에너지 변환 효율

Energy conversion efficiency
유용한 출력 에너지는 항상 입력 에너지보다 낮습니다.
발전소의 효율, 세계 총계, 2008년)

에너지 변환 효율(δ)은 에너지 변환 기계의 유용한 출력과 입력 사이의 비율입니다.입력과 유용한 출력은 화학, 전력, 기계적 작업, 빛(방사선) 또는 열일 수 있습니다.[1] [2] [3]

개요

에너지 변환 효율은 출력의 유용성에 따라 달라집니다.예를 들어 열역학 사이클에서 원하는 출력이 작업인 경우 연료 연소 시 발생하는 열의 전부 또는 일부가 거부된 폐열이 될 수 있습니다.에너지 변환기는 에너지 변환의 한 예입니다.예를 들어, 전구는 에너지 변환기 범주에 속합니다. = n \ \eta ={in}}} {in}}}}}}의 정의는 유용성의 개념을 포함하지만 효율성은 기술적 또는 물리적 용어로 간주된다.목표 또는 임무 지향 용어에는 효과와 효과가 포함됩니다.

일반적으로 에너지 변환 효율은 0에서 1.0 사이 또는 0%에서 100% 사이의 무차원 수치입니다.효율은 예를 들어 영구 운동 기계의 경우 100%를 초과할 수 없습니다.그러나 1.0을 초과할 수 있는 다른 효과 측정치는 열 펌프 및 열을 변환하지 않고 이동하는 기타 장치에 사용된다.

열 엔진과 발전소의 효율에 대해 이야기할 때, 예를 들어 HHV(a.k.a.총 난방 값 등) 또는 LCV(일명, 일명.k.a)와 같은 규약을 명시해야 합니다.순 난방 값) 및 총 출력(발전기 단자) 또는 순 출력(발전소 울타리)이 고려되고 있습니다.그 둘은 별개이지만 둘 다 명시되어야 한다.그렇게 하지 않으면 끝없는 혼란이 생긴다.

이와 관련하여 보다 구체적인 용어는 다음과 같습니다.

화학 변환 효율

특정 온도에서 정의된 화학적 변환의 깁스 에너지의 변화는 그러한 변화가 일어나도록 하기 위해 필요한 최소 이론적인 에너지 양(반응물과 생성물 사이의 깁스 에너지의 변화가 양일 경우) 또는 그 변화로부터 얻을 수 있는 최대 이론적인 에너지이다( 깁스 에너의 변화일 경우).반응물과 생성물 사이의 gy는 음수이다.화학적 변화를 수반하는 공정의 에너지 효율은 이러한 이론적 최소값 또는 최대값과 비교하여 표현될 수 있다.특정 온도에서 화학적 변환의 엔탈피 변화와 깁스 에너지 변화 간의 차이는 해당 [4]온도를 유지하는 데 필요한 열 입력 또는 열 제거(냉각)를 나타낸다.

연료전지는 전기분해의 역순으로 간주할 수 있다.예를 들어, 수소 가스와 산소가스를 입력 및 액체 물로 하는 25C의 온도에서 작동하는 이상적인 연료 전지는 이론상 최대 237.129kJ(0.06587kWh)의 생산되는 물(18.0154g) 당 237.129kJ(0.013h)의 전기 에너지를 발생시킬 수 있으며 48.70.1KJ(0.013h)의 물을 필요로 한다.온도 [5]유지를 위해 세포에서 제거되는 열에너지로 생성된 ter.

액체 상태의 물을 입력으로 하고 수소 및 가스 상태의 산소를 제품으로 하는 25C 온도에서 작동하는 이상적인 전기 분해 장치는 이론적으로 최소 237.129kJ(0.06587kWh)의 소비 물(18.0154g) 당 237.129kJ(0.0153kWh)의 최소 전기 에너지 입력이 필요하며 물 1g당 48.70.1KJ(0.0135kWh)의 소비량이 필요합니다.온도를 [5]유지하기 위해 장치에 추가되는 열에너지의 nsume.1.24V의 셀 전압으로 동작합니다.

추가 열 에너지를 입력하지 않고 25 C의 일정한 온도에서 작동하는 물 전기 분해 장치의 경우,[5] 전기 에너지는 반응의 엔탈피(열) 또는 소비된 물의 그램 당 285.830 kJ(0.07940 kWh)에 해당하는 속도로 공급되어야 합니다.1.48V의 셀 전압으로 동작합니다.이 셀의 전기 에너지 입력은 이론상의 최소값보다 1.20배 크기 때문에 에너지 효율은 이상적인 셀에 비해 0.83입니다.

1.48V의 높은 전압과 25C의 온도에서 작동하는 물 전기 분해 장치는 일정한 온도를 유지하기 위해 열에너지를 제거해야 하며 에너지 효율은 0.83보다 작습니다.

액체 물과 수소 기체 사이의 큰 엔트로피 차이가 반응의 깁스 에너지와 반응의 엔탈피(열) 사이의 큰 차이를 설명한다.

연료 가열 값 및 효율

유럽에서는 연료의 사용 가능한 에너지 함량이 일반적으로 연료의 낮은 가열값(LHV)을 사용하여 계산되며, 연료 연소(산화) 중에 생성된 수증기가 가스로 유지되고 액체 물로 응축되지 않으므로 해당 물의 기화 잠열을 사용할 수 없다.LHV를 사용하면 응축 보일러가 100%를 초과하는 "난방 효율"을 달성할 수 있습니다(LHV 규약을 이해하는 한 열역학 제1법칙에 위배되지 않지만 혼란을 야기합니다).연료의 낮은 [citation needed]발열량 정의에 포함되지 않은 증발열의 일부를 회수하기 때문이다.미국 등에서는 수증기를 응축하기 위한 잠열을 포함한 높은 발열량(HHV)을 사용하기 때문에 열역학적 최대 효율 100%를 초과할 수 없다.

벽면 플러그 효율, 발광 효율 및 효율

플래시 튜브에 사용되는 4가지 가스의 절대 방사 강도.크립톤이 특정 빛의 파장에서 더 효과적이긴 하지만 제논은 가스 중에서 단연 가장 효율적입니다.
다양한 파장에 대한 인간의 눈의 민감도.각 파장이 1와트의 복사 에너지와 같다고 가정하면 중심 파장만 685칸델라(1와트의 발광 에너지)로 인식되며 685루멘과 같습니다.수직 컬러 라인은 589(노란색) 나트륨 라인 및 일반적인 532nm(녹색), 671nm(빨간색), 473nm(파란색) 및 405nm(보라색) 레이저 포인터를 나타냅니다.
벽면 플러그와 형광등 출력 사이의 다단계 에너지 손실을 나타내는 Sankey 다이어그램.가장 큰 손실은 스톡스 시프트로 인해 발생합니다.

조명이나 레이저 등의 광학 시스템에서 에너지 변환 효율은 종종 벽면 플러그 효율이라고 불립니다.벽면 플러그 효율은 와트 단위의 총 입력 전기 에너지(와트 단위)당 출력 방사 에너지(와트 단위)입니다.출력 에너지는 보통 절대 방사 강도의 관점에서 측정되며 벽면 플러그 효율은 총 입력 에너지의 백분율로 제공되며, 손실은 역 백분율로 나타난다.

벽면 플러그 효율은 벽면 플러그 효율이 에너지의 직접 출력/입력 변환(실행 가능한 작업량)을 기술한다는 점에서 발광 효율과 다른 반면, 발광 효율은 다양한 파장(공간을 얼마나 잘 비출 수 있는지)에 대한 인간의 눈의 다양한 민감도를 고려합니다.와트를 사용하는 대신 인간의 지각에 비례하는 파장을 만들어내는 광원의 힘을 루멘 단위로 측정한다.인간의 눈은 555나노미터(녹황색)의 파장에 가장 민감하지만, 가우스 전력 곡선을 따라 이 파장의 어느 쪽이든 감도가 급격히 감소하여 스펙트럼의 빨간색과 보라색 끝에서 감도가 0으로 떨어집니다.이로 인해 눈은 보통 특정 광원에 의해 방출되는 모든 파장을 볼 수 없으며, 시각 스펙트럼 내의 모든 파장을 동일하게 볼 수도 없습니다.예를 들어, 노란색과 녹색은 모든 색상의 동일한 부분에서 복사 에너지 백광이 만들어지지만(즉, 5mW 녹색 레이저가 5mW 적색 레이저보다 밝게 나타나지만, 빨간색 레이저가 흰색 배경에 비해 두드러짐) 눈이 느끼는 것의 50% 이상을 차지합니다.따라서 광원의 복사 강도는 광원보다 훨씬 클 수 있으며, 이는 광원이 눈이 사용할 수 있는 것보다 더 많은 에너지를 방출한다는 것을 의미합니다.마찬가지로 램프의 벽면 플러그 효율은 일반적으로 발광 효율보다 높습니다.전기 에너지를 가시광선의 파장으로 변환하는 광원의 효과는 사람의 눈의 감도에 비례하여 발광 효과라고 하며, 전기 입력 에너지의 와트당 루멘(lm/w) 단위로 측정된다.

측정 단위인 효과(효과)와 달리 효율은 백분율로 표현되는 단위 없는 수치이며, 입력과 출력 단위가 동일한 유형이어야 합니다.따라서 광원의 광효율은 특정 파장에서 이론상 최대 효과당 광효율의 백분율이다.빛의 광자가 전달하는 에너지의 양은 그 파장에 의해 결정된다.내강에서 이 에너지는 선택된 파장에 대한 눈의 민감도에 의해 상쇄됩니다.예를 들어 녹색 레이저 포인터는 동일한 출력의 빨간색 포인터의 겉보기 밝기의 30배를 초과할 수 있습니다.파장 555nm에서 1와트의 복사 에너지는 685루멘에 상당하므로 이 파장의 단색광원은 685lm/w의 발광효율을 100% 발휘한다.이론상 최대효율은 555nm의 파장에서 감소합니다.예를 들어 저압 나트륨 램프는 589 nm에서 200 lm/w의 광효율을 가진 단색 빛을 발생시키며, 이는 모든 램프 중 가장 높은 것입니다.이 파장에서 이론상 최대효율은 525lm/w이므로 램프의 광효율은 38.1%입니다.램프는 단색이기 때문에 발광 효율은 벽면 플러그 효율 <40%[6][7]에 거의 맞먹는다.

백색광 또는 스펙트럼 라인의 혼합물을 생성하는 램프의 경우 발광 효율 계산은 더욱 복잡해진다.형광등은 저압 나트륨 램프보다 벽면 플러그 효율은 높지만 발광 효율은 100lm/w로 절반에 불과하기 때문에 형광등은 나트륨 램프보다 발광 효율이 낮습니다.제논 플래시 튜브는 일반적인 벽면 플러그 효율이 50~70%로 다른 대부분의 조명 형태보다 높습니다.플래시 튜브는 많은 양의 적외선과 자외선을 방출하기 때문에 출력 에너지의 일부만 눈에 의해 사용된다.따라서 광효율은 일반적으로 약 50 lm/w이다.그러나 모든 조명 애플리케이션이 인간의 눈을 포함하거나 가시적인 파장으로 제한되는 것은 아닙니다.레이저 펌핑의 경우, 그 효과는 사람의 눈과 관련이 없기 때문에, 「휘도」라고 하는 것이 아니고, 레이저 매체의 흡수 라인과 관련되기 때문에 「효율성」이라고 불립니다.크립톤 플래시 튜브는 펌핑용으로 자주 선택됩니다. Nd:YAG 레이저의 벽면 플러그 효율은 보통 40%에 불과합니다.크립톤의 스펙트럼 라인은 네오디뮴 도프된 결정의 흡수 라인과 더 잘 일치하므로 크립톤의 효과는 크립톤보다 훨씬 높습니다. 같은 [8][9]전기 입력에 대해 레이저 출력을 두 배까지 낼 수 있습니다.이러한 용어는 모두 광원을 빠져나갈 때 발생하는 에너지와 루멘의 양을 나타내며 조명기구 또는 후속 출력 광섬유 내에서 발생할 수 있는 손실은 무시합니다.조명 효율은 램프 [10]출력당 고정 장치의 총 루멘 출력을 나타냅니다.

백열등과 같은 몇 개의 광원을 제외하고, 대부분의 광원은 "벽면 플러그"(배터리, 직접 배선 또는 기타 광원을 포함할 수 있는 전기 입력 지점)와 최종 광출력 사이에 에너지 변환의 여러 단계를 가지며, 각 단계는 손실을 발생시킨다.저압 나트륨 램프는 초기에 적절한 전류와 전압을 유지하기 위해 전기 밸러스트를 사용하여 전기 에너지를 변환하지만 밸러스트에서는 일부 에너지가 손실됩니다.마찬가지로 형광등도 밸러스트를 사용하여 전기를 변환합니다(전자 효율).그런 다음 전기는 전기 아크에 의해 빛 에너지로 변환됩니다(전극 효율 및 방전 효율).그런 다음 빛은 적절한 파장만 흡수하는 형광 코팅으로 전달되며, 반사 소등 및 코팅 투과(전사 효율)로 인해 이러한 파장의 일부가 손실됩니다.코팅에 의해 흡수된 광자의 수는 형광(양자 효율)으로 다시 방출된 숫자와 일치하지 않습니다.마지막으로 스톡스 시프트 현상으로 인해 재방출된 광자는 흡수된 광자(형광 효율)보다 파장이 길어집니다(따라서 에너지가 낮아집니다).매우 유사한 방식으로 레이저도 벽면 플러그와 출력 개구부 사이에서 많은 전환 단계를 경험합니다.따라서 "벽면 플러그 효율성" 또는 "에너지 변환 효율성"이라는 용어는 냉각수 [11][12]펌프와 같은 일부 장치를 작동시키는 데 필요한 외부 구성 요소를 제외하더라도 각 단계에서 손실을 차감하여 에너지 변환 장치의 전체 효율성을 나타내기 위해 사용된다.

에너지 변환 효율의 예

변환 프로세스 변환형 에너지 효율
발전
가스터빈 화학에서 전기까지 최대 40%
가스터빈+증기터빈(복합사이클) 화학에서 열+전기(열병합) 2017년 12월 GE는 최신 826 MW 9HA.02 발전소에서 63.7%에서 64%[13]를 초과했다고 주장했다.그들은 적층 제조와 연소의 발전 때문이라고 말했다.보도자료에 따르면 2020년대 [14][self-published source]초까지 65%를 달성할 계획이다.
수차 중력에 의한 전기 최대 95%([15][self-published source]실제로 달성)
풍력 터빈 운동에서 전기까지 최대 50%(HAWT 분리,[16] 최대 25~40% 근접, 최대 35~40% VAWT 분리, 최대 41%~47% VAWT 시리즈-농장).[17] 덴마크에서 10년 이상 된 3128개 HAWT는 절반이 감소하지 않은 반면 나머지 절반의 생산량은 1년당 1%[18] 감소했다.이론적 한계 = 16/27 = 59%)
태양전지 방사형에서 전기로 6~40%(기술 의존, 가장 자주 15~20%), 평균 0.8~0.9%/년[19] 범위의 x-Si 기술의 평균 열화.헤테로 인터페이스 테크놀로지(HIT) 및 마이크로 결정 실리콘(μc-Si)[20] 테크놀로지는 풍부하지는 않지만 연간 1% 정도의 열화를 보이며 x-Si보다 박막 제품과 유사합니다.무한 스택 한계: 86[21].8% 농축 68.7% 비농축[22])
연료 전지 화학에서 열+전기(열병합) 연료 전지의 에너지 효율은 일반적으로 40-60% 사이이지만, 열병합 발전 체계에서 폐열을 포착할 경우 최대 85%의 효율성을 얻을 [23]수 있습니다.
2008년 기준 세계 평균 화석연료 발전 발전소 화학에서 전기까지 총출력 39%, 순출력 33%
전기 저장고
리튬이온배터리 화학에서 전기/리버서블 80~90%
니켈 수소 전지 화학에서 전기/리버서블 66 %
납 배터리 화학에서 전기/리버서블 50~95%
양수식 수력 발전 중력에 의한/전기적/전기적 70~85%
엔진/모터
연소 기관 화학에서 운동으로 10 ~ 50 %[29]
전기 모터 전기에서 운동으로 70~99.99%(이상 200W), 50~90%(10~200W), 30~60%(10W 미만)
터보팬 화학에서 운동으로 20~40%[30]
자연스러운 과정
광합성 화학 물질에 대한 방사성 0.1%(평균)~[31]2%(최상),[32] 원칙적으로[33] 최대 6%(주:광합성 효율)
근육 화학에서 운동으로 14–27%
어플라이언스
가정용 냉장고 전기에서 열로 로우엔드 시스템 ~20%, 하이엔드 시스템 ~40~50%
백열전구 전기에서 복사 0.7~5.1%,[34] 5~10%[citation needed]
발광 다이오드(LED) 전기에서 복사 4.2~53%[35][failed verification][dubious – discuss]
형광등 전기에서 복사 8.0~15.6%,[34] 28%[36]
저압 나트륨 램프 전기에서 복사 15.0~29.0%,[34] 40.[36]5%
메탈할라이드 램프 전기에서 복사 9.5~17.0%,[34] 24%[36]
스위치 모드 전원 장치 전기 대 전기 현재 실질적으로 최대 96%
전기 샤워기 전기에서 열로 90~95%(다른 온수 시스템과 비교하여 발전의 에너지 효율에 따라 달라짐)
전기 히터 전기에서 열로 ~100%(기본적으로 모든 에너지는 열로 변환되며, 다른 난방 시스템과 비교하기 위해 전기 발전의 에너지 효율을 곱함)
다른이들
화기 화학에서 운동으로 최대 30% (.300 호크 탄약)
물의 전기 분해 전기에서 화학으로 50~70%(이론상 최대 80~94%)

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크