КПД
Эффективность преобразования энергии (η) - это отношение полезной мощности машины для преобразования энергии к затратам в энергетическом выражении. Входными, а также полезными выходными данными могут быть химикаты, электроэнергия, механическая работа, свет (излучение) или тепло. Результирующее значение, η (eta), находится в диапазоне от 0 до 1.
Обзор[править]
Эффективность преобразования энергии зависит от полезности получаемого результата. Все или часть тепла, получаемого при сжигании топлива, может стать отбракованным отходящим теплом, если, например, работа является желаемым результатом термодинамического цикла. Преобразователь энергии является примером преобразования энергии. Например, электрическая лампочка попадает в категорию преобразователей энергии. �=�out�in\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 в себя эффективность и действенность.
Как правило, эффективность преобразования энергии - это безразмерное число в диапазоне от 0 до 1,0, или от 0% до 100%. Эффективность не может превышать 100%, например, для вечного двигателя. Однако для тепловых насосов и других устройств, которые перемещают тепло, а не преобразуют его, используются другие показатели эффективности, которые могут превышать 1,0.
Когда речь идет об эффективности тепловых двигателей и электростанций, следует указывать условные обозначения, то есть HHV (он же Валовая теплотворная способность и т.д.) Или LCV (он же чистая теплотворная способность), а также учитывается ли валовая мощность (на клеммах генератора) или чистая мощность (на ограждении электростанции). Эти два понятия разделены, но оба должны быть указаны. Невыполнение этого требования приводит к бесконечной путанице.
Связанные с этим более конкретные термины включают
Электрическая эффективность, полезная выходная мощность на потребляемую электроэнергию;
- Механическая эффективность, при которой одна из форм механической энергии (например, потенциальная энергия воды) преобразуется в механическую энергию (работу);
- Тепловая эффективность или топливная экономичность, полезное тепло и /или выход работы на входную энергию, такую как потребляемое топливо;
- "Общая эффективность", например, для когенерации, полезная электрическая мощность и тепловыделение в расчете на потребляемую топливную энергию. То же, что тепловая эффективность.
- Световая эффективность - это та часть испускаемого электромагнитного излучения, которая полезна для человеческого зрения.
Эффективность химического преобразования[править]
Изменение энергии Гиббса определенного химического превращения при определенной температуре - это минимальное теоретическое количество энергии, необходимое для осуществления этого изменения (если изменение энергии Гиббса между реагентами и продуктами положительное) или максимальная теоретическая энергия, которая может быть получена в результате этого изменения (если изменение энергии Гиббса между реагентами и продуктами отрицательное). 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), необходимый для поддержания этой температуры.
Топливный элемент можно рассматривать как нечто обратное электролизу. Например, идеальный топливный элемент, работающий при температуре 25 ° C с газообразным водородом и газообразным кислородом на входе и жидкой водой на выходе, мог бы вырабатывать теоретически максимальное количество электрической энергии в размере 237,129 кДж (0,06587 кВтч) на грамм моль (18,0154 г) производимой воды, и для поддержания этой температуры из элемента потребовалось бы 48,701 кДж (0,01353 кВтч) на грамм моль производимой воды тепловой энергии.
Идеальная электролизная установка, работающая при температуре 25 ° C с жидкой водой в качестве исходного сырья и газообразным водородом и газообразным кислородом в качестве продуктов, потребовала бы теоретически минимального расхода электроэнергии в размере 237,129 кДж (0,06587 кВтч) на грамм моль (18,0154 г) потребляемой воды и потребовала бы добавления тепловой энергии в установку для поддержания этой температуры в количестве 48,701 кДж (0,01353 кВтч) на грамм моль потребляемой воды. 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 моль грамма 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 для электролиза воды, работающая при более высоком напряжении, чем 1,48 В, и температуре 25 °C, должна была бы отводить тепловую энергию для поддержания постоянной температуры, а энергоэффективность была бы меньше 0,83.
Большая разница в энтропии между жидкой водой и газообразным водородом плюс газообразный кислород объясняет значительную разницу между энергией реакции Гиббса и энтальпией (теплотой) реакции.
Значения и КПД нагрева топлива[править]
В Европе полезное содержание энергии в топливе обычно рассчитывается с использованием более низкой теплотворной способности (LHV) этого топлива, определение которого предполагает, что водяной пар, образующийся при сгорании топлива (окислении), остается газообразным и не конденсируется до жидкой воды, поэтому скрытая теплота испарения этой воды непригодна для использования. Используя LHV, конденсационный котел может достигать "эффективности нагрева", превышающей 100% (это не нарушает первый закон термодинамики, если понятны правила LHV, но вызывает путаницу). Это происходит потому, что устройство рекуперирует часть теплоты испарения, которая не включена в определение более низкой теплотворной способности топлива.[требуется цитирование] В США и других странах используется более высокая теплотворная способность (HHV), которая включает скрытое тепло для конденсации водяного пара, и, таким образом, термодинамический максимум 100% эффективности не может быть превышен.
Эффективность настенных розеток, светоотдача и действенность[править]
В оптических системах, таких как освещение и лазеры, эффективность преобразования энергии часто называют эффективностью розетки. Эффективность розетки - это показатель 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 подключения к розетке задается в процентах от общей потребляемой энергии, причем обратный процент представляет потери.
Эффективность розетки отличается от световой эффективности тем, что эффективность розетки описывает прямое преобразование энергии на выходе / входе (объем работы, который может быть выполнен), тогда как световая эффективность учитывает различную чувствительность человеческого глаза к различным 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-желтого цвета), но чувствительность резко снижается по обе стороны от этой длины волны, следуя кривой мощности гаусса и падая до нуля на красном и фиолетовом концах спектра. Из-за этого глаз обычно не видит всех длин волн, излучаемых определенным источником света, и не видит всех длин волн в пределах зрительного спектра одинаково. Например, желтый и зеленый цвета составляют более 50% того, что глаз воспринимает как белый, хотя с точки зрения лучистой энергии белый свет состоит из равных долей всех цветов (например, зеленый лазер мощностью 5 МВт кажется ярче красного лазера мощностью 5 МВт, но красный лазер лучше выделяется на белом фоне). Следовательно, интенсивность излучения источника света может быть намного больше его силы свечения, что означает, что источник излучает больше энергии, чем может использовать глаз. Аналогично, эффективность лампы от розетки обычно выше, чем ее светоотдача. Эффективность источника света для преобразования электрической энергии в диапазоне длин волн видимого света, пропорционально чувствительности человеческий глаз, называется световая отдача, которая измеряется в единицах люмен на ватт (лм/Вт) электрического ввода энергии.
В отличие от эффективности (efficiency), которая является единицей измерения, КПД - это число, не содержащее единиц измерения, выраженное в процентах, требующее только, чтобы входные и выходные единицы были одного типа. Таким образом, светоотдача источника света - это процент светоотдачи от теоретической максимальной эффективности при определенной длине волны. Количество энергии, переносимой фотоном света, определяется его длиной волны. В люменах эта энергия компенсируется чувствительностью глаза к выбранным длинам волн. Например, видимая яркость зеленой лазерной указки может более чем в 30 раз превышать видимую яркость красной указки при той же выходной мощности. При длине волны 555 нм 1 ватт лучистой энергии эквивалентен 683 люменам, таким образом, монохроматический источник света на этой длине волны со светоотдачей 683 лм/Вт будет иметь светоотдачу 100%. Теоретически максимальная эффективность снижается при длинах волн по обе стороны от 555 нм. Например, натриевые лампы низкого давления излучают монохроматический свет длиной волны 589 нм со световой эффективностью 200 лм/Вт, что является самым высоким показателем среди всех ламп. Теоретически максимальная эффективность на этой длине волны составляет 525 лм/Вт, поэтому световая отдача лампы составляет 38,1%. Поскольку лампа монохроматическая, светоотдача почти соответствует эффективности розетки < 40%.
Расчеты светоотдачи 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 лишь половину световой эффективности ~ 100 лм / Вт, таким образом, световая эффективность флуоресцентных ламп ниже, чем натриевых. Ксеноновая лампа-вспышка обычно подключается к розетке на 50-70%, что превышает эффективность большинства других видов освещения. Поскольку трубка-вспышка излучает большое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, глаз использует только часть выходной энергии. Таким образом, светоотдача обычно составляет около 50 лм / Вт. Однако не все области применения освещения задействуют человеческий глаз и не ограничены видимыми длинами волн. Для лазерной накачки эффективность не связана с человеческим глазом, поэтому ее называют не "световой" эффективностью, а скорее просто "эффективностью", поскольку она относится к линиям поглощения лазерной среды. Для накачки Nd: YAG-лазеров часто выбирают криптоновые трубки-вспышки, даже несмотря на то, что их КПД от сетевого подключения обычно составляет всего ~ 40%. Спектральные линии криптона лучше соответствуют линиям поглощения неодима-Легированный кристалл, таким образом, эффективность криптона для этой цели намного выше, чем у ксенона; он способен производить вдвое большую мощность лазера при том же электрическом напряжении. Все эти термины относятся к количеству энергии и люменов на выходе из источника света, без учета любых потерь, которые могут возникнуть в осветительном приборе или последующей выходной оптике. Эффективность светильника относится к общей мощности светильника в расчете на мощность лампы.
За исключением нескольких источников света, таких как лампы накаливания, большинство источников света имеют несколько стадий преобразования энергии между "розеткой" (точкой электрического ввода, которая может включать батареи, прямую проводку или другие источники) и конечной светоотдачей, причем каждая стадия приводит к потерям. Натриевые лампы низкого давления первоначально преобразуют электрическую энергию, используя электрический балласт, для поддержания надлежащего тока и напряжения, но часть энергии теряется в балласте. Аналогично, люминесцентные лампы также преобразуют электроэнергию с использованием балласта (электронная эффективность). Затем электричество преобразуется в световую энергию с помощью электрической дуги (эффективность электрода и разрядная эффективность). 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 количеству, которое затем повторно излучается в виде флуоресценции (квантовая эффективность). Наконец, из-за явления Стоксов сдвиг, переизлученные фотоны будут иметь большую длину волны (следовательно, меньшую энергию), чем поглощенные фотоны (эффективность флуоресценции). Очень похожим образом лазеры также проходят множество стадий преобразования между розеткой и выходной апертурой. Таким образом, 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[править]
| Процесс преобразования | Тип преобразования | Энергоэффективность |
|---|---|---|
| Производство | электроэнергии | |
| Газовая турбина | Преобразование химической энергии в электрическую | до 40% |
| Газовая турбина plus паровая турбина (комбинированный цикл) | Химическая энергия в тепловую + электрическая (когенерация) | выросла до 63,08% В декабре 2017 года GE заявила о более 64% на своей последней установке мощностью 826 МВт 9ГА.02, по сравнению с 63,7%. Они сказали, что это связано с достижениями в области аддитивного производства и сжигания топлива. В их пресс-релизе говорилось, что они планируют достичь 65% к началу 2020-х годов.[самостоятельно опубликованный источник] |
| Водяная турбина | Из гравитационной в электрическую | до 95% (практически достигнуто) |
| Ветряная турбина | Преобразование кинетической энергии в электрическую | до 50% (HAWT в изоляции, до 25-40% HAWT в непосредственной близости, до 35-40% VAWT в изоляции, до 41-47% VAWT series-farm. 3128 электростанций старше 10 лет в Дании показали, что у половины из них снижение не наблюдалось, в то время как у другой половины производство снижалось на 1,2% в год. Теоретический предел = 16/27= 59%) |
| Солнечный элемент | Из излучательной в электрическую | 6-40% (зависит от технологии, чаще всего 15-20%), среднее снижение для технологий x-Si составляет 0,5-0,6% в год при среднем значении 0,8-0,9% в год. Технологии гетероинтерфейса (HIT) и микрокристаллического кремния (µc-Si), хотя и не столь распространены, демонстрируют деградацию примерно на 1% в год и больше напоминают тонкопленочные продукты, чем x-Si. предел бесконечного стека: 86,8% концентрированного 68,7% неконцентрированного) |
| Топливный элемент | Химическое преобразование в тепловое + электрическое (когенерация) | Энергоэффективность топливного элемента обычно составляет от 40 до 60%; однако, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации, может быть получен КПД до 85%.
Среднемировая электростанция, работающая на ископаемом топливе для выработки электроэнергии по состоянию на 2008 год || Преобразование химической энергии в электрическую ||Валовой выпуск продукции 39%, чистый выпуск продукции 33% |
| Накопление | электроэнергии | |
| Литий-ионный аккумулятор | Химическое преобразование в электрическое / обратимое | 80–90% |
| Никель-металлогидридный аккумулятор | Химическое преобразование в электрическое / обратимое | 66% |
| Свинцово-кислотный аккумулятор | Химическое преобразование в электрическое / обратимое | 50–95% |
| Накопительная гидроэлектроэнергия | гравитационное преобразование в электрическое / обратимое | 70–85% |
| Двигатель/motor | ||
| Двигатель внутреннего сгорания | От химической к кинетической | 10–50% |
| Электродвигатель | Преобразование электрической энергии в кинетическую | 70–99.99% (> 200 W); 50–90% (10–200 W); 30–60% (< 10 W) |
| Турбовентиляторный двигатель | От химической к кинетической | 20–40% |
| Естественный | процесс | |
| Фотосинтез | Из радиационной в химическую | От 0,1% (в среднем) до 2% (наилучший вариант); в принципе до 6% (см. Основное: Эффективность фотосинтеза) |
| Мышцы | От химической к кинетической | 14–27% |
| Прибор | ||
| Бытовой холодильник | Преобразование электрической энергии в тепловую | Системы низкого класса ~ 20%; системы высокого класса ~ 40-50% |
| Лампа накаливания | Преобразование электрической энергии в радиационную | Эффективность использования настенных розеток ~ 80%[34] 0,7-5,1% световой отдачи |
| Светоизлучающий диод (LED) | Преобразование электрической энергии в радиационную | 4.2–53%[сомнительный – обсудить] |
| Люминесцентная лампа | Преобразование электрической энергии в радиационную | 8.0–15.6%, 28% |
| Натриевая лампа низкого давления | Преобразование электрической энергии в радиационную | 15.0–29.0%, 40.5% |
| Металлогалогенная лампа | Преобразование электрической энергии в радиационную | 9.5–17.0%, 24% |
| Источник питания с переключаемым режимом работы | Преобразование электрической энергии в электрическую | в настоящее время практически достигает 96% |
| Электрический душ | Преобразование электрической энергии в тепловую | 90-95% (умножьте на энергоэффективность производства электроэнергии для сравнения с другими системами водяного отопления) |
| Электрический нагреватель | Преобразование электрической энергии в тепловую | ~ 100% (практически вся энергия преобразуется в тепло, умножьте на
энергоэффективность выработки электроэнергии для сравнения с другими системами отопления) |
| Прочее | ||
| Огнестрельное оружие | От химической к кинетической | ~30% (боеприпасы калибра 300 Hawk) |
| Электролиз воды | Преобразование электрической энергии в химическую | 50-70% (теоретический максимум 80-94%) |
Примерно[править]
85% - газоразрядной ртутной лампы высокого давления
- 75% - Русская печка
- 22% Солнечные панели
- 6%- 8% лампа накаливания
См.также[править]
Сезонный коэффициент энергоэффективности (ВИДЯЩИЙ)
- Сезонное накопление тепловой энергии (STES)
- Сезонный коэффициент полезного действия системы отопления (HSPF)
- Эффективность энергопотребления (PUE)
- Тепловой КПД
- Парокомпрессионное охлаждение
- Кондиционер воздуха
- ОВКВ
См.также[править]
Стоимость электроэнергии в разбивке по источникам
- Энергоэффективность (устранение неоднозначности)
- EROEI
- Эксергетическая эффективность
- Показатель эффективности
- Теплота сгорания
- Международная электротехническая комиссия
- Вечный двигатель
- Чувствительность (электроника)
- Эффективность солнечных элементов
- Коэффициент полезного действия
Пруф[править]
web.archive.org/web/20110819224347/http://ledcalculator.everlumen.com/