Enerji dönüşüm verimliliği - Energy conversion efficiency

Yararlı çıkış enerjisi her zaman giriş enerjisinden daha düşüktür.
Santrallerin verimliliği, dünya toplamı, 2008

Enerji dönüşüm verimliliği ( η ), bir enerji dönüşüm makinesinin faydalı çıktısı ile enerji açısından girdi arasındaki orandır . Girdi ve faydalı çıktı kimyasal , elektrik gücü , mekanik iş , ışık (radyasyon) veya ısı olabilir .

genel bakış

Enerji dönüşüm verimliliği, çıktının kullanışlılığına bağlıdır. Bir yakıtın yakılmasından üretilen ısının tamamı veya bir kısmı, örneğin iş, bir termodinamik çevrimden istenen çıktıysa, reddedilen atık ısı haline gelebilir . Enerji dönüştürücü, bir enerji dönüşümünün bir örneğidir. Örneğin bir ampul, enerji dönüştürücü kategorisine girer. Tanım, yararlılık kavramını içerse de, verimlilik teknik veya fiziksel bir terim olarak kabul edilir . Hedef veya misyon odaklı terimler, etkinlik ve etkililiği içerir .

Genel olarak, enerji dönüşüm verimliliği 0 ile 1,0 arasında veya %0 ile %100 arasında boyutsuz bir sayıdır. Verimlilik, örneğin sürekli hareket eden bir makine için %100'ü aşamaz . Bununla birlikte, ısı pompaları ve ısıyı dönüştürmek yerine hareket ettiren diğer cihazlar için 1.0'ı aşabilen diğer etkinlik ölçütleri kullanılır .

Isı makinelerinin ve elektrik santrallerinin verimliliğinden bahsederken, sözleşme belirtilmelidir, yani HHV ( diğer adıyla Brüt Isıtma Değeri, vb.) veya LCV (diğer adıyla Net Isıtma değeri) ve brüt çıktı (jeneratör terminallerinde) veya net çıktı (güç istasyonu çitinde) değerlendiriliyor. İkisi ayrı ama ikisi de belirtilmelidir. Bunu yapmamak sonsuz bir kafa karışıklığına neden olur.

İlgili, daha spesifik terimler şunları içerir:

Kimyasal dönüşüm verimliliği

Belirli bir sıcaklıkta tanımlanmış bir kimyasal dönüşümün Gibbs enerjisinin değişimi, bu değişikliğin gerçekleşmesi için gereken minimum teorik enerji miktarı (reaktantlar ve ürünler arasındaki Gibbs enerjisindeki değişim pozitif ise) veya elde edilebilecek maksimum teorik enerjidir. bu değişiklikten (reaktantlar ve ürünler arasındaki Gibbs enerjisindeki değişiklik negatifse). Kimyasal değişimi içeren bir sürecin enerji verimliliği, bu teorik minimum veya maksimumlara göre ifade edilebilir. Belirli bir sıcaklıkta kimyasal dönüşümün entalpi değişimi ile Gibbs enerjisinin değişimi arasındaki fark, gerekli ısı girdisini veya ısı uzaklaştırmasını gösterir. (soğutma) bu sıcaklığı korumak için gereklidir.

Bir yakıt hücresi, elektrolizin tersi olarak düşünülebilir. Örneğin, girdi olarak gaz halinde hidrojen ve gaz halinde oksijen ve çıktı olarak sıvı su içeren 25 C sıcaklıkta çalışan ideal bir yakıt pili, teorik olarak maksimum miktarda elektrik enerjisi mol gramı (18.0154 gram) 237.129 kJ (0.06587 kWh) üretebilir. 25 C sıcaklıkta çalışan ideal bir elektroliz ünitesi girdi olarak sıvı suya sahipken, bu sıcaklığı korumak için hücreden uzaklaştırılacak ısı enerjisinden üretilen suyun gram mol başına 48.701 kJ (0.01353 kWh) gerekir. ve gaz halinde hidrojen ve gaz halinde oksijen, tüketilen her gram mol (18.0154 gram) su için teorik olarak minimum 237.129 kJ (0.06587 kWh) elektrik enerjisi girişi gerektirecek ve üretilen her gram mol su için 48.701 kJ (0.01353 kWh) gerektirecektir. bu sıcaklığı korumak için üniteye eklenecek ısı enerjisi.

Yakıt ısıtma değerleri ve verimliliği

Avrupa'da bir yakıtın kullanılabilir enerji içeriği tipik olarak kullanılarak hesaplanır düşük ısıl değeri bu yakıt (LHV), tanım olan varsayar su buharı yakıt esnasında üretilen yanma (oksidasyon) gaz kalır değildir ve yoğunlaştırılmış sıvı haldeki suyu yani bu suyun gizli buharlaşma ısısı kullanılamaz. LHV kullanarak, bir yoğuşmalı kazan %100'ün üzerinde bir "ısıtma verimliliği" elde edebilir (bu , LHV sözleşmesi anlaşıldığı sürece termodinamiğin birinci yasasını ihlal etmez, ancak karışıklığa neden olur). Bunun nedeni, aparatın , bir yakıtın daha düşük ısıl değeri tanımına dahil olmayan buharlaşma ısısının bir kısmını geri kazanmasıdır . ABD'de ve başka yerlerde, su buharını yoğunlaştırmak için gizli ısıyı içeren daha yüksek ısıtma değeri (HHV) kullanılır ve bu nedenle termodinamik maksimum %100 verim aşılamaz.

Duvar prizi verimliliği, ışık verimliliği ve etkinlik

Bir flaş tüpünde kullanıldığında dört farklı gazın mutlak ışıması. Kripton belirli bir ışık dalga boyunda daha etkili olmasına rağmen, Xenon gazların açık ara en verimlisidir.
İnsan gözünün çeşitli dalga boylarına duyarlılığı. Her dalga boyunun 1 watt radyan enerjiye eşit olduğu varsayıldığında , yalnızca merkez dalga boyu 685 lümene eşit olan 685 kandela (1 watt ışık enerjisi) olarak algılanır . Dikey renkli çizgiler 589 (sarı) sodyum çizgisini ve popüler 532 nm (yeşil), 671 nm (kırmızı), 473 nm (mavi) ve 405 nm (mor) lazer işaretçileri temsil eder.
Duvar prizi ile bir flüoresan lambanın ışık çıkışı arasındaki enerji kaybının çoklu aşamalarını gösteren bir Sankey diyagramı . En büyük kayıplar Stokes kayması nedeniyle meydana gelir.

Aydınlatma ve lazerler gibi optik sistemlerde , enerji dönüşüm verimliliği genellikle duvar prizi verimliliği olarak adlandırılır . Duvar prizi verimliliği, watt cinsinden toplam giriş elektrik enerjisi başına watt ( joule /saniye) cinsinden çıkış ışınım enerjisinin ölçüsüdür . Çıkış enerjisi genellikle mutlak ışınım cinsinden ölçülür ve duvar prizi verimliliği, kayıpları temsil eden ters yüzde ile toplam giriş enerjisinin yüzdesi olarak verilir.

Priz verimliliği , ışık verimliliğinden farklıdır, çünkü duvar prizi verimliliği, enerjinin doğrudan çıktı/giriş dönüşümünü ( yapılabilecek miktarı ) tanımlarken, ışık verimliliği, insan gözünün farklı dalga boylarına karşı değişen duyarlılığını hesaba katar ( bir alanı ne kadar iyi aydınlatabileceğini). Watt kullanmak yerine, bir ışık kaynağının insan algısıyla orantılı dalga boyları üretme gücü lümen cinsinden ölçülür . İnsan gözü, 555 nanometrelik (yeşilimsi-sarı) dalga boylarına en duyarlıdır, ancak duyarlılık, bir Gauss güç eğrisini takiben ve spektrumun kırmızı ve mor uçlarında sıfır hassasiyete düştüğünde , bu dalga boyunun her iki tarafında önemli ölçüde azalır . Bu nedenle, göz genellikle belirli bir ışık kaynağı tarafından yayılan tüm dalga boylarını görmez ve görsel spektrumdaki tüm dalga boylarını eşit olarak görmez. Örneğin sarı ve yeşil, radyan enerji açısından beyaz ışık tüm renklerin eşit kısımlarından oluşsa da (örneğin: 5 mw yeşil lazer daha parlak görünür) gözün beyaz olarak algıladığı şeyin %50'sinden fazlasını oluşturur. 5 mw'lik bir kırmızı lazerden daha iyidir, ancak kırmızı lazer beyaz bir arka planda daha iyi göze çarpar). Bu nedenle, bir ışık kaynağının ışıma yoğunluğu , ışık yoğunluğundan çok daha büyük olabilir ; bu, kaynağın gözün kullanabileceğinden daha fazla enerji yaydığı anlamına gelir. Aynı şekilde, lambanın duvar prizi verimliliği genellikle ışık verimliliğinden daha fazladır. Bir ışık kaynağının, elektrik enerjisini, insan gözünün duyarlılığı ile orantılı olarak, görünür ışığın dalga boylarına dönüştürmedeki etkinliği , elektrik girdisinin watt (lm/w) başına lümen birimiyle ölçülen ışık etkinliği olarak adlandırılır. -enerji.

Bir ölçü birimi olan etkinlikten (etkililik) farklı olarak verimlilik, yüzde olarak ifade edilen ve yalnızca girdi ve çıktı birimlerinin aynı türden olmasını gerektiren, birimsiz bir sayıdır . Bir ışık kaynağının ışık verimliliği, bu nedenle, belirli bir dalga boyunda teorik maksimum etkinlik başına ışık etkinliğinin yüzdesidir. Bir ışık fotonu tarafından taşınan enerji miktarı, dalga boyuna göre belirlenir. Lümenlerde bu enerji, gözün seçilen dalga boylarına duyarlılığı ile dengelenir. Örneğin, yeşil bir lazer işaretçi , aynı güç çıkışına sahip kırmızı bir işaretçinin görünen parlaklığının 30 katından daha fazlasına sahip olabilir. 555 nm dalga boyunda 1 watt ışıma enerjisi 685 lümene eşittir, bu nedenle bu dalga boyunda 685 lm/w ışık etkinliğine sahip tek renkli bir ışık kaynağı %100 ışık verimliliğine sahiptir. Teorik-maksimum etkinlik, 555 nm'nin her iki tarafında dalga boyları için düşer. Örneğin, düşük basınçlı sodyum lambaları , herhangi bir lambanın en yükseği olan 200 lm/w ışık etkinliği ile 589 nm'de monokromatik ışık üretir . Bu dalga boyundaki teorik-maksimum etkinlik 525 lm/w'dir, bu nedenle lambanın ışık verimliliği %38,1'dir. Lamba monokromatik olduğundan, ışık verimliliği, <%40'lık duvar prizi verimliliğine neredeyse eşittir.

Beyaz ışık veya spektral çizgilerin bir karışımını üreten lambalar için ışık verimliliği hesaplamaları daha karmaşık hale gelir. Floresan lambaların düşük basınçlı sodyum lambalardan daha yüksek duvar prizi verimliliği vardır, ancak ışık etkinliğinin yalnızca yarısı ~ 100 lm/w'dir, bu nedenle floresanların ışık verimliliği sodyum lambalardan daha düşüktür. Bir ksenon flaş tüpü , diğer birçok aydınlatma biçimini aşan, %50-70'lik tipik bir duvar prizi verimliliğine sahiptir. Flaş tüpü büyük miktarlarda kızılötesi ve ultraviyole radyasyon yaydığından, çıkış enerjisinin yalnızca bir kısmı göz tarafından kullanılır. Bu nedenle ışık etkinliği tipik olarak yaklaşık 50 lm/w'dir. Bununla birlikte, tüm aydınlatma uygulamaları insan gözünü içermez ve görünür dalga boylarıyla sınırlı değildir. İçin lazer pompalama bu emme çerçevesi ile ilgilidir gibi "aydınlık" etkinliği adı değil, sadece "etkinliği" değildir, böylece etkinliği insan gözü ile ilgili değildir lazer ortamı . Kripton flaş tüpleri, duvar prizi verimlilikleri tipik olarak sadece ~ %40 olmasına rağmen , genellikle Nd:YAG lazerleri pompalamak için seçilir . Kripton sitesindeki spektral çizgileri daha iyi emilmesi çizgilerine uyar, neodim - katkılı kristal, bu amaç için kripton ve böylece etkiye çok daha yüksek olan iksenon ; aynı elektrik girişi için iki kata kadar lazer çıkışı üretebilir. Bu terimlerin tümü, aydınlatma armatürü veya sonraki çıkış optiklerinde meydana gelebilecek kayıpları göz ardı ederek, ışık kaynağından çıktıklarında enerji ve lümen miktarını ifade eder. Armatür verimliliği , lamba çıkışı başına armatürden gelen toplam lümen çıktısını ifade eder.

Akkor ampuller gibi birkaç ışık kaynağı dışında , çoğu ışık kaynağı "duvar prizi" (pilleri, doğrudan kablolamayı veya diğer kaynakları içerebilen elektrik giriş noktası) ve sonuncusu arasında birden fazla enerji dönüşümü aşamasına sahiptir. her aşamada bir kayıp üreten ışık çıkışı. Düşük basınçlı sodyum lambaları , uygun akımı ve voltajı korumak için başlangıçta elektrik enerjisini bir elektrik balast kullanarak dönüştürür , ancak balastta bir miktar enerji kaybolur. Benzer şekilde, floresan lambalar da bir balast kullanarak elektriği dönüştürür (elektronik verim). Elektrik daha sonra elektrik arkıyla (elektrot verimliliği ve deşarj verimliliği) ışık enerjisine dönüştürülür . Işık daha sonra sadece uygun dalga boylarını soğuran bir floresan kaplamaya aktarılır, bu dalga boylarında yansıma ve kaplamadan iletim (aktarım verimliliği) nedeniyle bazı kayıplar olur. Kaplama tarafından emilen fotonların sayısı, daha sonra flüoresans ( kuantum verimliliği ) olarak yeniden yayılan sayıyla eşleşmeyecektir . Son olarak, Stokes kayması olgusu nedeniyle , yeniden yayılan fotonlar, emilen fotonlardan (floresan verimliliği) daha uzun bir dalga boyuna (dolayısıyla daha düşük enerjiye) sahip olacaktır. Çok benzer bir şekilde, lazerler de duvar prizi ve çıkış açıklığı arasında birçok dönüşüm aşaması yaşar . Bu nedenle, "duvar prizi verimliliği" veya "enerji dönüşüm verimliliği" terimleri, enerji dönüştürme cihazının genel verimliliğini belirtmek için kullanılır, her aşamadaki kayıplar çıkarılır, ancak bu, örneğin aşağıdakiler gibi bazı cihazları çalıştırmak için gereken harici bileşenleri hariç tutabilir. soğutucu pompalar.

Enerji dönüşüm verimliliği örneği

Dönüştürme işlemi Dönüşüm türü Enerji verimliliği
Elektrik üretimi
Gaz türbini Kimyasaldan elektriğe 40'a kadar%
Gaz türbini artı buhar türbini ( kombine çevrim ) Kimyasaldan termal+elektrike ( kojenerasyon ) %63,08'e kadar Aralık 2017'de GE, en son 826 MW'lık 9HA.02 tesisinde %63,7'den >%64 talep etti. Bunun, katkı maddesi üretimi ve yanmadaki gelişmelerden kaynaklandığını söylediler . Basın açıklamaları, 2020'lerin başında %65'e ulaşmayı planladıklarını söyledi.
Su türbini Elektrik için yerçekimi %95'e kadar (pratik olarak elde edilir)
Rüzgar türbini Kinetikten elektriğe %50'ye kadar (izolasyonda HAWT, %25-40'a kadar yakın mesafede HAWT, izolasyonda %35-40'a kadar VAWT, %41-%47'ye kadar VAWT serisi-çiftlik. 10 yıldan eski 3128 HAWT Danimarka'da yarısının azalma olmadığını, diğer yarısında ise yılda %1.2'lik bir üretim düşüşü gördüğünü gösterdi.Teorik sınır = 16/27= %59)
Güneş pili elektriğe radyasyon %6–40 (teknolojiye bağlı, en sık %15–20, x-Si teknolojileri için ortalama bozulma %0,8–0,9/yıl aralığında, ortalama %0,8–0,9/yıl aralığında. Hetero-arayüz teknolojisi ( HIT) ve mikrokristal silikon (µc-Si) teknolojileri, bol olmasa da, yılda %1 civarında bozulma sergiler ve ince film ürünlerine x-Si'den daha yakın benzer. sonsuz yığın sınırı : %86.8 konsantre %68.7 konsantre olmayan)
Yakıt hücresi Kimyasaldan termal+elektrike (kojenerasyon) Bir yakıt hücresinin enerji verimliliği genellikle %40 ile %60 arasındadır; bununla birlikte, eğer bir kojenerasyon şemasında atık ısı yakalanırsa, %85'e varan verimlilikler elde edilebilir.
Dünya Elektrik üretimi 2008 Brüt çıktı %39 Net çıktı %33
Elektrik depolama
Lityum iyon batarya Kimyasaldan elektriğe/tersine çevrilebilir %80–90
Nikel metal hidrit pil Kimyasaldan elektriğe/tersine çevrilebilir %66
Kurşun asit pili Kimyasaldan elektriğe/tersine çevrilebilir %50-95
motor/motor
İçten yanmalı motor Kinetik için kimyasal %10-50
Elektrik motoru Kinetik için elektrik %70–99,99 (> 200 W); %50–90 (10–200 W); %30-60 (< 10 W)
turbofan Kinetik için kimyasal %20-40
Doğal süreç
Fotosentez Kimyasala radyasyon %0,1 (ortalama) ila %2 (en iyi); prensipte %6'ya kadar (ana bakınız: Fotosentetik verimlilik )
Kas Kinetik için kimyasal %14–27
Cihaz
Ev buzdolabı Elektrikten ısıya düşük kaliteli sistemler ~ %20; ileri teknoloji sistemler ~ %40–50
Akkor ampul Elektrikten radyasyona %0,7–5,1, %5–10
Işık yayan diyot (LED) Elektrikten radyasyona %4.2–53
Florasan lamba Elektrikten radyasyona %8,0–15,6, %28
Düşük basınçlı sodyum lambası Elektrikten radyasyona %15,0–29,0, %40,5
Metal halide lamba Elektrikten radyasyona %9,5–17,0, %24
Anahtarlamalı güç kaynağı Elektrikten elektriğe şu anda pratikte %96'ya kadar
Elektrikli duş Elektrikten ısıya %90–95 (diğer su ısıtma sistemleriyle karşılaştırmak için elektrik üretiminin enerji verimliliği ile çarpın)
Elektrikli ısıtıcı Elektrikten ısıya ~%100 (aslında tüm enerji ısıya dönüştürülür, diğer ısıtma sistemleriyle karşılaştırmak için elektrik üretiminin enerji verimliliği ile çarpılır)
Diğerleri
ateşli silah Kinetik için kimyasal ~%30 (.300 Şahin mühimmatı)
suyun elektrolizi Elektrikten kimyasala %50–70 (teorik maksimum %80–94)

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar