La eficiencia de conversión de energía ( η ) es la relación entre la producción útil de una máquina de conversión de energía y la entrada, en términos de energía . La entrada, así como la salida útil, puede ser química , energía eléctrica , trabajo mecánico , luz (radiación) o calor . El valor resultante, η (eta), oscila entre 0 y 1. [1] [2] [3]
La eficiencia de la conversión de energía depende de la utilidad de la producción. Todo o parte del calor producido al quemar un combustible puede convertirse en calor residual rechazado si, por ejemplo, el trabajo es el resultado deseado de un ciclo termodinámico . El convertidor de energía es un ejemplo de transformación de energía. Por ejemplo, una bombilla pertenece a la categoría de convertidores de energía. Si bien la definición incluye la noción de utilidad, la eficiencia se considera un término técnico o físico . Los términos orientados a metas o misiones incluyen efectividad y eficacia .
Generalmente, la eficiencia de conversión de energía es un número adimensional entre 0 y 1,0, o entre 0% y 100%. Las eficiencias no pueden exceder el 100%, por ejemplo, para una máquina de movimiento perpetuo . Sin embargo, otras medidas de efectividad que pueden exceder 1,0 se utilizan para bombas de calor y otros dispositivos que mueven el calor en lugar de convertirlo.
Cuando se habla de la eficiencia de los motores térmicos y las centrales eléctricas, se debe establecer la convención, es decir, HHV (también conocido como valor calorífico bruto, etc.) o LCV (también conocido como valor calorífico neto), y si la producción bruta (en los terminales del generador) o neta. Se están considerando la producción (en la cerca de la central eléctrica). Los dos están separados pero ambos deben declararse. No hacerlo provoca una confusión infinita.
Los términos relacionados y más específicos incluyen
El cambio de energía de Gibbs de una transformación química definida a una temperatura particular es la cantidad teórica mínima de energía requerida para que ocurra ese cambio (si el cambio de energía de Gibbs entre reactivos y productos es positivo) o la energía teórica máxima que podría obtenerse. de ese cambio (si el cambio en la energía de Gibbs entre reactivos y productos es negativo). La eficiencia energética de un proceso que implica un cambio químico se puede expresar en relación con estos mínimos o máximos teóricos. La diferencia entre el cambio de entalpía y el cambio de energía de Gibbs de una transformación química a una temperatura particular indica el aporte de calor requerido o la eliminación de calor. (enfriamiento) requerido para mantener esa temperatura. [4]
Se puede considerar que una pila de combustible es lo contrario de la electrólisis. Por ejemplo, una pila de combustible ideal que funcione a una temperatura de 25 °C con hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso como entradas y agua líquida como salida podría producir una cantidad máxima teórica de energía eléctrica de 237,129 kJ (0,06587 kWh) por gramo mol (18,0154 gramo) de agua producida y requeriría 48,701 kJ (0,01353 kWh) por gramo mol de agua producido de energía térmica para eliminarse de la celda para mantener esa temperatura. [5]
Una unidad de electrólisis ideal que funcione a una temperatura de 25 °C con agua líquida como entrada e hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso como productos requeriría una entrada mínima teórica de energía eléctrica de 237,129 kJ (0,06587 kWh) por gramo mol (18,0154 gramos) de agua consumida y requeriría que se agreguen 48,701 kJ (0,01353 kWh) por gramo mol de agua consumido de energía térmica a la unidad para mantener esa temperatura. [5] Funcionaría con un voltaje de celda de 1,24 V.
Para una unidad de electrólisis de agua que funcione a una temperatura constante de 25 °C sin el aporte de energía térmica adicional, la energía eléctrica tendría que suministrarse a una velocidad equivalente a la entalpía (calor) de reacción o 285,830 kJ (0,07940 kWh) por gramo mol de agua consumida. [5] Funcionaría con un voltaje de celda de 1,48 V. El aporte de energía eléctrica de esta celda es 1,20 veces mayor que el mínimo teórico por lo que la eficiencia energética es de 0,83 respecto a la celda ideal.
Una unidad de electrólisis de agua que funcione con un voltaje superior a 1,48 V y a una temperatura de 25 °C tendría que eliminarse energía térmica para mantener una temperatura constante y la eficiencia energética sería inferior a 0,83.
La gran diferencia de entropía entre el agua líquida y el hidrógeno gaseoso más el oxígeno gaseoso explica la diferencia significativa entre la energía de reacción de Gibbs y la entalpía (calor) de reacción.
En Europa, el contenido de energía utilizable de un combustible se calcula normalmente utilizando el poder calorífico inferior (LHV) de ese combustible, cuya definición supone que el vapor de agua producido durante la combustión (oxidación) del combustible permanece gaseoso y no se condensa en agua líquida. por lo que el calor latente de vaporización de esa agua no es aprovechable. Usando el LHV, una caldera de condensación puede alcanzar una "eficiencia de calefacción" superior al 100% (esto no viola la primera ley de la termodinámica siempre que se comprenda la convención LHV, pero causa confusión). Esto se debe a que el aparato recupera parte del calor de vaporización , que no está incluido en la definición del poder calorífico inferior de un combustible. [ cita necesaria ] En los EE. UU. y en otros lugares, se utiliza el poder calorífico más alto (HHV), que incluye el calor latente para condensar el vapor de agua y, por lo tanto, no se puede exceder el máximo termodinámico del 100% de eficiencia.
En sistemas ópticos como iluminación y láser , la eficiencia de conversión de energía a menudo se denomina eficiencia de enchufe de pared . La eficiencia del enchufe de pared es la medida de la energía radiativa de salida, en vatios ( julios por segundo), por energía eléctrica de entrada total en vatios. La energía de salida generalmente se mide en términos de irradiancia absoluta y la eficiencia del enchufe de pared se expresa como un porcentaje de la energía total de entrada, representando el porcentaje inverso las pérdidas.
La eficiencia del enchufe de pared se diferencia de la eficiencia luminosa en que la eficiencia del enchufe de pared describe la conversión directa de salida/entrada de energía (la cantidad de trabajo que se puede realizar), mientras que la eficiencia luminosa tiene en cuenta la sensibilidad variable del ojo humano a diferentes longitudes de onda ( qué tan bien puede iluminar un espacio). En lugar de utilizar vatios, la potencia de una fuente de luz para producir longitudes de onda proporcionales a la percepción humana se mide en lúmenes . El ojo humano es más sensible a longitudes de onda de 555 nanómetros (amarillo verdoso), pero la sensibilidad disminuye dramáticamente a ambos lados de esta longitud de onda, siguiendo una curva de potencia gaussiana y cayendo a cero sensibilidad en los extremos rojo y violeta del espectro. Debido a esto, el ojo generalmente no ve todas las longitudes de onda emitidas por una fuente de luz en particular, ni ve todas las longitudes de onda dentro del espectro visual por igual. El amarillo y el verde, por ejemplo, constituyen más del 50% de lo que el ojo percibe como blanco, aunque en términos de energía radiante, la luz blanca se compone de porciones iguales de todos los colores (es decir, un láser verde de 5 mW parece más brillante). que un láser rojo de 5 mW, aunque el láser rojo destaca mejor sobre un fondo blanco). Por tanto, la intensidad radiante de una fuente de luz puede ser mucho mayor que su intensidad luminosa , lo que significa que la fuente emite más energía de la que el ojo puede utilizar. Asimismo, el rendimiento de enchufe de la lámpara suele ser mayor que su rendimiento luminoso. La eficacia de una fuente de luz para convertir energía eléctrica en longitudes de onda de luz visible, en proporción a la sensibilidad del ojo humano, se denomina eficacia luminosa , que se mide en unidades de lúmenes por vatio (lm/w) de entrada eléctrica. -energía.
A diferencia de la eficacia (efectividad), que es una unidad de medida , la eficiencia es un número sin unidades expresado como porcentaje , requiriendo únicamente que las unidades de entrada y salida sean del mismo tipo. La eficiencia luminosa de una fuente de luz es, por tanto, el porcentaje de eficacia luminosa por eficacia máxima teórica en una longitud de onda específica. La cantidad de energía transportada por un fotón de luz está determinada por su longitud de onda. En lúmenes, esta energía se compensa con la sensibilidad del ojo a las longitudes de onda seleccionadas. Por ejemplo, un puntero láser verde puede tener más de 30 veces el brillo aparente de un puntero rojo de la misma potencia. A una longitud de onda de 555 nm, 1 vatio de energía radiante equivale a 683 lúmenes, por lo que una fuente de luz monocromática a esta longitud de onda, con una eficacia luminosa de 683 lm/w, tendría una eficiencia luminosa del 100%. La eficacia teórica máxima disminuye para longitudes de onda a ambos lados de 555 nm. Por ejemplo, las lámparas de sodio de baja presión producen luz monocromática a 589 nm con una eficacia luminosa de 200 lm/w, que es la más alta de cualquier lámpara. La eficacia teórica-máxima a esa longitud de onda es de 525 lm/w, por lo que la lámpara tiene una eficiencia luminosa del 38,1%. Debido a que la lámpara es monocromática, la eficiencia luminosa casi iguala la eficiencia del enchufe de pared de < 40%. [6] [7]
Los cálculos de eficiencia luminosa se vuelven más complejos para las lámparas que producen luz blanca o una mezcla de líneas espectrales. Las lámparas fluorescentes tienen eficiencias de enchufe de pared más altas que las lámparas de sodio de baja presión, pero solo tienen la mitad de la eficacia luminosa de ~ 100 lm/w, por lo que la eficiencia luminosa de las lámparas fluorescentes es menor que la de las lámparas de sodio. Un tubo de flash de xenón tiene una eficiencia típica de enchufe de pared del 50 al 70%, superando la de la mayoría de las otras formas de iluminación. Debido a que el tubo de flash emite grandes cantidades de radiación infrarroja y ultravioleta, el ojo sólo utiliza una parte de la energía emitida. Por lo tanto, la eficacia luminosa suele rondar los 50 lm/w. Sin embargo, no todas las aplicaciones de iluminación involucran al ojo humano ni están restringidas a longitudes de onda visibles. Para el bombeo láser , la eficacia no está relacionada con el ojo humano, por lo que no se llama eficacia "luminosa", sino simplemente "eficacia" en lo que se refiere a las líneas de absorción del medio láser . Los tubos de flash de criptón se eligen a menudo para bombear láseres Nd:YAG , aunque su eficiencia de conexión a la pared suele ser de solo ~ 40%. Las líneas espectrales del criptón coinciden mejor con las líneas de absorción del cristal dopado con neodimio , por lo que la eficacia del criptón para este propósito es mucho mayor que la del xenón ; capaz de producir hasta el doble de salida láser para la misma entrada eléctrica. [8] [9] Todos estos términos se refieren a la cantidad de energía y lúmenes que salen de la fuente de luz, sin tener en cuenta las pérdidas que puedan ocurrir dentro del dispositivo de iluminación o en la óptica de salida posterior. La eficiencia de la luminaria se refiere a la salida total de lúmenes de la luminaria por potencia de la lámpara. [10]
Con la excepción de unas pocas fuentes de luz, como las bombillas incandescentes , la mayoría de las fuentes de luz tienen múltiples etapas de conversión de energía entre el "enchufe de pared" (punto de entrada eléctrica, que puede incluir baterías, cableado directo u otras fuentes) y el terminal final. salida de luz, y cada etapa produce una pérdida. Las lámparas de sodio de baja presión inicialmente convierten la energía eléctrica mediante un balastro eléctrico para mantener la corriente y el voltaje adecuados, pero se pierde algo de energía en el balastro. Del mismo modo, las lámparas fluorescentes también convierten la electricidad mediante un balastro (eficiencia electrónica). Luego, la electricidad se convierte en energía luminosa mediante el arco eléctrico (eficiencia del electrodo y eficiencia de la descarga). Luego, la luz se transfiere a un recubrimiento fluorescente que solo absorbe longitudes de onda adecuadas, con algunas pérdidas de esas longitudes de onda debido a la reflexión y transmisión a través del recubrimiento (eficiencia de transferencia). La cantidad de fotones absorbidos por el recubrimiento no coincidirá con la cantidad que luego se reemite como fluorescencia ( eficiencia cuántica ). Finalmente, debido al fenómeno del desplazamiento de Stokes , los fotones reemitidos tendrán una longitud de onda más larga (por lo tanto, menor energía) que los fotones absorbidos (eficiencia de fluorescencia). De manera muy similar, los láseres también experimentan muchas etapas de conversión entre el enchufe de pared y la apertura de salida . Por lo tanto, los términos "eficiencia del enchufe de pared" o "eficiencia de conversión de energía" se utilizan para indicar la eficiencia general del dispositivo de conversión de energía, deduciendo las pérdidas de cada etapa, aunque esto puede excluir los componentes externos necesarios para operar algunos dispositivos, como bombas de refrigerante. [11] [12]
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