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エネルギー変換効率（η）は、エネルギー変換機械の有効出力と入力のエネルギー比です。入力と有効出力は、化学エネルギー、電力、機械的仕事、光（放射）、または熱である場合があります。結果として得られる値η（イータ）は、0から1の範囲です。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
エネルギー変換効率は、出力の有用性によって左右されます。例えば、熱力学サイクルにおいて仕事が望ましい出力である場合、燃料の燃焼によって発生する熱の全部または一部が、廃棄熱として放出される可能性があります。エネルギー変換器は、エネルギー変換の一例です。例えば、電球はエネルギー変換器に分類されます。 定義には有用性という概念が含まれるものの、効率性は技術的または物理的な用語とみなされる。目標や使命指向的な用語としては、有効性や効力などが挙げられる。
一般的に、エネルギー変換効率は0から1.0、つまり0%から100%までの無次元数です。効率は100%を超えることはできません。100%を超えると永久機関が実現してしまうため、それは不可能です。
しかし、1.0を超える可能性のある他の有効性指標は、冷蔵庫、ヒートポンプ、および熱を変換するのではなく移動するその他のデバイスに使用されます。これは効率ではなく、成績係数、またはCOPと呼ばれます。これは、必要な仕事（エネルギー）に対する、提供される有効な暖房または冷房の比率です。COPが高いほど、効率が高く、エネルギー（電力）消費が少なくなり、したがって運転コストが低くなります。COPは通常1を超えます。特にヒートポンプでは、仕事を熱に変換するだけ（効率が100%であればCOPは1になります）ではなく、熱源から熱が必要な場所に余分な熱をポンプで送ります。ほとんどのエアコンのCOPは2.3から3.5です。[ 4 ]
熱機関や発電所の効率について議論する際には、その用語（HHV（総発熱量など）またはLCV（正味発熱量））と、総出力（発電機端子）または正味出力（発電所の敷地境界）のどちらを考慮しているかを明記する必要があります。この2つは別個のものですが、両方とも明記しなければなりません。そうしないと、混乱を招くことになります。
関連する、より具体的な用語には以下が含まれます。
特定の温度における特定の化学変換のギブズエネルギーの変化は、その変化を起こすために必要な最小理論エネルギー量（反応物と生成物の間のギブズエネルギーの変化が正の場合）または、その変化から得られる可能性のある最大理論エネルギー量（反応物と生成物の間のギブズエネルギーの変化が負の場合）です。化学変化を伴うプロセスのエネルギー効率は、これらの理論的な最小値または最大値に対して相対的に表すことができます。特定の温度における化学変換のエンタルピー変化とギブズエネルギー変化の差は、その温度を維持するために必要な熱入力または熱除去（冷却）を示します。[ 5 ]
燃料電池は電気分解の逆であると考えることができる。例えば、25 °C の温度で動作する理想的な燃料電池は、入力として気体水素と気体酸素、出力として液体水を持ち、生成される水 1 グラム モル (18.0154 グラム) あたり理論上の最大電気エネルギー 237.129 kJ (0.06587 kWh) を生成でき、その温度を維持するために、生成される水 1 グラム モルあたり 48.701 kJ (0.01353 kWh) の熱エネルギーをセルから除去する必要がある。[ 6 ]
液体水を入力とし、気体水素と気体酸素を生成物とする、 25 °C の温度で動作する理想的な電気分解装置 では、消費される水 1 グラム モル (18.0154 グラム) あたり、理論上の最小電気エネルギー入力として 237.129 kJ (0.06587 kWh) が必要となり、その温度を維持するために、消費される水 1 グラム モルあたり 48.701 kJ (0.01353 kWh) の熱エネルギーを装置に追加する必要がある。[ 6 ]セル電圧は 1.24 V で動作する。
追加の熱エネルギーを投入せずに25℃の一定温度で動作する水の電気分解装置の場合、消費される水のグラムモルあたり、反応のエンタルピー（熱）に相当する速度、つまり285.830 kJ（0.07940 kWh）の電気エネルギーを供給する必要があります。 [ 6 ]セル電圧は1.48 Vになります。 このセルの電気エネルギー入力は理論上の最小値の1.20倍なので、エネルギー効率は理想的なセルと比較して0.83です。
1.48Vより高い電圧で25℃の温度で動作する水の電気分解装置は、 一定の温度を維持するために熱エネルギーを除去する必要があり、エネルギー効率は0.83未満になる。
液体水と気体水素＋気体酸素との間の大きなエントロピー差が、反応のギブズエネルギーと反応のエンタルピー（熱）との間の大きな差の原因となっている。
ヨーロッパでは、燃料の有効エネルギー量は通常、その燃料の低位発熱量（LHV）を用いて計算されます。この定義では、燃料の燃焼（酸化）中に発生する水蒸気は気体のままであり、液体の水に凝縮されないため、その水の蒸発潜熱は利用できないと想定されています。LHVを用いると、凝縮ボイラーは100%を超える「加熱効率」を達成できます（LHVの慣習が理解されている限り、これは熱力学第一法則に違反しませんが、混乱を招きます）。これは、装置が蒸発熱の一部を回収するためであり、この蒸発熱は燃料の低位発熱量の定義には含まれていません。米国やその他の地域では、高位発熱量（HHV）が用いられます。高位発熱量には水蒸気の凝縮潜熱が含まれるため、熱力学的に最大効率である100%を超えることはできません。
照明やレーザーなどの光学システムでは、エネルギー変換効率はしばしば「壁面プラグ効率」と呼ばれます。壁面プラグ効率とは、ワット（毎秒ジュール）で表される出力放射エネルギーを、ワット単位の総入力電気エネルギーで割った値です。出力エネルギーは通常、絶対放射照度で測定され、壁面プラグ効率は総入力エネルギーに対する割合（パーセント）で表されます。この割合の逆数は損失を表します。
壁コンセント効率は、光効率とは異なります。壁コンセント効率はエネルギーの直接的な出力/入力変換（実行可能な仕事量）を表すのに対し、光効率は人間の目のさまざまな波長に対する感度（空間をどれだけ明るく照らすことができるか）を考慮に入れています。ワットの代わりに、人間の知覚に比例する波長を生成する光源のパワーはルーメンで測定されます。人間の目は555ナノメートル（緑がかった黄色）の波長に最も敏感ですが、この波長の両側では感度が劇的に低下し、ガウスのべき乗曲線に従い、スペクトルの赤と紫の端では感度がゼロになります。このため、目は通常、特定の光源から放出されるすべての波長を認識できるわけではなく、可視スペクトル内のすべての波長を均等に認識できるわけでもありません。例えば、黄色と緑色は、人間の目が白として認識するものの 50% 以上を占めていますが、放射エネルギーの観点から見ると、白色光はすべての色が均等に混ざり合ってできています (つまり、5 mW の緑色レーザーは 5 mW の赤色レーザーよりも明るく見えますが、白い背景に対しては赤色レーザーの方が目立ちます)。したがって、光源の放射強度は光度よりもはるかに大きい場合があり、これは光源が人間の目が利用できるエネルギーよりも多くのエネルギーを放出していることを意味します。同様に、ランプのコンセント効率は通常、光効率よりも大きくなります。人間の目の感度に比例して、電気エネルギーを可視光の波長に変換する光源の効率は、光効率と呼ばれ、電気入力エネルギーのワットあたりのルーメン (lm/w) の単位で測定されます。
測定単位である有効性（効果）とは異なり、効率はパーセンテージで表される無次元数であり、入力と出力の単位が同じタイプであることのみが必要です。したがって、光源の光効率は、特定の波長における理論上の最大効率に対する光効率のパーセンテージです。光子が運ぶエネルギー量は、その波長によって決まります。ルーメンでは、このエネルギーは選択された波長に対する目の感度によって相殺されます。たとえば、緑色のレーザーポインターは、同じ出力の赤色のポインターよりも30倍以上明るく見えることがあります。波長が555 nmの場合、1ワットの放射エネルギーは683ルーメンに相当するため、この波長で光効率が683 lm/wの単色光源は、光効率が100%になります。理論上の最大効率は、555 nmの両側の波長で低下します。例えば、低圧ナトリウムランプは、 589 nm の単色光を 200 lm/w の発光効率で生成します。これは、あらゆるランプの中で最も高い値です。この波長での理論上の最大効率は 525 lm/w なので、このランプの発光効率は 38.1% です。このランプは単色光であるため、発光効率は壁コンセントの効率 < 40% とほぼ一致します。[ 7 ] [ 8 ]
白色光やスペクトル線の混合を生成するランプの場合、発光効率の計算はより複雑になります。蛍光灯は低圧ナトリウムランプよりも壁コンセント効率が高いですが、発光効率は約 100 lm/w の半分しかないため、蛍光灯の発光効率はナトリウムランプよりも低くなります。キセノンフラッシュチューブは、一般的な壁コンセント効率が 50～70% で、他のほとんどの照明よりも優れています。フラッシュチューブは大量の赤外線と紫外線を放出するため、出力エネルギーの一部のみが目に利用されます。したがって、発光効率は通常 50 lm/w 程度です。ただし、照明のすべての用途が人間の目に関わるわけではなく、可視波長に限定されるわけでもありません。レーザーポンピングの場合、効率は人間の目とは関係がないため、「発光」効率とは呼ばれず、レーザー媒質の吸収線に関連するため、単に「効率」と呼ばれます。クリプトンフラッシュチューブは、壁コンセント効率が通常約 40% しかないにもかかわらず、Nd:YAG レーザーの励起によく選ばれます。クリプトンのスペクトル線はネオジム添加結晶の吸収線とよく一致するため、この目的におけるクリプトンの効率はキセノンよりもはるかに高く、同じ電気入力で最大 2 倍のレーザー出力を生成できます。[ 9 ] [ 10 ]これらの用語はすべて、照明器具または後続の出力光学系で発生する可能性のある損失を無視して、光源から出るエネルギーとルーメンの量を指します。照明器具効率は、ランプ出力あたりの器具からの総ルーメン出力を指します。[ 11 ]
白熱電球などの一部の光源を除き、ほとんどの光源は「壁のプラグ」（電池、直接配線、その他の電源を含む電気入力ポイント）から最終的な光出力までの間に複数のエネルギー変換段階があり、各段階で損失が発生します。低圧ナトリウムランプは、適切な電流と電圧を維持するために、まず電気バラストを使用して電気エネルギーを変換しますが、バラストでエネルギーの一部が失われます。同様に、蛍光灯もバラストを使用して電気を変換します（電子効率）。次に、電気アークによって電気が光エネルギーに変換されます（電極効率と放電効率）。その後、光は適切な波長のみを吸収する蛍光コーティングに伝達されますが、コーティングでの反射と透過により、これらの波長の一部が失われます（伝達効率）。コーティングによって吸収される光子の数は、蛍光として再放出される光子の数と一致しません（量子効率）。最後に、ストークスシフト現象により、再放出される光子は吸収される光子よりも波長が長くなり（したがってエネルギーが低くなる）、蛍光効率が高くなります。同様に、レーザーも壁プラグから出力開口部までの間に多くの変換段階を経ます。そのため、「壁プラグ効率」または「エネルギー変換効率」という用語は、各段階の損失を差し引いたエネルギー変換デバイスの全体的な効率を表すために使用されますが、冷却ポンプなど、一部のデバイスの動作に必要な外部コンポーネントは除外される場合があります。[ 12 ] [ 13 ]
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