كفاءة تحويل الطاقة
كفاءة تحويل الطاقة في الفيزياء وفي التكنولوجيا (بالإنجليزية: Energy conversion efficiency) هي النسبة بين الطاقة المستفادة من آلة إلى الطاقة المستهلكة. وقد يكون الطاقة المستفادة كهرباء أو من محرك أو حرارة. وعند القيام بإنتاج طاقة كهربائية مثلا عن طريق حرق الفحم أو النفط تكون كفاءة تحويل الطاقة الحرارية قليلة وتضيع معظم الطاقة هباء (انظر دورة كارنو).
وتعني الكفاءة هنا الكفاءة الصناعية أو الفيزيائية. وفي هذه المعدلة تعني مثلا :formula_2
الطاقة التي ينتجها محرك يعمل بالبنزين إلى طاقة احتراق البنزين formula_3
القيمة النظرية للكفاءة بين 1 وصفر أو بين 100% و0%. والقيمة العظمى للكفاءة (1 أو 100%) لا يمكن التوصل إليها عمليا ، وذلك بسبب ضياع جزء من الطاقة في صورة حرارة عن طريق الاحتكاك. وبالنسبة إلى المحركات الحرارية مثل محرك احتراق داخلي يضيع جزء من الحرارة عن طريق النفايات الغازية..
ولا يمكن أن تصل كفاءة آلة حرارية إلى الكفاءة المثالية التي تؤتي بها دورة كارنو. وتعرف كفاءة دورة كارنو بأنها الفرق بين درجة الحرارة العليا ودرجة الحرارة السفلى مقسوما على درجة الحرارة العليا في الدورة كلها. ولحساب تلك المعادلة يجب وضع درجة الحرارة بالكلفن أي بدرجات الحرارة المطلقة.
تعطى الكفاءة الميكانيكية صندوق التروس وكرسي التحميل وهي تشكل جزءا من الكفاءة الكلية لآلة. وهي تأخذ في الحسبان مقدار الطاقة التي تضيع في صورة حرارة ، وهذا الجزء الضائع من الطاقة تتسبب في تسخين التروس والقطع المتحركة في الآلة. ويلعب الاحتكاك بين تلك القطع دورا رئيسيا في ضياع جزء من الطاقة وعدم الاستفادة من الطاقة المستخدمة استفادة كاملة.
الكفاءة الحرارية تعطي النسبة بين القدرة الناتجة إلى الطاقة الحرارية في آلة حرارية ، مثل محرك بخاري :
حيث:
وأعلى قيمة لتلك الكفاءة هي كفاءة دورة كارنو ، وهي لا يمكن الزيادة عنها بسبب القوانين الطبيعية التي تصيغها الديناميكا الحرارية
حيث:
وتحتسب درجات الحرارة بالكلفن.
تعطي كفاءة آلات الاحتراق كمية الاستفادة من حرارة وقود عند القدرة الاسمية. والكفاءة هنا تأخذ في الحسبان كمية الحرارة الضائعة عن طريق إطلاق الغاز العادم في الجو. ويمكن تحديد كفاءة آلة عن طريق قياس الحرارة الضائعة مع غاز العادم مع مراعاة أخذ حرارة ضائعة أخرى.
وتعين كفاءة آلة احتراق بطرح كمية الحرارة الضائعة مع العادم من كمية الحرارة المستغلة (100%). وتعتمد كمية الحرارة الضائعة أيضا على الغاز العادم وعلى الأخص نسبة الهواء فيه.
تستخدم الإنتروبية الثابتة لحساب كفاءة آلة ميكانيكية حرارية. وطبقا لقوانين الديناميكا الحرارية لا يمكن الطاقة الحرارية أن تتحول بالكامل إلى نوع آخر من الطاقة (مثل الكهرباء أو طاقة حركية) ، أي أن :
وكفاءة ألى ميكانيكية تعمل بالحرارة تكون دائما أقل من كفاءة الآلة المثالية.
حيث ترتبط الآلة بحوضين لهما حرارتين :
وتستخدم كفاءة الإنتروبية الثابتة بغرض مقارنة تلك العملية بكفاءة آلة واقعية.
إذا اشتغلت عدة آلات تلو بعضها فإن الكفاءة الكلية للآلات تكون حاصل ضرب كفاءات الآلات الذاتية.
مثال:
الكفاءة الكلية :
أو بالتقريب 30 %.
وقد افترضنا في هذا المثال أنه لا يوجد فقد للطاقة في خطوط التوصيل. فإذا لم يكن الحال كذلك فلا بد من أخذ كفاءة خطوط التوصيل في الحسبان.
وعندما تكون كفاءة أحد الآلات منخفضة تكون النتيجة منخفضة هي الأخرى بطريقة فظيعة. وعلى سبيل المثال نعطي حالة طاقة أولية ستتحول ثلاثة مرات قبل أن تنتج قدرة 100 واط .
التحول الأول بكفاءة عالية 90 % لثلاث وحدات (فيكون ناتجها 72.9 %) ، والتحويل الثاني ذو كفاءة منخفضة 20 % (فيكون الناتج 0.8 %).
في المرحلة الأولى حيث تكون الكفاءة عالية تحتاج استخدام قدرة ابتدائية قدرها 137 واط. ولكن المرحلة الثانية حيث الكفاء منخفضة ، فيحتم استخدام طاقة ابتدائية قدرها 12.500 واط.