エネルギー変換効率

エネルギー変換効率（η）は、エネルギー変換機の有用な出力と入力との間の比率である。 有用な出力と同様に、入力は、化学的、電力的、機械的作業、光（放射線）、または熱であってもよい。

概要
エネルギー変換効率は、出力の有用性に依存する。 例えば、仕事が熱力学的サイクルからの所望の出力である場合、燃料を燃焼させることによって生成される熱の全部または一部は、廃熱を排除され得る。 エネルギー変換器は、エネルギー変換の一例である。 例えば、電球はエネルギーコンバータのカテゴリに分類されます。  定義には有用性の概念が含まれていますが、効率は技術的または物理的な用語とみなされます。 目標または任務主義の用語には、有効性と有効性が含まれます。

一般に、エネルギー変換効率は、0と1.0の間の無次元数、または0％〜100％です。 例えば、永久運動機械の場合、効率は100％を超えてはならない。 しかし、ヒートポンプやそれを変換するのではなく熱を移動する他のデバイスには、1.0を超える有効性の他の手段が使用されています。

熱機関や発電所の効率性について言えば、HHV（総発熱量など）またはLCV（別名正味暖房値）、総出力（発電機端末での）またはネット出力（発電所フェンスで）が考慮されている。 2つは別々ですが、どちらも明記されなければなりません。 そうしなければ、無限の混乱が起こります。

関連するより具体的な用語には、

電気効率、消費電力当たりの有用な電力出力、
機械的エネルギーの1つの形態（例えば、水の潜在的エネルギー）が機械的エネルギー（仕事）に変換される機械的効率。
熱効率または燃料効率、消費される燃料などの投入エネルギー当たりの有用な熱および/または仕事出力、
例えば、コージェネレーション、有用な電力、消費される燃料エネルギー当たりの熱出力などの「総合効率」。 熱効率と同じです。
放射効率、放射された電磁放射のその部分は人間の視覚に使用可能である。

燃料発熱量と効率
欧州では、燃料の使用可能エネルギー量は、燃料の燃焼（酸化）中に生成された水蒸気が気体であり、液体水に凝結しないと仮定する燃料の低発熱量（LHV）その水の蒸発潜熱は利用できない。LHVを使用すると、凝縮ボイラーは100％を超える「加熱効率」を達成することができます（これは、LHV規則が理解されている限り、熱力学の第1法則に違反しませんが、混乱の原因になります）。 これは、装置が燃料の低い発熱量の定義に含まれていない蒸発熱の一部を回収するためである。 米国および他の地域では、水蒸気を凝縮させる潜熱を含むより高い発熱量（HHV）が使用されるため、HHVの使用では熱効率最大100％の効率を超えることはできません。

ウォールプラグ効率、発光効率、効率
照明やレーザーなどの光学システムでは、エネルギー変換効率はしばしばウォールプラグ効率と呼ばれます。 ウォールプラグの効率は、ワット単位の入力電気エネルギーの合計に対するワット（ジュール/秒）単位の出力放射エネルギーの尺度です。 出力エネルギーは、通常、絶対放射照度の点で測定され、壁プラグ効率は、全入力エネルギーのパーセンテージとして与えられ、逆パーセンテージは損失を表す。

ウォールプラグ効率は、ウォールプラグ効率がエネルギーの直接的な出力/入力変換（実行可能な作業の量）を記述する点で発光効率とは異なるが、発光効率は人間の目の異なる波長に対する感度の変化を考慮に入れているどのくらいうまくそれが空間を照らすことができるか）。 ワットを使用する代わりに、人間の知覚に比例した波長を生成する光源のパワーがルーメン単位で測定されます。人間の目は555ナノメートル（緑がかった黄色）の波長に最も敏感ですが、感度はガウスのパワーカーブに従い、この波長のいずれかの側に劇的に減少し、スペクトルの赤と紫の端でゼロ感度に落ちます。 このため、目は通常、特定の光源から放射されるすべての波長を見ることはできず、視覚スペクトル内のすべての波長を等しく見ることはできません。 例えば、黄色と緑は、白色光が白色であると認識しているものの50％以上を占めますが、白色光はすべての色の等しい部分から作られます（つまり、5 mwの緑色レーザーがより明るく見えます5mwの赤色レーザよりも、赤色レーザは白い背景に対してより優れている）。 したがって、光源の放射強度は、その光度よりもはるかに大きくなり得る。つまり、光源は、目が使用できるエネルギーより多くのエネルギーを放出する。 同様に、ランプのウォールプラグ効率は、通常、その発光効率よりも大きい。 人間の目の感度に比例して、電気エネルギーを可視光の波長に変換する光源の有効性は、発光効率と呼ばれ、電気入力のワット当たりのルーメン（lm / w）単位で測定される – エネルギー。

測定単位である有効性（有効性）とは異なり、効率は、入力単位と出力単位が同じタイプであることのみを要求する、単位で表されたパーセンテージで表された数値です。 したがって、光源の発光効率は、特定の波長での理論最大効力あたりの発光効率のパーセンテージである。 光の光子によって運ばれるエネルギーの量は、その波長によって決定される。 内腔では、このエネルギーは、選択された波長に対する眼の感度によって相殺される。 例えば、緑色レーザポインタは、同じ電力出力の赤色ポインタの見掛け輝度の30倍を超えることができる。 555nmの波長では、1ワットの放射エネルギーは685ルーメンに相当するので、この波長で685lm / wの発光効率を有する単色光源は100％の発光効率を有する。 理論最大効力は、555nmの両側の波長に対して低下する。 例えば、低圧ナトリウムランプは589nmで単色光を発生し、200lm / wの発光効率を有し、これはいずれのランプよりも高い。 その波長における理論上の最大有効性は525lm / wであるので、ランプの発光効率は38.1％である。 ランプは単色であるので、発光効率は、 40％。

発光効率の計算は、白色光またはスペクトル線の混合物を生成するランプにとってより複雑になる。 蛍光ランプは、低圧ナトリウムランプよりも高いウォールプラグ効率を有するが、約100lm / wの発光効率の半分しかないので、蛍光灯の発光効率はナトリウムランプよりも低い。 キセノンフラッシュチューブは、50〜70％の典型的なウォールプラグ効率を有し、他のほとんどの形態の照明を超える。 フラッシュチューブは大量の赤外線および紫外線を放射するので、出力エネルギーの一部のみが目によって使用されます。 したがって、発光効率は、典型的には約50lm / wである。 しかし、照明のためのすべてのアプリケーションが人間の目に関わるものではなく、可視波長に制限されているわけでもありません。 レーザーポンピングの場合、有効性はヒトの眼に関連しないので、レーザー媒体の吸収線に関連するので、「発光」効力というよりむしろ単に「有効性」と呼ばれる。 クリプトンフラッシュチューブは、Nd：YAGレーザーをポンピングするために選択されることが多く、その壁面の効率は通常40％程度です。 クリプトンのスペクトル線は、ネオジムがドープされた結晶の吸収線によく一致するため、この目的のためのクリプトンの有効性は、キセノンよりはるかに高い。 同じ電気入力に対して最大2倍のレーザー出力を生成することができます。 これらの用語はすべて、それらが光源を出るときのエネルギーおよびルーメンの量を指し、照明器具またはその後の出力光学系内で起こり得る損失を無視する。 照明器具効率とは、ランプ出力ごとの器具からの全内腔出力を指す。

白熱電球のようないくつかの光源を除いて、ほとんどの光源は、「壁プラグ」（バッテリ、直接配線、または他の光源を含む電気入力点）と最終光出力は、各段階で損失を生じる。 低圧ナトリウムランプは、最初は適切な電流および電圧を維持するために電気安定器を使用して電気エネルギーを変換するが、安定器ではいくらかのエネルギーが失われる。 同様に、蛍光灯はバラスト（電子効率）を用いて電力を変換する。 次に、電気は、電気アーク（電極効率および放電効率）によって光エネルギーに変換される。 次いで、光は、適切な波長を吸収するだけの蛍光コーティングに転写され、反射による反射およびコーティングを通過する透過（転写効率）に起因するそれらの波長の損失を伴う。 コーティングによって吸収される光子の数は、蛍光として再放出される数（量子効率）と一致しない。 最後に、ストークスシフトの現象のために、再放出された光子は、吸収された光子よりも短い波長（したがって、より低いエネルギー）を有する（蛍光効率）。 同様に、レーザは、壁プラグと出力アパーチャとの間の変換の多くの段階も経験する。 したがって、「壁プラグ効率」または「エネルギー変換効率」という用語は、エネルギー変換装置の全体的な効率を示すために使用され、各段階からの損失を差し引くが、これは、クーラントポンプ。

エネルギー変換効率の例