Эффективность преобразования энергии

редактировать
Соотношение между полезной выходной мощностью и входной мощностью машины Полезная выходная энергия всегда ниже, чем входная энергия. КПД электростанций, всего в мире, 2008

КПД преобразования энергии (η) - это отношение между полезной выходной мощностью машины преобразования энергии и входом в энергия термины. Вход, а также полезный выход могут быть химическим, электричеством, механической работой, светом (излучением) или heat.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Показатели нагрева и КПД топлива
  • 3 КПД, светоотдача и светоотдача
  • 4 Пример эффективности преобразования энергии
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Обзор

Эффективность преобразования энергии зависит от полезности выхода. Все или часть тепла, производимого при сжигании топлива, может быть отклонено отходящим теплом, если, например, работа является желаемой отдачей от термодинамического цикла. Преобразователь энергии - это пример преобразования энергии. Например, лампочка попадает в категорию преобразователей энергии. η = P out P in {\ displaystyle \ eta = {\ frac {P _ {\ mathrm {out}}} {P _ {\ mathrm {in}}}}}\ eta = {\ frac {P _ {{\ mathrm {out} }}} {P _ {{\ mathrm {in}}}}} Даже если определение включает понятие полезности, эффективность считается техническим или физическим термином. Термины, ориентированные на цель или миссию, включают эффективность и эффективность.

Как правило, эффективность преобразования энергии - это безразмерное число от 0 до 1,0 или от 0% до 100%. КПД не может превышать 100%, например, для машины с вечным двигателем . Однако другие меры эффективности, которые могут превышать 1,0, используются для тепловых насосов и других устройств, которые перемещают тепло, а не преобразуют его.

Говоря об эффективности тепловых двигателей и электростанций, следует указывать условные обозначения, т. Е. HHV (или Gross Heating Value, и т. Д.) Или LCV (также известное как Net Heating value), и учитывается ли валовой выпуск (на клеммах генератора) или чистый выпуск (на ограждении электростанции). Эти два понятия разделены, но необходимо указать оба. Неспособность сделать это вызывает бесконечную путаницу.

Связанные более конкретные термины включают

Тепловые характеристики топлива и КПД

В Европе полезная энергия топлива обычно рассчитывается с использованием нижней теплотворной способности (LHV) этого топлива, определение которой предполагает, что водяной пар образуется при сгорании топлива n (окисление) остается газообразным и 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 понимать конвенцию LHV, но вызывает недоумение). Это связано с тем, что устройство восстанавливает часть теплоты парообразования, которая не включена в определение нижней теплотворной способности топлива. 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 превышено.

КПД, светоотдача и светоотдача

Абсолютная освещенность четырьмя различными газами при использовании в лампе-вспышке. Ксенон, безусловно, самый эффективный из газов, хотя криптон более эффективен при определенной длине волны света. Чувствительность человеческого глаза к различным 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 (желтую) линию натрия и популярные 532 нм (зеленый), 671 нм (красный), 473 нм (синий) и 405 нм (фиолетовый) лазерные указатели. A Диаграмма Санки показаны 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 розетки. Эффективность настенной розетки - это мера выходной энергии излучения в ваттах (джоулей в секунду) на общую входную электрическую энергию в ваттах. Выходная энергия обычно измеряется в единицах абсолютной энергетической освещенности, а эффективность настенной заглушки дается в процентах от общей входной энергии, а обратный процент представляет собой потери.

Эффективность настенной розетки отличается от световой отдачи тем, что эффективность розетки описывает прямое преобразование выходной / входной энергии (количество работы, которое может быть выполнено), тогда как световая отдача учитывает различную чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн (насколько хорошо он может освещать пространство). Вместо использования ватт мощность источника света для создания 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 кривой мощности Гаусса и падает до нуля. чувствительность 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 эффективностью, которая измеряется в единицах люмен на ватт (лм / Вт) потребляемой электрической энергии.

В отличие от эффективности (эффективности), которая является единицей измерения, эффективность - это безразмерное число, выраженное как процент, требующее только этого блоки ввода и вывода должны быть одного типа. Таким образом, световая эффективность 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 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 излучаемой энергии эквивалентен 685 люменам, таким образом, источник монохроматического света на этой длине волны со световой эффективностью 685 лм / Вт имеет светоотдачу 100%. Теоретически максимальная эффективность снижается для длин волн по обе стороны от 555 нм. Например, натриевые лампы низкого давления излучают монохроматический свет с длиной волны 589 нм со световой эффективностью 200 лм / Вт, которая является самой высокой среди ламп. Теоретическая максимальная эффективность на этой длине волны составляет 525 лм / Вт, поэтому световая отдача лампы составляет 38,1%. Поскольку лампа является монохроматической, ее световая отдача почти соответствует эффективности настенной розетки < 40%.

. Расчеты световой отдачи становятся более сложными для ламп, которые излучают белый свет или смесь спектральных линий. Люминесцентные лампы имеют более высокий КПД от розетки, 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, глаз использует только часть выходной энергии. 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 она называется 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 розетки обычно составляет всего ~ 40%. Спектральные линии криптона лучше соответствуют линиям поглощения кристалла неодима - , легированного, поэтому эффективность криптона для этой цели намного выше, чем у 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, приходящийся на выход лампы.

За исключением нескольких источников света, таких как лампы накаливания, большинство источников света имеют несколько каскадов. преобразования энергии между «настенной розеткой» (электрическая входная точка, которая может включать батареи, прямую проводку или другие источники) и конечным световым выходом, при этом каждая ступень вызывает 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 энергию света посредством электрической дуги (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, которое затем переизлучается как флуоресценция (квантовая эффективность ). Наконец, из-за явления стоксова сдвига повторно испускаемые фотоны будут иметь более короткую длину волны (следовательно, более низкую энергию), чем поглощенные фотоны (эффективность флуоресценции). Подобным образом в лазерах также происходит много 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 преобразованияТип преобразованияЭффективность использования энергии
Производство электроэнергии
Газовая турбина Тепловая энергия в электрическаядо 40%
Газовая турбина плюс паровая турбина (комбинированный цикл )Тепловая в электрическуюдо 60%
Водяная турбина Гравитационная в электрическуюдо 90% (практически достигается)
Ветряная турбина Кинетическая в электрическуюдо 59% (теоретический предел)
Солнечный элемент От излучения к электричеству6–40% (в зависимости от технологии, 15–20% чаще всего, теоретический предел 85–90%)
Топливный элемент Химическое воздействие на электрическиедо 85%
Мир Эл. Производство электроэнергии 2008Валовая выработка 39%Чистая выработка 33%
Накопление электроэнергии
Литий-ионный аккумулятор Химический переход в электрическую / обратимая80–90%
Никель-металлогидридная батарея Химическая реакция на электрическую / обратимая66%
Свинцово-кислотная батарея Химическая на электрическую / обратимая50–95%
Двигатель / мотор
Двигатель внутреннего сгорания Химическое превращение в кинетическое10–50%
Электродвигатель Электрическое в кинетическое70 –99,99% (>200 Вт); 50–90% (10–200 Вт); 30–60% (< 10 W)
Турбофан Химический в кинетический20-40%
Естественный процесс
Фотосинтез Радиационный в химический0,1% (в среднем) до 2% (лучше всего); до 6% в принципе (см. основное: Эффективность фотосинтеза )
Мышцы Химическое превращение в кинетическое14–27%
Устройство
Бытовые холодильники электрические в тепловыесистемы начального уровня ~ 20%; системы высокого уровня ~ 40–50%
Лампы накаливания электрические в радиационные0,7–5,1%, 5–10%
Светоизлучающий диод (LED)От электрического до радиационного4,2–53%
Люминесцентная лампа От электрического к радиационному8,0–15,6%, 28%
Натриевая лампа низкого давления От электрического к радиационному15,0–29,0%, 40,5%
Металлогалогенид лампа От электрического к радиационному9,5–17,0%, 24%
Импульсный источник питания От электрического к электрическомув настоящее время практически до 96%
Электрический душОт электрического к тепловому90–95% (умножьте на y эффективность выработки электроэнергии по сравнению с другими системами водяного отопления)
Электрический нагреватель Электрический нагреватель в тепловой~ 100% (практически вся энергия преобразуется в тепло, умноженное на энергоэффективность электричества поколения для сравнения с другими системами отопления)
Другое
Огнестрельное оружие Химическое превращение в кинетическое~ 30% (боеприпасы.300 Hawk)
Электролиз воды Электрический в химический50–70% (теоретический максимум 80–94%)

См. Также

Справочная информация

Внешний ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-19 10:32:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте