كفاءة تحويل الطاقة

كفاءة تحويل الطاقة في الفيزياء وفي التكنولوجيا  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 :

الطاقة التي ينتجها محرك يعمل بالبنزين إلى طاقة احتراق البنزين 

 مقدمة 

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.Néanmoins dans le cas des moteurs, l'efficacité est également limitée à 1, d'où la confusion très courante du terme avec le rendement.

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.

 كفاءة ميكانيكية 
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.

 كفاءة حرارية 

الكفاءة الحرارية تعطي النسبة بين القدرة الناتجة إلى الطاقة الحرارية في آلة حرارية، مثل محرك بخاري :

حيث:

 الكفاءة الحرارية,

 القدرة الميكانيكية الناتجة

  كمية الحرارة المبذولة.

وأعلى قيمة لتلك الكفاءة هي كفاءة دورة كارنو ، وهي لا يمكن الزيادة عنها بسبب القوانين الطبيعية التي تصيغها الديناميكا الحرارية

,

حيث:

  درجة الحرارة المنخفضة (النهائية)

  أعلى درجة حرارة للتشغيل

وتحتسب درجات الحرارة بالكلفن.

 كفاءة آلات الاحتراق 

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.

 كفاءة الانتروبية الثابتة 

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 :

 الطاقة الحرارية = جزء طاقة تحول إلى حركة Exergie + جزء طاقة لم يتحول إلى حركة

وكفاءة ألى ميكانيكية تعمل بالحرارة تكون دائما أقل من كفاءة الآلة المثالية.

,

حيث ترتبط الآلة بحوضين لهما حرارتين :

 حوض الحرارة المنخفضة (النهائية)

  حوض الحرارة العالية.

وتستخدم كفاءة الإنتروبية الثابتة بغرض مقارنة تلك العملية بكفاءة آلة واقعية.

 كفاءة كلية 

إذا اشتغلت عدة آلات تلو بعضها فإن الكفاءة الكلية للآلات تكون حاصل ضرب كفاءات الآلات الذاتية.

مثال:
 محطة طاقة كهربائية 40 % (0,4),
 محول في محطة الكهرباء 99 % (0,99)
 محول قريب من المستهلك 95 % (0,95)
 محرك كهربائي 80 % (0,8)

الكفاءة الكلية :

  = 0,4 · 0,99 · 0,95 · 0,8 = 0,30096

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.

 أمثلة على كفاءة أجهزة وعمليات 
+ أمثلة كفاءة آلة، عملية طاقة مستهلكةطاقة مستفادةالكفاءة %مفاعل نووينوويكهرباء 33 محطة قوى بالغاز (غاز طبيعي) كيميائيكهربائي & حراري50–60خلية شمسية أشعة الشمسكهربائي 5–27 محطة قوى بالفحم (فحم)كيميائيكهربائي 25–50توليد مشترك (5)كيميائيكهربائي & حراري حتى 98محطة كهرمائية حركيكهربائي 80–90طاقة ريحيةحركيكهربائي حتى 51أجهزة وآلاتخلية وقود كيميائيكهربائي 20–48محرك بخاري كيميائيحركي 3–44محرك احتراق داخلي (سيارة) كيميائيحركي 30–50محرك ديزلكيميائيحركي حتى 50محرك ذو ضربتين  كيميائيحركي 55محرك كهربائي كهربائيحركي 20–99 دينامو الدراجة حركيكهربائي 20–65 مولد كهربائي حركيكهربائي 95–99 لمبة عاديةكهربائيكهرومغناطيسي (ضوء)3–5كابل توصيل تيار مستمر كهربائيكهربائي 95ديود ضوئيكهربائيكهرومغناطيسي (ضوء)5–25مفتاح كهربائي كهربائيكهربائي 50–95محطة بث كهربائيكهرومغناطيسي (موجة راديوية) 30–80محول كهربائيكهربائي 50–99محرك نفاث طيران مدني كيميائيحركي 40مقوم كهربائيكهربائيكهربائي 93–98إنتاج الحرارة فرن الغاز (منزلي) كيميائيحراري 30–40فرن كهربائي (منزلي) كهربائيحراري 50–60تدفئة بالغاز كهربائيحراري 80–90فرن بالفحم (منزلي) كيميائيحراري 30–50فرن بالفحم (في الصناعة) كيميائيحراري 80–90طبخ بالنار في العراء كيميائيحراري <15مدفأة بالفحم كيميائيحراري 10–30لوح ضوئي أشعة شمسيةحرارية <85سخان كهربائي كهربائيحراري >98عمليات طبيعيةتمثيل ضوئي كهرومغناطيسية (أشعة شمسية)كيميائي 35يراقة مضيئة كيميائيكهرومغناطيسية (ضوء)<95إنسان (عضلات) كيميائيحركي 20–30Klaus Golenhofen: Basislehrbuch Physiologie: Lehrbuch, Kompendium, Fragen und Antworten.. Elsevier, München, Seite 110, ISBN 978-3-437-42482-3:عمليات كثيفة استخراج الفحم (واحتراقه) كيميائيحراري 30–60 تمثيل ضوئي (أشجار وحرقها) كهرومغناطيسية (ضوء)كيميائي 0,1–2,5

 انظر أيضا 
 دورة كارنو
دورة برايتون
 نظام حركة حرارية
 بقاء الطاقة
 ديناميكا حرارية
 القانون الثاني للترموديناميك
 دورة رانكن
 كفاءة حرارية
 معامل الحمل

 المراجع 

تصنيف:تحويل طاقة
تصنيف:حفظ الطاقة
تصنيف:ديناميكا حرارية
تصنيف:فيزياء تمهيدية
تصنيف:كفاءة الطاقة
تصنيف:هندسة أنظمة الطاقة
تصنيف:هندسة معمارية