Účinnost přeměny energie - Energy conversion efficiency
Účinnost přeměny energie ( η ) je poměr mezi užitečným výkonem stroje na přeměnu energie a vstupem v energetickém vyjádření. Vstup, stejně jako užitečný výkon, může být chemická , elektrická energie , mechanická práce , světlo (záření) nebo teplo .
Přehled
Účinnost přeměny energie závisí na užitečnosti výkonu. Celé nebo část tepla vyrobeného spalováním paliva se může stát odmítnutým odpadním teplem, pokud je například práce požadovaným výstupem z termodynamického cyklu . Převodník energie je příkladem energetické transformace. Například žárovka spadá do kategorií měnič energie. I když definice zahrnuje pojem užitečnosti, účinnost je považována za technický nebo fyzikální termín. Mezi cíle zaměřené na cíl nebo misi patří účinnost a účinnost .
Účinnost přeměny energie je obecně bezrozměrné číslo mezi 0 a 1,0 nebo 0% až 100%. Účinnost nesmí překročit 100%, např. U stroje s věčným pohybem . Pro tepelná čerpadla a jiná zařízení, která teplo přesouvají, než převádějí, se však používají jiná opatření účinnosti, která mohou přesáhnout 1,0 .
Když hovoříme o účinnosti tepelných motorů a elektráren, měla by být uvedena konvence, tj. HHV ( aka Hrubá hodnota vytápění atd.) Nebo LCV (aka čistá hodnota vytápění) a zda hrubý výkon (na svorkách generátoru) nebo čistý výstup (u plotu elektrárny) jsou zvažovány. Ty dva jsou oddělené, ale oba musí být uvedeny. Pokud tak neučiníte, způsobí to nekonečný zmatek.
Mezi související, konkrétnější pojmy patří
- Elektrická účinnost , užitečný výkon na spotřebovanou elektrickou energii;
- Mechanická účinnost , kdy je jedna forma mechanické energie (např. Potenciální energie vody) přeměněna na mechanickou energii ( práce );
- Tepelná účinnost nebo palivová účinnost , užitečné teplo a/nebo pracovní výkon na vstupní energii, jako je spotřebované palivo ;
- „Celková účinnost“, např. Pro kogeneraci , užitečnou elektrickou energii a tepelný výkon na spotřebovanou energii paliva. Stejné jako tepelná účinnost .
- Světelná účinnost , ta část vyzařovaného elektromagnetického záření je použitelná pro lidské vidění.
Účinnost chemické přeměny
Změna Gibbsovy energie o definované chemické transformaci při konkrétní teplotě je minimální teoretické množství energie potřebné k tomu, aby k této změně došlo (pokud je změna Gibbsovy energie mezi reaktanty a produkty kladná) nebo maximální teoretická energie, kterou lze získat z této změny (pokud je změna Gibbsovy energie mezi reaktanty a produkty negativní). Energetická účinnost procesu zahrnujícího chemickou změnu může být vyjádřena relativně k těmto teoretickým minimům nebo maximům. Rozdíl mezi změnou entalpie a změnou Gibbsovy energie chemické transformace při konkrétní teplotě udává požadovaný tepelný příkon nebo odvod tepla (chlazení) nutné k udržení této teploty.
Palivový článek lze považovat za reverzní elektrolýzu. Například ideální palivový článek pracující při teplotě 25 ° C s plynným vodíkem a plynným kyslíkem jako vstupem a kapalnou vodou jako výstupem by mohl produkovat teoretické maximální množství elektrické energie 237,129 kJ (0,06587 kWh) na gram mol (18,0154 gramu) ) vyrobené vody a vyžadovalo by to 48,701 kJ (0,01353 kWh) na gram mol vyrobené vody tepelné energie, která by měla být odebrána z článku k udržení této teploty, zatímco ideální elektrolytická jednotka pracující při teplotě 25 ° C má jako vstup kapalnou vodu a plynný vodík a plynný kyslík jako produkty by vyžadovaly teoretický minimální příkon elektrické energie 237,129 kJ (0,06587 kWh) na gram mol (18,0154 gramu) spotřebované vody a vyžadovalo by 48,701 kJ (0,01353 kWh) na gram mol vyrobené vody tepelná energie, která má být přidána do jednotky k udržení této teploty.
Hodnoty a účinnost ohřevu paliva
V Evropě se využitelný energetický obsah paliva obvykle vypočítává pomocí nižší výhřevnosti (LHV) tohoto paliva, jejíž definice předpokládá, že vodní pára vznikající při spalování paliva (oxidace) zůstává plynná a není kondenzována na kapalnou vodu latentní výparné teplo této vody tedy není použitelné. Pomocí LHV může kondenzační kotel dosáhnout „účinnosti vytápění“ přesahující 100% (neporušuje to první termodynamický zákon , pokud je konvence LHV pochopena, ale způsobuje zmatek). Důvodem je, že zařízení rekuperuje část odpařovacího tepla , které není zahrnuto v definici nižší výhřevnosti paliva. V USA a jinde se používá vyšší hodnota topení (HHV), která zahrnuje latentní teplo pro kondenzaci vodní páry, a proto nelze překročit termodynamické maximum 100% účinnosti.
Účinnost nástěnné zástrčky, světelná účinnost a účinnost
V optických systémech, jako jsou osvětlení a lasery , je účinnost přeměny energie často označována jako účinnost zapojení do zásuvky . Účinnost nástěnné zástrčky je měřítkem výstupní radiační energie ve wattech ( joulech za sekundu) na celkovou vstupní elektrickou energii ve wattech. Výstupní energie se obvykle měří z hlediska absolutního ozáření a účinnost nástěnné zástrčky se udává jako procento z celkové vstupní energie, přičemž inverzní procento představuje ztráty.
Účinnost nástěnné zástrčky se liší od světelné účinnosti tím, že účinnost nástěnné zástrčky popisuje přímou přeměnu energie na výstup (množství práce, kterou lze provést), zatímco světelná účinnost zohledňuje různou citlivost lidského oka na různé vlnové délky ( jak dobře může osvětlit prostor). Namísto použití wattů se síla světelného zdroje k produkci vlnových délek úměrných lidskému vnímání měří v lumenech . Lidské oko je nejcitlivější na vlnové délky 555 nanometrů (zelenožluté), ale citlivost dramaticky klesá na obě strany této vlnové délky, podle Gaussovy křivky výkonu a klesá na nulovou citlivost na červeném a fialovém konci spektra. Z tohoto důvodu oko obvykle nevidí všechny vlnové délky emitované konkrétním zdrojem světla, ani nevidí všechny vlnové délky ve vizuálním spektru stejně. Například žlutá a zelená tvoří více než 50% toho, co oko vnímá jako bílé, i když z hlediska zářivé energie je bílé světlo tvořeno stejnými částmi všech barev (tj .: 5 mw zelený laser se zdá jasnější než 5 mw červený laser, přesto červený laser lépe vynikne na bílém pozadí). Proto může být intenzita záření světelného zdroje mnohem větší než jeho světelná intenzita , což znamená, že zdroj vydává více energie, než může oko použít. Podobně je účinnost zástrčky na stěně obvykle větší než její světelná účinnost. Účinnost světelného zdroje na přeměnu elektrické energie na vlnové délky viditelného světla, úměrně citlivosti lidského oka, se označuje jako světelná účinnost , která se měří v jednotkách lumenů na watt (lm/w) elektrického příkonu -energie.
Na rozdíl od účinnosti (efektivity), což je jednotka měření , je účinnost jednotkové číslo vyjádřené v procentech a vyžaduje pouze, aby vstupní a výstupní jednotky byly stejného typu. Světelná účinnost světelného zdroje je tedy procento světelné účinnosti na teoretickou maximální účinnost při specifické vlnové délce. Množství energie nesené fotonem světla je určeno jeho vlnovou délkou. V lumenech je tato energie kompenzována citlivostí oka na zvolené vlnové délky. Například zelené laserové ukazovátko může mít větší než 30násobek zjevného jasu červeného ukazatele stejného výkonu. Při vlnové délce 555 nm je 1 watt zářivé energie ekvivalentní 685 lumenů, takže monochromatický světelný zdroj na této vlnové délce se světelnou účinností 685 lm/w má světelnou účinnost 100%. Teoretická maximální účinnost klesá pro vlnové délky na obou stranách 555 nm. Například nízkotlaké sodíkové výbojky produkují monochromatické světlo při 589 nm se světelnou účinností 200 lm/w, což je nejvyšší hodnota ze všech lamp. Teoretická maximální účinnost při této vlnové délce je 525 lm/w, takže lampa má světelnou účinnost 38,1%. Protože je lampa monochromatická, světelná účinnost se téměř shoduje s účinností zástrčky <40%.
Výpočty pro světelnou účinnost jsou u lamp, které produkují bílé světlo nebo směs spektrálních čar, složitější. Zářivky mají vyšší účinnost nástěnné zástrčky než nízkotlaké sodíkové výbojky, ale mají pouze poloviční světelnou účinnost ~ 100 lm/w, takže světelná účinnost zářivek je nižší než sodíkových výbojek. Xenonová výbojka má typickou účinnost nástěnné zástrčky 50–70%, která převyšuje většinu ostatních forem osvětlení. Protože zářivka emituje velké množství infračerveného a ultrafialového záření, oko využívá pouze část výstupní energie. Světelná účinnost je proto typicky kolem 50 lm/w. Ne všechny aplikace osvětlení však zahrnují lidské oko ani nejsou omezeny na viditelné vlnové délky. U laserového čerpání účinnost nesouvisí s lidským okem, takže se tomu neříká „světelná“ účinnost, ale spíše jednoduše „účinnost“, protože se týká absorpčních linií laserového média . Pro čerpání laserů Nd: YAG jsou často vybírány kryptonové bleskové trubice , přestože účinnost jejich nástěnných zástrček je obvykle jen ~ 40%. Krypton je spektrální čáry lépe hodil k absorpční linie neodym - dopovaného krystalu, tedy účinnost krypton pro tento účel, je mnohem vyšší, než xenonu ; schopen produkovat až dvojnásobný výkon laseru pro stejný elektrický vstup. Všechny tyto termíny se týkají množství energie a lumenů při výstupu ze světelného zdroje, bez ohledu na jakékoli ztráty, ke kterým může dojít v rámci svítidla nebo následné výstupní optiky. Účinnost svítidla se vztahuje na celkový světelný výkon svítidla na výkon žárovky.
S výjimkou několika světelných zdrojů, jako jsou žárovky , má většina světelných zdrojů několik fází přeměny energie mezi „nástěnnou zástrčkou“ (elektrický vstupní bod, který může zahrnovat baterie, přímé zapojení nebo jiné zdroje) a konečným světelný výkon, přičemž každý stupeň produkuje ztrátu. Nízkotlaké sodíkové výbojky zpočátku přeměňují elektrickou energii pomocí elektrického předřadníku , aby se udržel správný proud a napětí, ale část energie se v předřadníku ztrácí. Podobně zářivky také přeměňují elektřinu pomocí předřadníku (elektronická účinnost). Elektřina je pak přeměněna na světelnou energii elektrickým obloukem (účinnost elektrody a účinnost výboje). Světlo je poté přeneseno na fluorescenční povlak, který pohlcuje pouze vhodné vlnové délky, s určitými ztrátami těchto vlnových délek v důsledku odrazu a přenosu povlakem (účinnost přenosu). Počet fotonů absorbovaných povlakem se nebude shodovat s počtem, který byl poté znovu emitován jako fluorescence ( kvantová účinnost ). Nakonec kvůli jevu Stokesova posunu budou mít znovu emitované fotony delší vlnovou délku (tedy nižší energii) než absorbované fotony (účinnost fluorescence). Velmi podobným způsobem zažívají lasery také mnoho fází převodu mezi nástěnnou zástrčkou a výstupní clonou . Pojmy „účinnost nástěnné zástrčky“ nebo „účinnost přeměny energie“ se proto používají k označení celkové účinnosti zařízení pro přeměnu energie, přičemž se odečtou ztráty z každého stupně, i když to může vyloučit externí součásti potřebné k provozu některých zařízení, jako je např. čerpadla chladicí kapaliny.
Příklad účinnosti přeměny energie
| Proces převodu | Typ převodu | Energetická účinnost |
|---|---|---|
| Výroba elektřiny | ||
| Plynová turbína | Chemické na elektrické | až 40% |
| Plynová turbína plus parní turbína ( kombinovaný cyklus ) | Chemická až tepelná+elektrická ( kogenerace ) | až 63,08% V prosinci 2017 společnost GE uplatnila nárok na> 64% ve své nejnovější elektrárně 9HA.02 s výkonem 826 MW, což je nárůst z 63,7%. Řekli, že to bylo kvůli pokroku v aditivní výrobě a spalování. Jejich tisková zpráva uvedla, že plánovali dosáhnout 65% do začátku roku 2020. |
| Vodní turbína | Gravitační na elektrickou | až 95% (prakticky dosaženo) |
| Větrná turbína | Kinetické na elektrické | až 50% (HAWT izolovaně, až 25% –40% HAWT v těsné blízkosti, až 35% –40% VAWT izolovaně, až 41% –47% VAWT série farmy. 3128 HAWT starších než 10 let v Dánsku ukázalo, že polovina neměla žádný pokles, zatímco druhá polovina zaznamenala pokles produkce o 1,2% ročně. Teoretický limit = 16/27 = 59%) |
| Solární panel | Radiační na elektrickou | 6–40% (v závislosti na technologii, nejčastěji 15–20%, medián degradace u technologií x-Si v rozmezí 0,5–0,6%/rok s průměrem v rozmezí 0,8–0,9%/rok. Technologie hetero-rozhraní ( HIT) a technologie mikrokrystalického křemíku (µc-Si), přestože nejsou tak hojné, vykazují degradaci kolem 1%/rok a více se podobají tenkovrstvým výrobkům než x-Si. Limit nekonečného zásobníku : 86,8% koncentrovaných 68,7% nekoncentrovaných) |
| Palivový článek | Chemická až tepelná+elektrická (kogenerace) | Energetická účinnost palivového článku se obecně pohybuje mezi 40 a 60%; je -li však odpadní teplo zachyceno v kogeneračním schématu, lze dosáhnout účinnosti až 85%. |
| Světová generace elektřiny 2008 | Hrubá produkce 39% | Čistý výkon 33% |
| Úložiště elektřiny | ||
| Lithium-iontová baterie | Chemický na elektrický/reverzibilní | 80–90% |
| Nikl-metal hydridová baterie | Chemický na elektrický/reverzibilní | 66% |
| Olověný akumulátor | Chemický na elektrický/reverzibilní | 50–95% |
| Motor/motor | ||
| Spalovací motor | Chemické až kinetické | 10–50% |
| Elektrický motor | Elektrické až kinetické | 70–99,99% (> 200 W); 50–90% (10–200 W); 30–60% (<10 W) |
| Turbofan | Chemické až kinetické | 20-40% |
| Přirozený proces | ||
| Fotosyntéza | Radiační k chemikáliím | 0,1% (průměr) až 2% (nejlepší); v zásadě až 6% (viz hlavní: Fotosyntetická účinnost ) |
| Sval | Chemické až kinetické | 14–27% |
| Spotřebič | ||
| Lednice pro domácnost | Elektrické až tepelné | low-end systémy ~ 20%; špičkové systémy ~ 40–50% |
| Žárovka | Elektrické až radiační | 0,7–5,1%, 5–10% |
| Světelná dioda (LED) | Elektrické až radiační | 4,2–53% |
| Zářivka | Elektrické až radiační | 8,0–15,6%, 28% |
| Nízkotlaká sodíková výbojka | Elektrické až radiační | 15,0–29,0%, 40,5% |
| Metalhalogenidová lampa | Elektrické až radiační | 9,5–17,0%, 24% |
| Spínaný napájecí zdroj | Elektrický na elektrický | v současné době prakticky až 96% |
| Elektrická sprcha | Elektrické až tepelné | 90–95% (vynásobeno energetickou účinností výroby elektřiny ve srovnání s jinými systémy ohřevu vody) |
| Elektrický ohřívač | Elektrické až tepelné | ~ 100% (v podstatě veškerá energie je přeměněna na teplo, vynásobeno energetickou účinností výroby elektřiny ve srovnání s jinými topnými systémy) |
| Ostatní | ||
| Střelná zbraň | Chemické až kinetické | ~ 30% (munice .300 Hawk) |
| Elektrolýza vody | Elektrické až chemické | 50–70% (teoretické maximum 80–94%) |