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能量转化效率

by wittx 2020-09-04

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%

不同能量转换方式的效率
能量转换方式能量效率
内燃机及外燃机 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%
电热水器 90%～95%
电热器约95% [1]
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的能量形式呢？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。
而“方便存储的能量形式”主要应是以电池形式存在的化学能。
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。
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。 [3]
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。
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。
据日本共同社(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的动力源。 [4]
生态系统与自然系统中的能量转换
在生态系统中，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。
五大类能量转换互化图（非完全图）
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）。 [5]
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
同化量图解 [5]
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。 [5]
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 [5]
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。 [6]
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%。

能量转换方式	能量效率
内燃机及外燃机	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%
电热水器	90%～95%
电热器	约95% [1]