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能量轉化效率
鎖定
一般而言能量轉換效率是一個介於0到1之間的無量綱數字,有時也會用百分比表示。能量轉換效率不可能超過100%,因此永動機不存在。不過像熱泵之類的設備將熱由一處移到另一處,不是進行能量的轉換,其性能係數(英語:Coefficient of performance)往往會超過100%。
能量有許多種形式存在,各種形式能量的來源、用途不盡相同,人們為了方便利用,需要將能量在不同形式之間轉換。
能量轉換效率 是指一個能量轉換設備所輸出的可利用能量,相對其輸入能量的比值。輸出的可利用能量可能是電能、機械功或是熱量。能量轉換效率沒有一致的定義,主要與輸出能量的可利用度有關。
一般情況下,能量轉化需要一定的設備,由於設備本身的限制,能量不可能全部轉化為人們需要的能量。
能量轉換的效率 = 被有效利用的能量/消耗總能量 × 100%
- 中文名
- 能量轉換效率(能量轉化效率)
- 外文名
- Energy Conversion Efficiency
- 名詞類別
- 物理學
- 單 位
- η(Eta,伊塔)
- 計算公式
- η=W(有效)/W(總)×100%
能量轉化效率設備簡介
能量轉化效率定義
一般而言能量轉換效率是一個介於0到1之間的無量綱數字,有時也會用百分比表示。能量轉換效率不可能超過100%,因此永動機不存在。不過像熱泵之類的設備將熱由一處移到另一處,不是進行能量的轉換,其性能係數(Coefficient of performance)往往會超過100%。
以下的效率都屬於能量轉換效率。
電效率(Electrical efficiency),可用功率輸出及總耗電的比例。機械效率,由一種機械能(例如水的位能)轉換成另一種機械能或機械功。熱效率或燃料效率(Fuel efficiency),可用的熱或功輸出與輸入能量(或消耗燃料對應的能量)的比例。總效率,一般用在汽電共生的場合,可用的電能及熱能相對輸入能量的比例。照明效率,所產生電磁輻射在可見光範圍內的比例。
能量轉化效率分類
以下各種效率都屬於能量轉換效率:
能量轉化效率能量轉換
在所有的能量利用過程中,能量的損耗都不可避免。
輸入能量=輸出有效能量+輸出無效能量
能量轉換效率η=輸出有效能量/輸入能量
任何情況下,η 的值都小於1。
提高能量利用中的轉化效率是節能問題的核心,是可持續發展的重要措施之一。
1、所有的能量在轉化和轉移的過程中都遵守能量守恆定律。
2、永動機的理論是不可能實現的。
4、能量轉化的效率在任何情況下都小於1。
5、各種形式的能量,在一定條件下都可以相互轉化。
6、能量既不會被憑空創造,也不會被絕對消滅。當能量從一個物體轉移到另一個物體,或從一種形式轉化成另外一種形式時,能量的總量始終保持不變。
能量轉化效率相關知識數據
能量轉換效率計算的常見類型
使用能源的過程實際上就是能量轉移或轉化的過程,能源在一定條件下可以轉換成人們所需要的各種形式的能量。例如,煤燃燒後放出熱量,可以用來燒水、做飯、取暖;也可以用來生產蒸汽,推動蒸汽機轉換為機械能,或者推動汽輪發電機轉變為電能。電能又可以通過電動機、電燈或其它用電器轉換為機械能、光能或內能等。
1、【電熱水壺燒水】:如功率為100W的電熱水壺正常工作28分鐘,可將4Kg水從20℃加熱到100℃,其效率多大?
用電熱水壺燒水時水的温度升高需要吸收熱量,水增加的內能是我們需要的能量,屬於有用能量,而電熱水壺消耗的電能是輸入的總能量,所以此電熱水壺燒水的效率為:
η = Q吸/ W = cmΔt / Pt = 4.2 × 103× 4 ×(100-20)/(100 × 28 × 60)= 80%
用鍋爐燒水時,水增加的內能是有用能量,而燃料完全燃燒放出的能量(即燃料的化學能)是輸入的總能量,所以此鍋爐燒水的效率為:
η = Q吸/ Q放= cmΔt / qm煤= 4.2 × 103× 100 ×(100-32)/(3.4 × 107× 3.36)= 25%
3、【太陽能熱水器】:如有一總集熱面積為1.35m2的熱水器10h可將100Kg水從20℃加熱到80℃,而每m2每小時地球表面接收的太陽能為 3.6 × 106J,其效率多大?
太陽能熱水器工作時,水增加的內能是有用能量,輻射到集熱管的太陽能為輸入的總能量,此太陽能熱水器燒水的效率為:
4、【熱機】:
熱機是把內能轉化為機械能的機器,其中獲得的機械能是屬於有用能量,而燃料完全燃燒放出的熱量是輸入的總能量,此柴油機的效率為:
η = W有/ Q放= 1Kwh / qm = 3.6 × 106/(3.3 × 107× 0.27)= 40.4%
此過程中,輸出的有用能量用 W有=P出·t 計算,此汽車發動機的效率為:
η = W有/ Q放= P出·t / qm = 69 × 103× 3600 /(4.6 × 107× 20)= 27%
5、【電動機】:標有 “6v3w” 的電動機線圈內阻為3Ω,在不計摩擦的情況下正常工作其效率多大?
電動機工作時電能轉化為機械能和內能,如不計摩擦,此內能就是電動機線圈本身通電時產生的電熱,這樣獲得的機械能就等於消耗的電能減去產生的電熱。
此電動機正常工作時 電流 I = P / U = 3w / 6v = 0.5A,此電動機的效率為:
η = W機/ W總=(W總-Q)/ W總=(Pt-I2Rt)/ Pt =(P-I2R)/ P =(3-0.52× 3)/ 3 = 75%
太陽能電池是利用太陽能獲得電能的裝置,產生的電能屬於有用能量,而消耗的太陽能是 輸入總能量。此太陽能電池的效率為:
7、【白熾燈】:一隻40W的白熾燈正常工作1秒鐘產生光能約8J,其效率多大?
白熾燈正常工作時電能轉化為光能和內能,其中獲得的光能是有用能量,而它消耗的電能是輸入總能量。此白熾燈發光的效率為:
η = W光/ W電= W光/ Pt = 8 /(40 × 1)= 20%,
8、【火力發電】:某電廠燃燒1t無煙煤可發電92Kwh,其發電效率多大?
火力發電是將燃料的化學能轉化為電能,所獲得的電能即為有用能量,消耗的燃料的化學能就是輸入總能量。其發電效率為:
η = W電/ Q放= 92 Kwh / qm = 92 × 3.6 × 106/(3.4 × 107× 103)= 10%
高壓輸電時,輸出端(給用户提供)的電能就是有用能量,而輸入端輸入的電能就是輸入總能量,兩者的差距就是輸電線本身消耗 的電能(即電熱)。
高壓輸電過程中 電流 I = P / U = 22w × 106/(110v × 103)= 200A,其輸電效率為:
η = W有/ W總=(Pt-I2R線t)/ Pt =(P-I2R線)/ P =(22 × 106-2002× 50)/(22 × 106)= 90.9%
10、【電動車】:160V 10A 的電動車,在平直路面上勻速行駛,所受地面阻力為288N,1h行駛15Km,其效率多大?
電動車行駛時將電能轉化為機械能,獲得的機械能克服摩擦做功使車前進,所以它克服摩擦做的功就是有用能量,而消耗的電能為輸入總能量。此電動車的效率為:
[1]
η = W有/ W總= f.S / UIt = 288 × 15 × 103/(160 × 10 × 3600)= 75%
【 ——— 以上只是計算能量轉換效率的常見類型,實際生活中有關能量轉換效率的問題還有很多。】
燃料熱值與效率
燃料的燃燒熱可以以其HHV(高熱值)或LHV(低熱值)來表示,高熱值的燃燒熱是在燃燒後,生成物的水蒸氣已凝結成液態時的燃燒熱,因此加上水凝結時的潛熱。低熱值的燃燒熱則是在燃燒後,生成物的水蒸氣仍維持氣態時的燃燒熱,不考慮水凝結時的潛熱。
燃料熱值的選用會影響其能量轉換效率的計算。在歐洲,一燃料可產生的能量是其低熱值表示,不考慮水凝結時的潛熱,以此為方式計算冷凝式鍋爐的 “熱效率”,其數值可能會超過100%,其原因是其工作原理會利用到部份水凝結時的潛熱,但計算輸入能量時未考慮此部份所造成,不違反熱力學第一定律。在歐洲以外的國家,一燃料可產生的能量是其高熱值表示,已考慮水凝結時的潛熱,以此為基礎 計算能量轉換效率,其數字就不可能超過100%。
不同能量轉換方式的效率
能量轉換方式 | 能量效率 |
---|---|
10%~50% | |
最大可到40% | |
最大可到60% | |
水力發動機 | 最大可到90% |
風力發動機 | 最大可到59%(理論上限) |
6%~40% (和使用技術有關,一般的效率約15%,理論上限為85%~90%) | |
~30%(.300英寸的子彈)[0.3英寸≈7.62毫米] | |
最大可到85% | |
水的電解 | 50%~70%(理論上限為80%~94%) |
可達6% | |
14%~27% | |
功率小於10瓦的小電動機:30%~60%; 功率在10瓦到200瓦之間的電動機:50%~90% ; 功率超過200瓦的電動機:99%以上。 | |
家用冰箱 | 低階系統約為20%,高階系統約為40~50% |
5%~10% | |
最大可到35% | |
28% | |
40.5% | |
24% | |
實務應用可以到95% | |
90%~95% | |
約95% |
熱能怎樣轉化成其他能量?
答:主要以介質轉換的方式為主。比如通過水這種介質,首先使水變成高温高壓的水蒸氣,然後將之用來驅動汽輪機或蒸汽機而變成機械能,最後汽輪機帶動發電機轉化為電能。還可以通過燃氣這種介質,用各種熱機(汽油機、柴油機、燃氣輪機)將熱能轉化成機械能,如進一步用該機械能來帶動發電機自然還可以轉化為電能。
還有不通過介質而用類似熱電偶直接轉化成電能的温差熱發電,但效率低,無法大規模應用。
“比較方便使用的”首推電能,通過電動機很容易就可將電能轉化成機械能,通過電熱器件則很容易轉化成熱能、光能等。
而“方便存儲的能量形式”主要應是以電池形式存在的化學能。
提高能量轉化效率問題的核心
提高能量轉化效率,也就是 使能量儘可能少地轉化為別的能量形式,而更單純地轉換為所需要的能量形式。要知道,能量的轉化過程 越是直接,則轉化效率就越高(路徑簡潔、過程簡單的轉化效率更高)。比如電動車就比汽油車效率高,因為電可以直接通過導線與馬達相連,能量也不會過多地因電阻而流失,大多數都轉換成了機械能,而汽油機則需要通過燃燒氣體後氣體膨脹來推動活塞,另外還有一大堆的軸承連接着齒輪。連接的部件越多、需要的步驟越多 就越容易流失能量,效率自然也就降低了。
能量轉換與能耗
能耗是非常熱門的話題,能量轉換也因此具有更加重要的意義。電子設備已經成為我們日常生活中必不可少的一部分,減少這些設備的能耗將具有非常重要的意義。新型的IC(Integrated Circuit,集成電路)技術既可以達到節能的目的,還可以以低成本保持所需的功能與性能。
[2]
假設現有一台發電機,該發電機由電力驅動,並生產出電能。現請插上電,開動發電機,然後將所生產出的電能全部儲存起來。當這台發電機運行了一段時間之後,電錶顯示共耗費了10度電,但檢查了儲存起來的電量卻只有9度,那麼,該電力驅動型發電機的能量轉化效率就是9/10,即90%。當然,現實世界中是不可能用電力來驅動發電機的,這裏只是為了便於闡述而打個比方。
美國《科學》雜誌電子版於 (2008年7月)25日登載了相關論文。
據日本共同社(2008年7月)25日報道,熱電材料是一種能將熱能轉化為電能的半導體,在汽車引擎等數百度高温工作環境中的能量轉換率最高。 由於引擎會向外散發大量熱,用這種材料覆蓋包裹引擎可將熱能轉化為電能而加以有效利用。
大阪大學助教黑崎健表示:“這項技術以前的效率低下,甚至無法達到實用水平。…… 而今,隨着該技術的成熟,已經可以將其應用到環保汽車等領域。” 研究小組在一種叫做鉛碲的物質裏添加了鉈後 成功開發出了新材料。以前添加的都是鈉,而在使用鉈後 使電子結構發生了變化,能量轉換率提高了一倍。今後需要解決的是鉈的高成本問題和確保鉛的安全性。據黑崎介紹,研究人員還考慮將新熱電材料用作太空探測器的動力源。
[3]
在生態系統中,能量存在於食物鏈的各個營養級之間。在不斷地流動和轉化的過程中,某一營養級的生物攝取的能量或同化量,佔前一營養級生物換算或能量的生物量百分率。1942年由林德曼提出,他認為從一個營養級到另一個營養級的能量轉換率為10%,則生產效率順營養級逐級遞減,即每通過一個營養級,能量減少90%。如果這個數值比例失調,就意味着生態系統中生物之間的數量平衡遭到破壞。也就是説能量轉換的效率對於生態的作用也不容忽視。
能量轉化效率生物能量的傳遞與利用
能量傳遞效率計算:
能量傳遞效率=下一營養級的同化量/本級的同化量;
對於簡單的生態系統,能量傳遞效率一般在10%~20%之間;
能量利用效率:通常是流入人類中的能量佔生產者能量的比值,或最高營養級能量佔生產者能量的比值。或考慮分解者的參與以實現能量的多級利用。在一個生態系統中,食物鏈越短,能量的利用率就越高。同時,生態系統中的生物種類越多、營養結構越複雜,能量的利用率也就越高。
從研究對象上分析:能量傳遞效率是以營養級為研究對象的,而能量利用效率則是以最高營養級或人類為研究對象的。
生物同化量的概念:
生物同化量的基本計算:
同化量 = 攝入上一營養級的能量 - 糞便中的能量
能量轉化效率能量品質
能量不但有數量多少的問題,而且還有品質高低的問題。也正是由於能量的品質有高有低,才有了過程的方向性和熱力學第二定律。電能和機械能可以完全轉換為機械功,屬於較高品質能量;熱能只有部分可以轉換為機械功,能量品質較低。隨着能量傳導,能量的數目可能不變,但能量品質只能下降,在極限條件下,品質不變,這稱之為能量貶值原理,是熱二律更為一般、更為概括的説法。
能量品質有高有低,可以從其可被利用的價值來看:煤、石油、天然氣等能源儲存的能量是高品質的,因為它們含的能量是高度有用的,可以轉為機械能、電能等供人類使用。而高品質的能量被耗散時,被降級為不大可用的形式,如內能。因此,能量耗散雖不會使能量的總量減少,但能源會減少,所以我們必須節約能源。
[5]
而其他的比如熱能,其轉換為機械能或者電能就不可能達到100%的轉換效率,因為熱力學第二定律限制了其轉換效率(熱無法百分之百轉為功)。熱電廠發電,其熱電轉化效率也只有45%左右,平均來看,這相當於近2/3的能量都損失掉了。因此,熱能的能量品質自然就比電能低。
- 參考資料
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- 1. 例舉能量轉換效率計算的常見類型 .百度文庫.2012-12-07[引用日期2014-04-25]
- 2. 更高能量轉換效率的電源解決方案 .OFweek電子工程網.2011-03-29[引用日期2014-04-25]
- 3. 日美聯合開發新熱電材料 能量轉換率實現倍增 .搜狐新聞.2008-07-25[引用日期2014-04-25]
- 4. 同化量 .百度百科.2014-01-07[引用日期2014-04-25]
- 5. 能量品質 .百度百科.2012-06-30[引用日期2014-04-25]