2021-08-08 12:01:32

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能量转换效率是指一个能量转换设备所输出可利用的能量,相对其输入能量的比值。输出可利用的能量可能是电能、机械功或是热量。能量转换效率没有一致的定义,主要和输出能量可利用的程度有关。

一般而言能量转换效率是一个介于0到1之间的无量纲数字,有时也会用百分比表示。能量转换效率不可能超过100%,因此永动机不存在。不过像热泵之类的设备将热由一处移到另一处,不是进行能量的转换,其性能系数(英语:Coefficient of performance)往往会超过100%。

能量有许多种形式存在,各种形式能量的来源、用途不尽相同,人们为了方便利用,需要将能量在不同形式之间转换。

能量转换效率 是指一个能量转换设备所输出的可利用能量,相对其输入能量的比值。输出的可利用能量可能是电能、机械功或是热量。能量转换效率没有一致的定义,主要与输出能量的可利用度有关。

一般情况下,能量转化需要一定的设备,由于设备本身的限制,能量不可能全部转化为人们需要的能量。

类比 机械效率η = W有用/W总 × 100% ,转化前消耗总能量是总功,转化后是有用功,热量损失为额外功。所谓能量转换的效率,就是人们需要得到的能量(有用能量)与 消耗总能量 的比值。

能量转换的效率 = 被有效利用的能量/消耗总能量 × 100%

基本信息

  • 中文名称

    能量转换效率(能量转化效率)

  • 外文名称

    Energy Conversion Efficiency

  • 名词类别

    物理学

  • 单位

    η(Eta,伊塔)

  • 计算公式

    η=W(有效)/W(总)×100%

折叠 编辑本段 简介

折叠 定义

能量转换效率是指一个能量转换设备所输出可利用的能量,相对其输入能量的比值。输出可利用的能量可能是电能、机械功或是热量。能量转换效率没有一致的定义,主要和输出能量可利用的程度有关。

一般而言能量转换效率是一个介于0到1之间的无量纲数字,有时也会用百分比表示。能量转换效率不可能超过100%,因此永动机不存在。不过像热泵之类的设备将热由一处移到另一处,不是进行能量的转换,其性能系数(Coefficient of performance)往往会超过100%。

以下的效率都属于能量转换效率。

电效率(Electrical efficiency),可用功率输出及总耗电的比例。机械效率,由一种机械能(例如水的位能)转换成另一种机械能或机械功热效率燃料效率(Fuel efficiency),可用的热或功输出与输入能量(或消耗燃料对应的能量)的比例。总效率,一般用在汽电共生的场合,可用的电能及热能相对输入能量的比例。照明效率,所产生电磁辐射在可见光范围内的比例。

折叠 分类

以下各种效率都属于能量转换效率:

  • 电效率:可用功率输出及总耗电的比例
  • 机械效率:由一种机械能(例如水的位能)转换成另一种机械能或机械功
  • 热效率燃料效率,可用的热或功输出与输入能量(或消耗燃料对应的能量)的比例。
  • 总效率:一般用在汽电共生的场合,可用的电能及热能相对输入能量的比例。
  • 照明效率:所产生电磁辐射在可见光范围内的比例。

折叠 能量转换

能量转换过程中,输出的能量通常可分为易利用能量与难利用能量两种。易利用能量即我们正欲求之的能量,难利用能量则是指在能量转换过程中流失、散逸掉的能量。

在所有的能量利用过程中,能量的损耗都不可避免。

如果将完全燃烧后的天然气所释放出的化学能称为输入能量,将水所吸收的那部分称为输出有效能量,将散发到大气、遗留在壶体中的那部分能量称为输出无效能量,则根据能量守恒定律,可得出:

输入能量=输出有效能量+输出无效能量

能量转换效率η=输出有效能量/输入能量

(能量转换效率常用希腊字母 "η" 来表示)

--- η 是第七位希腊字母Η 的小写形式。该字母英文中记作Eta,音标['i:tə],中文音译作 "伊塔"。

任何情况下,η 的值都小于1。

提高能量利用中的转化效率是节能问题的核心,是可持续发展的重要措施之一。

1、所有的能量在转化和转移的过程中都遵守能量守恒定律

2、永动机的理论是不可能实现的。

3、能量转化是有方向性的。

4、能量转化的效率在任何情况下都小于1。

5、各种形式的能量,在一定条件下都可以相互转化。

6、能量既不会被凭空创造,也不会被绝对消灭。当能量从一个物体转移到另一个物体,或从一种形式转化成另外一种形式时,能量的总量始终保持不变。

折叠 编辑本段 相关知识与数据

折叠 能量转换效率计算的常见类型

提起效率,同学们一般都会想到简单机械的机械效率,即有用功总功的比值,其实效率在能量转移或转化过程中有着广泛的应用。

使用能源的过程实际上就是能量转移或转化的过程,能源在一定条件下可以转换成人们所需要的各种形式的能量。例如,煤燃烧后放出热量,可以用来烧水、做饭、取暖;也可以用来生产蒸汽,推动蒸汽机转换为机械能,或者推动汽轮发电机转变为电能。电能又可以通过电动机、电灯或其它用电器转换为机械能、光能或内能等。

一般情况下能源不可能全部转化为人们需要得到的能量,所谓能量转换效率就是人们需要得到的能量(即有用能量)与当初消耗总能量的比值,计算公式为:能量转换效率=输出有用能量/输入的总能量

--- 当今社会能源紧缺,如何提高能源利用率是我们迫切需要解决的热点问题,有关能量转换效率的计算在考卷上屡见不鲜,现例举如下:(共10道题)

1、【电热水壶烧水】:如功率为100W的电热水壶正常工作28分钟,可将4Kg水从20℃加热到100℃,其效率多大?

用电热水壶烧水时水的温度升高需要吸收热量,水增加的内能是我们需要的能量,属于有用能量,而电热水壶消耗的电能是输入的总能量,所以此电热水壶烧水的效率为:

η = Q吸/ W = cmΔt / Pt = 4.2 × 10× 4 ×(100-20)/(100 × 28 × 60)= 80%

2、【锅炉烧水】:如某锅炉将100Kg水从32℃加热到100℃,需要燃烧3.36Kg热值为 3.4 × 10J / Kg 的无烟煤,其效率多大?

用锅炉烧水时,水增加的内能是有用能量,而燃料完全燃烧放出的能量(即燃料的化学能)是输入的总能量,所以此锅炉烧水的效率为:

η = Q吸/ Q放= cmΔt / qm煤= 4.2 × 10× 100 ×(100-32)/(3.4 × 10× 3.36)= 25%

3、【太阳能热水器】:如有一总集热面积为1.35m的热水器10h可将100Kg水从20℃加热到80℃,而每m每小时地球表面接收的太阳能为 3.6 × 10J,其效率多大?

太阳能热水器工作时,水增加的内能是有用能量,辐射到集热管的太阳能为输入的总能量,此太阳能热水器烧水的效率为:

η = Q吸/ Q太阳= cmΔt / Q太阳= 4.2 × 10× 100 ×(80-20)/(3.6 × 10× 1.35 × 10)= 51.85%

4、【热机】:

(1). S195柴油机标有 "0.27Kg / Kwh",即它每消耗0.27Kg柴油可输出1Kwh的有用能量(柴油热值为 q = 3.3 × 10J / Kg),其效率多大?

热机是把内能转化为机械能的机器,其中获得的机械能是属于有用能量,而燃料完全燃烧放出的热量是输入的总能量,此柴油机的效率为:

η = W有/ Q放= 1Kwh / qm = 3.6 × 10/(3.3 × 10× 0.27)= 40.4%

(2). 某新款汽车发动机输出功率为69Kw,1h耗油20Kg(汽油热值为 q = 4.6 × 10J / Kg),其效率多大?

此过程中,输出的有用能量用 W有=P出·t 计算,此汽车发动机的效率为:

η = W有/ Q放= P出·t / qm = 69 × 10× 3600 /(4.6 × 10× 20)= 27%

5、【电动机】:标有 "6v3w" 的电动机线圈内阻为3Ω,在不计摩擦的情况下正常工作其效率多大?

电动机工作时电能转化为机械能和内能,如不计摩擦,此内能就是电动机线圈本身通电时产生的电热,这样获得的机械能就等于消耗的电能减去产生的电热。

此电动机正常工作时 电流 I = P / U = 3w / 6v = 0.5A,此电动机的效率为:

η = W机/ W总=(W总-Q)/ W总=(Pt-IRt)/ Pt =(P-IR)/ P =(3-0.5× 3)/ 3 = 75%

6、【太阳能电池】:某太阳能汽车,太阳光照射到它的电池板上的辐射总功率为8×10W,在晴朗的天气,电池板对着太阳时产生的电压为160v,并对车上的 电动机提供10A的电流,其效率多大?

太阳能电池是利用太阳能获得电能的装置,产生的电能属于有用能量,而消耗的太阳能是 输入总能量。此太阳能电池的效率为:

η = W电/ Q太= UIt / P太t = UI / P太= 160 × 10 /(8 × 10)= 20%

7、【白炽灯】:一只40W的白炽灯正常工作1秒钟产生光能约8J,其效率多大?

白炽灯正常工作时电能转化为光能和内能,其中获得的光能是有用能量,而它消耗的电能是输入总能量。此白炽灯发光的效率为:

η = W光/ W电= W光/ Pt = 8 /(40 × 1)= 20%,

8、【火力发电】:某电厂燃烧1t无烟煤可发电92Kwh,其发电效率多大?

火力发电是将燃料的化学能转化为电能,所获得的电能即为有用能量,消耗的燃料的化学能就是输入总能量。其发电效率为:

η = W电/ Q放= 92 Kwh / qm = 92 × 3.6 × 10/(3.4 × 10× 10)= 10%

9、【高压输电】:有一台 110Kv、22Mw 的高压输电设备,输电线总电阻50Ω,其输电效率多大?

高压输电时,输出端(给用户提供)的电能就是有用能量,而输入端输入的电能就是输入总能量,两者的差距就是输电线本身消耗 的电能(即电热)。

高压输电过程中 电流 I = P / U = 22w × 10/(110v × 10)= 200A,其输电效率为:

η = W有/ W总=(Pt-IR线t)/ Pt =(P-IR线)/ P =(22 × 10-200× 50)/(22 × 10)= 90.9%

10、【电动车】:160V 10A 的电动车,在平直路面上匀速行驶,所受地面阻力为288N,1h行驶15Km,其效率多大?

电动车行驶时将电能转化为机械能,获得的机械能克服摩擦做功使车前进,所以它克服摩擦做的功就是有用能量,而消耗的电能为输入总能量。此电动车的效率为:

η = W有/ W总= f.S / UIt = 288 × 15 × 10/(160 × 10 × 3600)= 75%

【 --- 以上只是计算能量转换效率的常见类型,实际生活中有关能量转换效率的问题还有很多。】

折叠 燃料热值与效率

燃料的燃烧热可以以其HHV(高热值)LHV(低热值)来表示,高热值燃烧热是在燃烧后,生成物的水蒸气凝结成液态时的燃烧热,因此加上水凝结时的潜热。低热值的燃烧热则是在燃烧后,生成物的水蒸气仍维持气态时的燃烧热,不考虑水凝结时的潜热。

燃料热值的选用会影响其能量转换效率的计算。在欧洲,一燃料可产生的能量是其低热值表示,不考虑水凝结时的潜热,以此为方式计算冷凝式锅炉的 "热效率",其数值可能会超过100%,其原因是其工作原理会利用到部份水凝结时的潜热,但计算输入能量时未考虑此部份所造成,不违反热力学第一定律。在欧洲以外的国家,一燃料可产生的能量是其高热值表示,已考虑水凝结时的潜热,以此为基础 计算能量转换效率,其数字就不可能超过100%。

折叠 不同能量转换方式的效率

能量转换方式能量效率
内燃机外燃机10%~50%
燃气涡轮发动机最大可到40%
燃气涡轮发动机加上蒸汽涡轮发动机(复合循环)最大可到60%
水力发动机最大可到90%
风力发动机最大可到59%(理论上限)
太阳能电池

6%~40%

(和使用技术有关,一般的效率约15%,理论上限为85%~90%)

枪械~30%(.300英寸的子弹)[0.3英寸≈7.62毫米]
燃料电池最大可到85%
水的电解50%~70%(理论上限为80%~94%)
光合作用可达6%
肌肉14%~27%
电动机

功率小于10瓦的小电动机:30%~60%;

功率在10瓦到200瓦之间的电动机:50%~90% ;

功率超过200瓦的电动机:99%以上。

家用冰箱低阶系统约为20%,高阶系统约为40~50%
电灯泡5%~10%
发光二极管最大可到35%
萤光灯28%
钠灯40.5%
金属卤化物灯24%
开关电源实务应用可以到95%
热水器90%~95%
电热器约95%

折叠 热能怎样转化成其他能量?

问:热能怎样才能转化成其他比较方便使用或者方便储存能量形式呢?比如电能、机械能

答:主要以介质转换的方式为主。比如通过水这种介质,首先使水变成高温高压的水蒸气,然后将之用来驱动汽轮机或蒸汽机而变成机械能,最后汽轮机带动发电机转化为电能。还可以通过燃气这种介质,用各种热机(汽油机、柴油机、燃气轮机)将热能转化成机械能,如进一步用该机械能来带动发电机自然还可以转化为电能。

还有不通过介质而用类似热电偶直接转化成电能的温差热发电,但效率低,无法大规模应用。

"比较方便使用的"首推电能,通过电动机很容易就可将电能转化成机械能,通过电热器件则很容易转化成热能、光能等。

"方便存储的能量形式"主要应是以电池形式存在的化学能

折叠 提高能量转化效率问题的核心

提高能量转化效率,也就是 使能量尽可能少地转化为别的能量形式,而更单纯地转换为所需要的能量形式。要知道,能量的转化过程 越是直接,则转化效率就越高(路径简洁、过程简单的转化效率更高)。比如电动车就比汽油车效率高,因为电可以直接通过导线与马达相连,能量也不会过多地因电阻而流失,大多数都转换成了机械能,而汽油机则需要通过燃烧气体后气体膨胀来推动活塞,另外还有一大堆的轴承连接着齿轮。连接的部件越多、需要的步骤越多 就越容易流失能量,效率自然也就降低了。

折叠 能量转换与能耗

能耗是非常热门的话题,能量转换也因此具有更加重要的意义。电子设备已经成为我们日常生活中必不可少的一部分,减少这些设备的能耗将具有非常重要的意义。新型的IC(Integrated Circuit,集成电路)技术既可以达到节能的目的,还可以以低成本保持所需的功能与性能。

假设现有一台发电机,该发电机由电力驱动,并生产出电能。现请插上电,开动发电机,然后将所生产出的电能全部储存起来。当这台发电机运行了一段时间之后,电表显示共耗费了10度电,但检查了储存起来的电量却只有9度,那么,该电力驱动型发电机的能量转化效率就是9/10,即90%。当然,现实世界中是不可能用电力来驱动发电机的,这里只是为了便于阐述而打个比方。

折叠 新热电材料能量转换率实现倍增

中新网2008年7月25日电:日本大阪大学和美国俄亥俄州立大学等组成的研究小组成功将"热电材料"的能量转换率提高了一倍。

美国《科学》杂志电子版于 (2008年7月)25日登载了相关论文。

日本共同社(2008年7月)25日报道,热电材料是一种能将热能转化为电能的半导体,在汽车引擎等数百度高温工作环境中的能量转换率最高。 由于引擎会向外散发大量热,用这种材料覆盖包裹引擎可将热能转化为电能而加以有效利用。

大阪大学助教黑崎健表示:"这项技术以前的效率低下,甚至无法达到实用水平。…… 而今,随着该技术的成熟,已经可以将其应用到环保汽车等领域。" 研究小组在一种叫做铅碲的物质里添加了铊后 成功开发出了新材料。以前添加的都是钠,而在使用铊后 使电子结构发生了变化,能量转换率提高了一倍。今后需要解决的是铊的高成本问题和确保铅的安全性。据黑崎介绍,研究人员还考虑将新热电材料用作太空探测器动力源

折叠 生态系统与自然系统中的能量转换

生态系统中,能量存在于食物链的各个营养级之间。在不断地流动和转化的过程中,某一营养级的生物摄取的能量或同化量,占前一营养级生物换算或能量的生物量百分率。1942年由林德曼提出,他认为从一个营养级到另一个营养级的能量转换率为10%,则生产效率顺营养级逐级递减,即每通过一个营养级,能量减少90%。如果这个数值比例失调,就意味着生态系统中生物之间的数量平衡遭到破坏。也就是说能量转换的效率对于生态的作用也不容忽视。

在自然系统中,能量存在的形式主要为:热能、电能、内能、光能声能化学能机械能电磁能原子能、生物能等集中形式,它们主要是通过一些机器设备来进行从 "此种能" 到 "彼种能" 的转变。

折叠 生物能量的传递与利用

能量传递效率:是能量在沿食物链流动的过程中,是逐级递减的。若以营养级为单位,能量在相邻的两个营养级之间的传递效率为10%~20%。

可用能量金字塔来表示,计算公式:能量传递效率=上一营养级的同化量/下一营养级的同化量×100%。

能量传递效率计算:

能量传递效率=下一营养级的同化量/本级的同化量;

对于简单的生态系统,能量传递效率一般在10%~20%之间;

对于复杂的生态系统,能量传递效率一般小于10%(如:初生演替,次生演替)。

能量利用效率:通常是流入人类中的能量占生产者能量的比值,或最高营养级能量占生产者能量的比值。或考虑分解者的参与以实现能量的多级利用。在一个生态系统中,食物链越短,能量的利用率就越高。同时,生态系统中的生物种类越多、营养结构越复杂,能量的利用率也就越高。

从研究对象上分析:能量传递效率是以营养级为研究对象的,而能量利用效率则是以最高营养级或人类为研究对象的。

生物同化量的概念:

指某一营养级从外环境中得到的全部化学能。它可表现为:这一营养级的呼吸消耗量、这一营养级流向下个营养级的能量、这一营养级流向分解者的能量、这一营养级的未被利用量。

1、对于生产者(一般为绿色植物)来说是指在光合作用中所固定的日光能,即总初级生产量(GP)。

2、对于消费者(一般为动物)来说,同化量表示消化道吸收到的能量(吃进的食物不一定都能吸收,故并非进食能量),粪便不算在同化量里,但呼吸消耗的能量算。

3、对于分解者(一般为腐生生物)来说是指细胞外的吸收能量。

生物同化量的基本计算:

同化量 = 摄入上一营养级的能量 - 粪便中的能量

同化量 = 自身生长、发育和繁殖量 + 呼吸消化量

同化量 = 呼吸消耗以热能形式散失的能量 + 流向下个营养级的能量 + 流向分解者的能量 + 未被利用的能量

折叠 能量品质

能量不但有数量多少的问题,而且还有品质高低的问题。也正是由于能量的品质有高有低,才有了过程的方向性和热力学第二定律。电能和机械能可以完全转换为机械功,属于较高品质能量;热能只有部分可以转换为机械功,能量品质较低。随着能量传导,能量的数目可能不变,但能量品质只能下降,在极限条件下,品质不变,这称之为能量贬值原理,是热二律更为一般、更为概括的说法。

能量品质有高有低,可以从其可被利用的价值来看:煤、石油、天然气等能源储存的能量是高品质的,因为它们含的能量是高度有用的,可以转为机械能、电能等供人类使用。而高品质的能量被耗散时,被降级为不大可用的形式,如内能。因此,能量耗散虽不会使能量的总量减少,但能源会减少,所以我们必须节约能源

能量转换效率存在于能量转换之间,而这关乎能量品质的高低。比如说电能,它的能量品质就很高,它转换为任意形式的能量都可以达到很高的转换效率。而如果用超导体传输电能,甚至还可实现100%的能量转换。

而其他的比如热能,其转换为机械能或者电能就不可能达到100%的转换效率,因为热力学第二定律限制了其转换效率(热无法百分之百转为功)。热电厂发电,其热电转化效率也只有45%左右,平均来看,这相当于近2/3的能量都损失掉了。因此,热能的能量品质自然就比电能低。

在没有其他变化时,能量转换效率不会超过100%。但在某些特殊环境下,燃料电池可以突破100%。

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