بازده تبدیل انرژی

بندانگشتی|چپ|بازده نیروگاه‌ها، مجموع جهانی، سال ۲۰۰۸

بازده تبدیل انرژی (به انگلیسی: Energy conversion efficiency) یا راندمان تبدیل انرژی که با نماد «η» (اتا) نشان داده می‌شود، نسبتی است بین خروجی مفید یک ماشین تبدیل انرژی و ورودی آن، که بر حسب انرژی بیان می‌شود. ورودی و همچنین خروجی مفید ممکن است از نوع شیمیایی، توان الکتریکی، کار مکانیکی، نور (تابش) یا گرما باشد. مقدار حاصله (η) همواره عددی بین ۰ و ۱ است.

 کلیات 
بازده تبدیل انرژی به مفید بودن خروجی بستگی دارد. برای مثال، تمام یا بخشی از گرمای تولید شده از سوزاندن یک سوخت ممکن است به عنوان گرمای اتلافی دفع شود، اگر هدف از یک چرخه ترمودینامیکی انجام کار باشد. مبدل انرژی نمونه‌ای از تبدیل انرژی است. برای مثال، یک لامپ حبابی در دسته مبدل‌های انرژی قرار می‌گیرد.

با اینکه این تعریف شامل مفهوم مفید بودن است، بازده یک اصطلاح فنی یا فیزیکی محسوب می‌شود. اصطلاحاتی که جهت‌گیری هدف یا مأموریت دارند شامل اثربخشی (Effectiveness) و کارایی (Efficacy) هستند.

به‌طور کلی، بازده تبدیل انرژی یک عدد بدون بُعد بین ۰ و ۱٫۰ یا بین ۰٪ تا ۱۰۰٪ است. بازده نمی‌تواند از ۱۰۰٪ تجاوز کند، زیرا این امر منجر به ایجاد ماشین حرکت دائمی می‌شود که غیرممکن است.

با این حال، معیارهای دیگر اثربخشی مانند بازده حرارتی وجود دارند که می‌توانند از ۱٫۰ تجاوز کنند. این معیارها برای یخچال‌ها، پمپ‌های حرارتی و سایر دستگاه‌هایی که گرما را جابه‌جا می‌کنند (نه اینکه آن را تبدیل کنند) استفاده می‌شوند. به این معیار بازده گفته نمی‌شود، بلکه ضریب عملکرد (COP) نام دارد. این نسبت گرمایش یا سرمایش مفید فراهم شده به کار (انرژی) مورد نیاز است. ضریب عملکرد بالاتر به معنای بازده بیشتر، مصرف انرژی (توان) کمتر و در نتیجه هزینه‌های عملیاتی پایین‌تر است. COP معمولاً از ۱ بیشتر است، به ویژه در پمپ‌های حرارتی، زیرا این دستگاه‌ها به جای تبدیل صرفِ کار به گرما (که در صورت بازده ۱۰۰٪، COP آن ۱ می‌شد)، گرمای اضافی را از یک منبع حرارتی به جایی که گرما مورد نیاز است پمپاژ می‌کنند. بیشتر کولرهای گازی دارای COP بین ۲٫۳ تا ۳٫۵ هستند.

هنگام صحبت در مورد بازده موتورهای گرمایی و نیروگاه‌ها، باید قرارداد مورد استفاده بیان شود؛ یعنی آیا از ارزش حرارتی بالا (HHV یا ارزش حرارتی ناخالص) استفاده شده یا ارزش حرارتی پایین (LHV یا ارزش حرارتی خالص)، و همچنین آیا خروجی ناخالص (در ترمینال‌های ژنراتور) مدنظر است یا خروجی خالص (در حصار نیروگاه). این دو مورد جداگانه هستند اما هر دو باید ذکر شوند. عدم بیان این موارد باعث سردرگمی بی‌پایان می‌شود.

اصطلاحات مرتبط و خاص‌تر عبارتند از:
 بازده الکتریکی: توان خروجی مفید به ازای توان الکتریکی مصرف شده.
 بازده مکانیکی: جایی که یک شکل از انرژی مکانیکی (مانند انرژی پتانسیل آب) به انرژی مکانیکی (کار) تبدیل می‌شود.
 بازده حرارتی یا بازده سوخت: گرما و/یا کار مفید خروجی به ازای انرژی ورودی مانند سوخت مصرف شده.
 بازده کل: به عنوان مثال در تولید هم‌زمان (Cogeneration)، توان الکتریکی و گرمای خروجی مفید به ازای انرژی سوخت مصرف شده. همان بازده حرارتی است.
 بازده نوری: آن بخشی از تابش الکترومغناطیسی ساطع شده که برای دید انسان قابل استفاده است.

 بازده تبدیل شیمیایی 
تغییر در انرژی آزاد گیبس یک تحول شیمیایی تعریف شده در یک دمای خاص، حداقل مقدار نظری انرژی مورد نیاز برای انجام آن تغییر (اگر تغییر انرژی گیبس بین واکنش‌دهنده‌ها و محصولات مثبت باشد) یا حداکثر انرژی نظری است که می‌توان از آن تغییر به دست آورد (اگر تغییر انرژی گیبس منفی باشد). بازده انرژی یک فرایند شامل تغییر شیمیایی ممکن است نسبت به این حداقل‌ها یا حداکثرهای نظری بیان شود. تفاوت بین تغییر آنتالپی و تغییر انرژی آزاد گیبس یک تحول شیمیایی در یک دمای خاص، نشان‌دهنده ورودی گرمای مورد نیاز یا دفع گرمای (سرمایش) مورد نیاز برای حفظ آن دما است.

یک پیل سوختی می‌تواند به عنوان معکوس الکترولیز در نظر گرفته شود. برای مثال، یک پیل سوختی ایده‌آل که در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند و ورودی‌های آن هیدروژن گازی و اکسیژن گازی و خروجی آن آب مایع است، می‌تواند حداکثر مقدار نظری انرژی الکتریکی معادل ۲۳۷٫۱۲۹ کیلوژول (۰٫۰۶۵۸۷ کیلووات‌ساعت) به ازای هر گرم مول (۱۸٫۰۱۵۴ گرم) آب تولید شده ایجاد کند و نیاز دارد که ۴۸٫۷۰۱ کیلوژول (۰٫۰۱۳۵۳ کیلووات‌ساعت) انرژی گرمایی به ازای هر گرم مول آب تولید شده از سلول دفع شود تا دما ثابت بماند.

یک واحد الکترولیز ایده‌آل که در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند و ورودی آن آب مایع و محصولات آن هیدروژن و اکسیژن گازی هستند، به حداقل ورودی نظری انرژی الکتریکی معادل ۲۳۷٫۱۲۹ کیلوژول به ازای هر گرم مول آب مصرفی نیاز دارد و باید ۴۸٫۷۰۱ کیلوژول انرژی گرمایی به ازای هر گرم مول آب مصرفی به واحد اضافه شود تا دما ثابت بماند. چنین واحدی در ولتاژ سلولی ۱٫۲۴ ولت کار می‌کند.

برای یک واحد الکترولیز آب که در دمای ثابت ۲۵ درجه سانتی‌گراد بدون ورودی هیچ انرژی گرمایی اضافی کار می‌کند، انرژی الکتریکی باید با نرخی معادل آنتالپی (گرما) واکنش یا ۲۸۵٫۸۳۰ کیلوژول (۰٫۰۷۹۴۰ کیلووات‌ساعت) به ازای هر گرم مول آب مصرفی تأمین شود. این واحد در ولتاژ سلولی ۱٫۴۸ ولت کار می‌کند. ورودی انرژی الکتریکی این سلول ۱٫۲۰ برابر بیشتر از حداقل نظری است، بنابراین بازده انرژی در مقایسه با سلول ایده‌آل ۰٫۸۳ است.

یک واحد الکترولیز آب که با ولتاژی بالاتر از ۱٫۴۸ ولت و در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند، باید انرژی گرمایی از آن دفع شود تا دمای ثابت حفظ گردد و بازده انرژی آن کمتر از ۰٫۸۳ خواهد بود.

تفاوت بزرگ آنتروپی بین آب مایع و هیدروژن گازی به علاوه اکسیژن گازی، دلیل تفاوت قابل توجه بین انرژی گیبس واکنش و آنتالپی (گرما) واکنش است.

 ارزش‌های حرارتی سوخت و بازده 
در اروپا، محتوای انرژی قابل استفاده یک سوخت معمولاً با استفاده از ارزش حرارتی پایین (LHV) آن سوخت محاسبه می‌شود. تعریف LHV فرض می‌کند که بخار آب تولید شده در حین احتراق (اکسیداسیون) سوخت به صورت گاز باقی می‌ماند و به آب مایع میعان نمی‌شود، بنابراین گرمای نهان تبخیر آن آب قابل استفاده نیست. با استفاده از LHV، یک دیگ چگالشی می‌تواند به «بازده گرمایشی» بیش از ۱۰۰٪ دست یابد (این موضوع تا زمانی که قرارداد LHV درک شود، قانون اول ترمودینامیک را نقض نمی‌کند، اما باعث سردرگمی می‌شود). دلیل این امر آن است که دستگاه بخشی از گرمای تبخیر را که در تعریف ارزش حرارتی پایین سوخت گنجانده نشده است، بازیابی می‌کند.

در ایالات متحده و سایر نقاط، از ارزش حرارتی بالا (HHV) استفاده می‌شود که شامل گرمای نهان برای میعان بخار آب است و بنابراین حداکثر ترمودینامیکی بازده ۱۰۰٪ نمی‌تواند تجاوز شود.

 بازده پریز، بازده نوری و اثربخشی 
بندانگشتی|چپ|تابش مطلق چهار گاز مختلف هنگام استفاده در یک فلاش‌تیوب. زنون با اختلاف زیاد کارآمدترین گاز است، اگرچه کریپتون در طول موج خاصی از نور مؤثرتر است.
بندانگشتی|چپ|حساسیت چشم انسان به طول موج‌های مختلف. با فرض اینکه هر طول موج برابر با ۱ وات انرژی تابشی باشد، تنها طول موج مرکزی به عنوان ۶۸۳ کاندلا (۱ وات انرژی نوری) یا ۶۸۳ لومن درک می‌شود. خطوط رنگی عمودی نشان‌دهنده خط ۵۸۹ (زرد) سدیم و لیزرهای محبوب ۵۳۲ نانومتر (سبز)، ۶۷۱ نانومتر (قرمز)، ۴۷۳ نانومتر (آبی) و ۴۰۵ نانومتر (بنفش) هستند.
بندانگشتی|چپ|یک نمودار سانکی که مراحل متعدد اتلاف انرژی بین پریز دیوار و خروجی نور یک لامپ فلورسنت را نشان می‌دهد. بیشترین اتلاف ناشی از جابجایی استوکس است.

در سیستم‌های نوری مانند روشنایی و لیزرها، بازده تبدیل انرژی اغلب به عنوان بازده پریز (Wall-plug efficiency) نامیده می‌شود. بازده پریز معیاری از انرژی تابشی خروجی بر حسب وات (ژول بر ثانیه) به ازای کل انرژی الکتریکی ورودی بر حسب وات است. انرژی خروجی معمولاً بر حسب تابش در مقیاس مطلق اندازه‌گیری می‌شود و بازده پریز به صورت درصدی از کل انرژی ورودی ارائه می‌گردد، که درصد معکوس نشان‌دهنده تلفات است.

 تفاوت بازده پریز، بازده نوری و بهره نوری 
بازده پریز (Wall-plug efficiency) با «بازده نوری» (Luminous efficiency) متفاوت است. بازده پریز تبدیل مستقیم انرژی ورودی به خروجی (مقدار کاری که می‌تواند انجام شود) را توصیف می‌کند، در حالی که بازده نوری حساسیت متغیر چشم انسان به طول موج‌های مختلف (چگونگی توانایی آن در روشن کردن یک فضا) را در نظر می‌گیرد. به جای استفاده از وات، قدرت یک منبع نور برای تولید طول موج‌های متناسب با درک انسان با واحد لومن اندازه‌گیری می‌شود. چشم انسان بیشترین حساسیت را به طول موج ۵۵۵ نانومتر (سبز-زرد) دارد، اما این حساسیت در دو طرف این طول موج به شدت کاهش می‌یابد و از یک تابع گاوسی پیروی می‌کند و در انتهای قرمز و بنفش طیف به صفر می‌رسد.

به همین دلیل، چشم معمولاً تمام طول موج‌های ساطع شده توسط یک منبع نور خاص را نمی‌بیند و همچنین تمام طول موج‌های درون طیف مرئی را به یک اندازه مشاهده نمی‌کند. برای مثال، رنگ‌های زرد و سبز بیش از ۵۰٪ از آنچه چشم به عنوان سفید درک می‌کند را تشکیل می‌دهند، حتی اگر از نظر انرژی تابشی، نور سفید از سهم‌های مساوی همه رنگ‌ها ساخته شده باشد (مثلاً یک لیزر سبز ۵ میلی‌وات روشن‌تر از یک لیزر قرمز ۵ میلی‌وات به نظر می‌رسد، با این حال لیزر قرمز در پس‌زمینه سفید بهتر دیده می‌شود). بنابراین، شدت تابش یک منبع نور ممکن است بسیار بیشتر از شدت روشنایی آن باشد، به این معنی که منبع انرژی بیشتری نسبت به آنچه چشم می‌تواند استفاده کند، ساطع می‌کند. به همین ترتیب، بازده پریز لامپ معمولاً بیشتر از بازده نوری آن است. اثربخشی یک منبع نور برای تبدیل انرژی الکتریکی به طول موج‌های نور مرئی، متناسب با حساسیت چشم انسان، به عنوان بهره نوری (Luminous efficacy) شناخته می‌شود که با واحد لومن بر وات (lm/W) انرژی ورودی الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود.

برخلاف بهره نوری (اثربخشی) که یک یکای اندازه‌گیری است، بازده (Efficiency) یک عدد بدون بُعد است که به صورت درصد بیان می‌شود و تنها نیاز دارد که واحدهای ورودی و خروجی از یک نوع باشند. بنابراین، بازده نوری یک منبع نور، درصد بهره نوری آن نسبت به حداکثر بهره نوری نظری در یک طول موج خاص است. مقدار انرژی حمل شده توسط یک فوتون نور توسط طول موج آن تعیین می‌شود. در لومن، این انرژی با حساسیت چشم به طول موج‌های انتخاب شده تعدیل می‌شود. برای مثال، یک لیزر سبز می‌تواند بیش از ۳۰ برابر روشنایی ظاهری یک لیزر قرمز با همان توان خروجی را داشته باشد. در طول موج ۵۵۵ نانومتر، ۱ وات انرژی تابشی معادل ۶۸۳ لومن است؛ بنابراین یک منبع نور تک‌رنگ در این طول موج با بهره نوری ۶۸۳ لومن بر وات، دارای بازده نوری ۱۰۰٪ خواهد بود. حداکثر بهره نوری نظری برای طول موج‌های دو طرف ۵۵۵ نانومتر کاهش می‌یابد.

محاسبات بازده نوری برای لامپ‌هایی که نور سفید یا ترکیبی از خطوط طیفی تولید می‌کنند، پیچیده‌تر می‌شود. لامپ‌های فلورسنت بازده پریز بالاتری نسبت به لامپ‌های بخار سدیم کم‌فشار دارند، اما بهره نوری آن‌ها تنها حدود ۱۰۰ لومن بر وات است، بنابراین بازده نوری فلورسنت‌ها کمتر از لامپ‌های سدیم است. یک فلاش زنون دارای بازده پریز معمولی ۵۰–۷۰٪ است که از اکثر اشکال دیگر روشنایی فراتر می‌رود. از آنجا که فلاش‌تیوب مقادیر زیادی اشعه فروسرخ و فرابنفش ساطع می‌کند، تنها بخشی از انرژی خروجی توسط چشم استفاده می‌شود. با این حال، همه کاربردهای نورپردازی شامل چشم انسان نیستند و محدود به طول موج‌های مرئی نمی‌شوند. برای پمپاژ لیزری، بهره‌وری مربوط به چشم انسان نیست، بنابراین به آن بهره‌وری "نوری" گفته نمی‌شود، بلکه صرفاً "بهره‌وری" نامیده می‌شود زیرا به خطوط جذب محیط لیزر مربوط است. فلاش‌تیوب‌های کریپتون اغلب برای پمپاژ لیزر Nd:YAG انتخاب می‌شوند، با اینکه بازده پریز آن‌ها معمولاً تنها حدود ۴۰٪ است. خطوط طیفی کریپتون بهتر با خطوط جذب کریستال دوپ‌شده با نئودیمیم مطابقت دارد، بنابراین بهره‌وری کریپتون برای این منظور بسیار بالاتر از زنون است؛ و قادر است تا دو برابر خروجی لیزر برای همان ورودی الکتریکی تولید کند.

به استثنای چند منبع نور مانند لامپ‌های رشته‌ای، اکثر منابع نوری دارای مراحل متعدد تبدیل انرژی بین «پریز دیوار» (نقطه ورودی الکتریکی) و خروجی نهایی نور هستند که هر مرحله باعث اتلاف می‌شود. لامپ‌های سدیم کم‌فشار ابتدا انرژی الکتریکی را با استفاده از یک بالاست الکتریکی تبدیل می‌کنند تا جریان و ولتاژ مناسب را حفظ کنند، اما مقداری انرژی در بالاست از دست می‌رود. به طور مشابه، لامپ‌های فلورسنت نیز الکتریسیته را با استفاده از بالاست تبدیل می‌کنند (بازده الکترونیکی). سپس الکتریسیته توسط قوس الکتریکی به انرژی نور تبدیل می‌شود (بازده الکترود و بازده تخلیه). نور سپس به یک پوشش فلورسنت منتقل می‌شود که تنها طول موج‌های مناسب را جذب می‌کند، با مقداری اتلاف ناشی از بازتاب و عبور از پوشش (بازده انتقال). تعداد فوتون‌های جذب شده توسط پوشش با تعداد فوتون‌های بازنشر شده به عنوان فلورسانس مطابقت نخواهد داشت (بازده کوانتومی). در نهایت، به دلیل پدیده جابجایی استوکس، فوتون‌های بازنشر شده طول موج بلندتری (و در نتیجه انرژی کمتری) نسبت به فوتون‌های جذب شده خواهند داشت. اصطلاحات «بازده پریز» یا «بازده تبدیل انرژی» برای نشان دادن بازده کلی دستگاه تبدیل انرژی با کسر تلفات از هر مرحله استفاده می‌شوند.

 مثال‌هایی از بازده تبدیل انرژی 
 فرایند تبدیل نوع تبدیل بازده انرژیتولید برق توربین گاز شیمیایی به الکتریکی تا ۴۰٪ توربین گاز به همراه توربین بخار (چرخه ترکیبی) شیمیایی به گرمایی + الکتریکی (تولید هم‌زمان) تا ۶۳٫۰۸٪. در دسامبر ۲۰۱۷، جنرال الکتریک مدعی بازده بیش از ۶۴٪ در جدیدترین نیروگاه ۸۲۶ مگاواتی مدل 9HA.02 خود شد. توربین آبی گرانشی به الکتریکی تا ۹۵٪ (عملاً محقق شده) توربین بادی جنبشی به الکتریکی تا ۵۰٪ (برای توربین‌های محور افقی ایزوله)، (حد نظری = ۱۶/۲۷ = ۵۹٪) سلول خورشیدی تابشی به الکتریکی ۶ تا ۴۰٪ (بسته به فناوری، اغلب ۱۵–۲۰٪). حد پشته نامتناهی: ۸۶٫۸٪ متمرکز، ۶۸٫۷٪ غیرمتمرکز. پیل سوختی شیمیایی به گرمایی + الکتریکی بازده انرژی پیل سوختی معمولاً بین ۴۰ تا ۶۰٪ است؛ با این حال، اگر گرمای اتلافی در طرح تولید هم‌زمان استفاده شود، بازده تا ۸۵٪ قابل دستیابی است. میانگین جهانی نیروگاه‌های سوخت فسیلی (۲۰۰۸) شیمیایی به الکتریکی خروجی ناخالص ۳۹٪، خروجی خالص ۳۳٪ذخیره‌سازی برق باتری لیتیم-یون شیمیایی به الکتریکی / برگشت‌پذیر ۸۰–۹۰٪ باتری نیکل–هیدرید فلز شیمیایی به الکتریکی / برگشت‌پذیر ۶۶٪ باتری سربی-اسیدی شیمیایی به الکتریکی / برگشت‌پذیر ۵۰–۹۵٪ نیروگاه تلمبه‌ذخیره‌ای گرانشی به الکتریکی / برگشت‌پذیر ۷۰–۸۵٪موتور موتور احتراق داخلی شیمیایی به جنبشی ۱۰–۵۰٪ موتور الکتریکی الکتریکی به جنبشی ۷۰–۹۹٫۹۹٪ (برای توان > ۲۰۰ وات)؛ ۳۰–۶۰٪ (برای توان < ۱۰ وات) توربوفن شیمیایی به جنبشی ۲۰–۴۰٪فرایندهای طبیعی فتوسنتز تابشی به شیمیایی ۰٫۱٪ (میانگین) تا ۲٪ (بهترین حالت)؛ تا ۶٪ در تئوری (به مقاله بازده فتوسنتز مراجعه کنید) ماهیچه شیمیایی به جنبشی ۱۴–۲۷٪لوازم خانگی یخچال خانگی الکتریکی به گرمایی سیستم‌های پایین‌رده ~ ۲۰٪؛ سیستم‌های پیشرفته ~ ۴۰–۵۰٪ لامپ رشته‌ای الکتریکی به تابشی ~ ۸۰٪ بازده پریز (اما تنها ۰٫۷–۵٫۱٪ بازده نوری) ال‌ئی‌دی (LED) الکتریکی به تابشی ۴٫۲–۵۳٪ (امروزه بسیار بالاتر است) لامپ مهتابی (فلورسنت) الکتریکی به تابشی ۸٫۰–۱۵٫۶٪ لامپ بخار سدیم کم‌فشار الکتریکی به تابشی ۱۵٫۰–۲۹٫۰٪ لامپ متال هالید الکتریکی به تابشی ۹٫۵–۱۷٫۰٪ منبع تغذیه سوئیچینگ الکتریکی به الکتریکی در حال حاضر عملاً تا ۹۶٪ بخاری برقی الکتریکی به گرمایی ~۱۰۰٪ (عملاً تمام انرژی به گرما تبدیل می‌شود)سایر سلاح گرم شیمیایی به جنبشی ~۳۰٪ الکترولیز آب الکتریکی به شیمیایی ۵۰–۷۰٪ (حداکثر نظری ۸۰–۹۴٪)

 جستارهای وابسته 
 هزینه تولید برق
 بهره‌وری انرژی
 انرژی بازگشتی از انرژی سرمایه‌گذاری شده (EROEI)
 بازده اکسرژی
 ضریب شایستگی
 گرمای احتراق
 کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC)
 ماشین حرکت دائمی
 حساسیت (الکترونیک)
 بازده سلول خورشیدی
 ضریب عملکرد (COP)
 منابع 

رده:مهندسی ساختمان
رده:اعداد بدون بعد ترمودینامیک
رده:نگهداری انرژی
رده:تبدیل انرژی
رده:بهره‌وری انرژی