещенность четырьмя разными газами 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 разным длинам волн. Предполагая, что каждая длина волны равна 1 ватту лучистой энергии, только центральная длина волны воспринимается как 685 кандел (1 ватт световой энергии), что равно 685 люменам. Вертикальные цветные линии представляют 589-ю (желтую) линию натрия и популярные лазерные указатели с длиной волны 532 нм (зеленый), 671 нм (красный), 473 нм (синий) и 405 нм (фиолетовый).
Сэнка диаграмма , показывающая нескольких стадий потери энергии между стеной и пробкой светового выходом флуоресцентной лампы. Наибольшие потери происходят из-за стоксова сдвига.

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 пробки 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 уменьшается по обе стороны от этой длины волны, следуя гауссовукривая мощности и падение чувствительности 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 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 выглядит 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., что 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 отдачей , которая измеряется в единицах люмен на ватт (лм / Вт) входящей электрической энергии. -энергетика.

В отличие от эффективности (результативности), которая является единицей измерения , эффективность представляет собой безразмерное число, выраженное в процентах , при этом требуется только, чтобы входные и выходные единицы были одного типа. Таким образом, световая отдача источника света 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 указкаможет иметь видимую яркость более чем в 30 раз больше, чем красный указатель той же выходной мощности. При длине волны 555 нм 1 ватт излучаемой 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, ее световая отдача почти соответствует эффективности розетки <40%. [1] [2]

Расчеты световой отдачи становятся более сложными для ламп, излучающих белый свет или смесь спектральных линий. Люминесцентные лампы имеют более высокую эффективность подключения к розетке, 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 на 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 области 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 Nd: YAG-лазеров , даже несмотря на то, что их эффективность от настенной 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. [3] [4]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 лампы. [5]

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 часть энергии теряется в балласте. Точно так же люминесцентные лампы также преобразуют электричество с помощью балласта (электронный КПД). Затем электричество преобразуется в световую энергию электрической дугой.(эффективность электрода и эффективность разряда). Затем свет переносится 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). Аналогичным образом, лазеры также проходят 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. [6] [7]

Пример эффективности преобразования энергии [ править ]

Процесс преобразованияТип конверсииЭнергоэффективность
Производство электроэнергии
Газовая турбинаТепловой в электрическийдо 40%
Газовая турбина плюс паровая турбина ( комбинированный цикл )Тепловой в электрическийдо 62,22% [8]
Водяная турбинаГравитационный в электрическийдо 90% (практически достигнуто)
Ветряная турбинаКинетический в электрическийдо 59% (теоретический предел)
Солнечная батареяИзлучательное в электрическое6–40% (в зависимости от технологии, 15–20% чаще всего, теоретический предел 85–90%)
Топливная ячейкаОт химического до электрическогодо 85%
Мировое производство электроэнергии в 2008 г. [ требуется пояснение ]Валовая продукция 39%Чистый выпуск 33% [9]
Хранение электроэнергии
Литий-ионный аккумуляторХимическое преобразование в электрическое / обратимое80–90% [10]
Никель-металлогидридная батареяХимическое преобразование в электрическое / обратимое66% [11]
Свинцово-кислотная батареяХимическое преобразование в электрическое / обратимое50–95% [12]
Двигатель / мотор
Двигатель внутреннего сгоранияХимический в кинетический10–50% [13]
Электрический двигательОт электрического к кинетическому70–99,99% (> 200 Вт); 50–90% (10–200 Вт); 30–60% (<10 Вт)
ТурбовентиляторныйХимический в кинетический20-40% [14]
Естественный процесс
ФотосинтезРадиационная химическаяОт 0,1% (среднее) [15] до 2% (наилучшее); [16] до 6% в принципе [17] (см. Главную: фотосинтетическая эффективность )
МышцыХимический в кинетический14–27%
Прибор
Бытовой холодильникОт электрического к тепловомумладшие системы ~ 20%; высокопроизводительные системы ~ 40–50%
Лампа накаливанияЭлектрический в радиационный0,7–5,1%, [18] 5–10% [ необходима ссылка ]
Светодиод (LED)Электрический в радиационный4,2–53% [19] [ неудачная проверка ] [ сомнительно - обсудить ]
Флюоресцентная лампаЭлектрический в радиационный8,0–15,6%, [18] 28% [20]
Натриевая лампа низкого давленияЭлектрический в радиационный15,0–29,0%, [18] 40,5% [20]
Металлогалогенная лампаЭлектрический в радиационный9,5–17,0%, [18] 24% [20]
Импульсный источник питанияОт электрического к электрическомув настоящее время до 96% практически
Электрический душОт электрического к тепловому90–95% (умножьте на энергоэффективность производства электроэнергии для сравнения с другими системами водяного отопления)
Электрический нагревательОт электрического к тепловому~ 100% (практически вся энергия преобразуется в тепло, умножьте на энергоэффективность производства электроэнергии для сравнения с другими системами отопления)
Другие
Огнестрельное оружиеХимический в кинетический~ 30% (боеприпасы .300 Hawk)
Электролиз водыОт электрического до химического50–70% (теоретический максимум 80–94%)

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Прикладная физика атомных столкновений, том 5 , HSW Massey, EW McDaniel, B. Bederson - Academic Press, 1982, стр. 383
  2. ^ https://www.photonics.com/a28677/Efficacy_Limits_for_Solid-State_White_Light
  3. ^ Advanced Optical Instruments и методы по Daniel Malacara Эрнандеса  [ ы ] - CRC Press 2018 Page 589
  4. ^ Твердотельная лазерная инженерия Вальтером Кехнером - Springer-Verlag 1965, стр. 335
  5. ^ Понимание светодиодной подсветки М. Ниса Хан - CRC Press 2014, стр. 21-23
  6. ^ https://www.rp-photonics.com/wall_plug_efficiency.html
  7. ^ Справочник по люминесцентным полупроводниковым материалам Лии Бергман, Джин Л. Макхейл - CRC Press 2012, стр. 270
  8. ^ Swatman, Rachel (2016-07-05). «General Electric и EDF строят во Франции самую эффективную в мире электростанцию ​​с комбинированным циклом» . Книга рекордов Гиннеса . Проверено 21 декабря 2020 .
  9. ^ IEC / OECD 2008 Energy Balance for World , доступ к 2011-06-08
  10. ^ Valøen, Lars Ole и Shoesmith, Марк I. (2007). Влияние рабочих циклов PHEV и HEV на производительность аккумулятора и аккумуляторного блока (PDF). 2007 Конференция Plug-in Highway Electric Vehicle: Материалы. Проверено 11 июня 2010 года.
  11. ^ «Основы зарядки NiMH аккумуляторов». PowerStream.com.
  12. ^ PowerSonic, Техническое руководство (PDF), стр. 19, получено в январе 2014 г.
  13. ^ «Мотивы для продвижения чистых дизелей» (PDF) . Министерство энергетики США. 2006. Архивировано из оригинального (PDF) 7 октября 2008 года.
  14. ^ «11.5 Тенденции теплового и пропульсивного КПД» . web.mit.edu . Проверено 26 октября 2016 .
  15. ^ Говинджи, что такое фотосинтез?
  16. ^ Зеленый солнечный коллектор; преобразование солнечного света в водорослевую биомассу Проект Вагенингенского университета (2005–2008)
  17. ^ Миямото К. «Глава 1 - Производство биологической энергии» . Возобновляемые биологические системы для альтернативного устойчивого производства энергии (Бюллетень сельскохозяйственных услуг ФАО - 128) . Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций . Проверено 4 января 2009 .
  18. ^ a b c d Световая отдача # Световая отдача
  19. ^ «Все в 1 Руководство по решениям светодиодного освещения» . PhilipsLumileds.com . Philips . 2012-10-04. п. 15. Архивировано из оригинального (PDF) 31 марта 2013 года . Проверено 18 ноября 2015 .
  20. ^ a b c Справочник по световому загрязнению . Springer. 2004. ISBN. 9781402026652.

Внешние ссылки [ править ]

  • Программа «Интеллектуальная энергия - Европа»: инструмент ЕС для финансирования действий, направленных на повышение энергоинтеллектуальности Европы
  • Есть ли смысл переходить на светодиоды?