エネルギー変換効率

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比率です。入力と有効出力は、化学物質、電力、機械的な仕事、光（放射線）、熱などです。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、出力の有用性に依存します。たとえば、熱力学サイクルからの望ましい出力が仕事である場合、燃料の燃焼によって生成された熱のすべてまたは一部が廃棄熱になることがあります。エネルギー変換器は、エネルギー変換の一例です。たとえば、電球はエネルギー変換器のカテゴリに分類されます。 定義には有用性の概念が含まれていますが、効率は技術用語または物理用語と見なされます。目標またはミッション指向の用語には、有効性や効力などがあります。 ${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\mathrm {out} }}{P_{\mathrm {in} }}}}$

一般的に、エネルギー変換効率は0 から 1.0、または 0% から 100% の間の無次元数です。効率が 100% を超えると永久機関になってしまいますが、これは不可能です。

ただし、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では、1.0 を超える可能性のある他の有効性の指標が使用されます。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、必要な作業 (エネルギー) に対する提供される有用な加熱または冷却の比率です。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、したがって運用コストが低くなります。COP は通常 1 を超えますが、これはヒートポンプの場合に特に当てはまります。これは、作業を熱に変換するだけでなく (100% の効率であれば COP は 1 になります)、熱源から熱が必要な場所に追加の熱を送り込むためです。ほとんどのエアコンの COP は 2.3 ～ 3.5 です。^[4]

熱機関と発電所の効率について話すときは、慣例を明記する必要があります。つまり、HHV (別名、総発熱量など) または LCV (別名、正味発熱量)、および総出力 (発電機端末) または正味出力 (発電所フェンス) 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 つは別々ですが、両方を明記する必要があります。そうしないと、混乱が絶え間なく発生します。

関連するより具体的な用語としては、

• 電気効率、消費電力あたりの有効電力出力。
• 機械効率、つまり機械的エネルギーの1つの形態（例えば、水の位置エネルギー）が機械的エネルギー（仕事）に変換される。
• 熱効率または燃料効率、消費された燃料などの入力エネルギーあたりの有用な熱および/または仕事 出力。
• 「総合効率」、例えばコジェネレーションの場合、消費される燃料エネルギーあたりの有効な電力と熱出力。熱効率と同じです。
• 発光効率、つまり、放出された電磁放射のうち人間の視覚に利用可能な部分。

特定の温度における特定の化学変化のギブスエネルギーの変化は、その変化を起こすために必要な理論上の最小エネルギー量（反応物と生成物の間のギブス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理論上の最大エネルギー量（反応物と生成物の間のギブスエネルギーの変化が負の場合）である。化学変化を伴うプロセスのエネルギー効率は、これらの理論上の最小値または最大値を基準にして表されることがある。特定の温度における化学変化のエンタルピー変化とギブス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）を示す。^[5]

燃料電池は電気分解の逆と考えることができます。例えば、25℃の温度で作動し、ガス状の水素とガス状の酸素を入力として液体の水を出力とする理想的な燃料電池は、生成される水1グラムモル（18.0154グラム）あたり237.129kJ（0.06587kWh）の理論的な最大電気エネルギーを生成でき、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48.701kJ（0.01353kWh）の熱エネルギーをセルから除去する必要があります。^[6]

25℃の温度で作動し、液体の水を入力として、ガス状の水素とガス状の酸素を生成物とする理想的な電気分解ユニットは、消費される水1グラムモル（18.0154グラム）あたり237.129kJ（0.06587kWh）の理論上の最小入力電気エネルギーを必要とし、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48.701kJ（0.01353kWh）の熱エネルギーをユニットに追加する必要がある。^[6]セル電圧1.24Vで作動する。

25℃の一定温度で追加の熱エネルギーを入力せずに動作する水電解ユニットの場合、反応エンタルピー（熱）に相当する速度、つまり消費される水1グラムモルあたり285.830kJ（0.07940kWh）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1.48Vです。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倍であるため、理想的なセルと比較したエネルギー効率は0.83です。 

1.48 V より高い電圧で 25 °C の温度で動作する水電解ユニットでは、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 未満になります。

液体の水と気体水素および気体酸素の間の大きなエントロピー差は、反応のギブスエネルギーと反応のエンタルピー（熱）の間の大きな差を説明します。

ヨーロッパでは、燃料の使用可能なエネルギー含有量は、通常、その燃料の低位発熱量(LHV) を使用して計算されます。低位発熱量の定義では、燃料の燃焼(酸化)中に生成された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使用できないと想定されています。LHV を使用すると、凝縮ボイラーは100% を超える「加熱効率」を達成できます ( LHV 規則が理解されている限り、これは熱力学の第 1 法則に違反しませんが、混乱を引き起こします)。これは、装置が蒸発熱の一部を回収するためであり、これは燃料の低位発熱量の定義には含まれていません。^[要出典]米国およびその他の地域では、水蒸気を凝縮するための潜熱を含む高位発熱量(HHV) が使用されるため、熱力学的最大値の 100% の効率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コンセント効率と呼ばれます。壁コンセント効率は、ワット単位の総入力電気エネルギーあたりのワット単位の出力放射エネルギー（ジュール/秒）の測定値です。出力エネルギーは通常、絶対 放射照度で測定され、壁コンセント効率は総入力エネルギーのパーセンテージとして表され、その逆パーセンテージは損失を表します。

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（実行できる作業量）を表すのに対し、発光効率は、さまざまな波長に対する人間の目のさまざまな感度（空間をどれだけ明るくできるか）を考慮に入れるという点で、発光効率とは異なります。ワットを使用する代わりに、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、ガウスパワー曲線に従って、スペクトルの赤と紫の端で感度がゼロになります。このため、目は通常、特定の光源から放射されるすべての波長を見ることはなく、可視スペクトル内のすべての波長を均等に見ることもありません。たとえば、黄色と緑は、白色光が放射エネルギーの点ではすべての色の等しい割合から作られているにもかかわらず、目が白色として認識する光の 50% 以上を占めます (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、赤色レーザーは白い背景に対してより目立ちます)。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、これは光源が目が使用できる以上のエネルギーを放射していることを意味します。同様に、ランプの壁プラグ効率は通常、光効率よりも高くなります。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有効性は、発光効率と呼ばれ、電気入力エネルギーのワットあたりのルーメン (lm/w) 単位で測定されます。

測定単位である有効性（有効性）とは異なり、効率はパーセンテージで表される単位のない数値であり、入力単位と出力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、光源の発光効率は、特定の波長での理論上の最大効率に対する発光効率のパーセンテージです。光子によって運ばれるエネルギー量は、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の見かけの明るさの 30 倍以上になることがあります。波長 555 nm では、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、この波長での発光効率が 683 lm/w の単色光源の発光効率は 100% になります。理論上の最大効率は、555 nm の両側の波長では低下します。例えば、低圧ナトリウムランプは589 nmの単色光を発し、その発光効率は200 lm/wで、これはどのランプよりも高い。この波長での理論上の最大効率は525 lm/wなので、ランプの発光効率は38.1%となる。ランプは単色なので、発光効率は壁コンセントの効率である40%未満とほぼ一致する。^{[7] [8]}

白色光または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高い壁コンセント効率を持っていますが、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 チューブの標準的な壁コンセント効率は 50～70% で、他のほとんどの照明形式を上回っています。フラッシュ チューブは大量の赤外線と紫外線を放射するため、出力エネルギーの一部だけが目に使用されます。したがって、発光効率は通常約 50 lm/w です。ただし、照明のすべての用途が人間の目に関係するわけではなく、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、効率は人間の目には関係がないため、「発光」効率とは呼ばれず、レーザー媒体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 レーザーのポンピングによく選ばれます。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りよく一致するため、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み出すことができます。^{[9] [10]}これらの用語はすべて、光源から出るエネルギーとルーメンの量を指し、照明器具内または後続の出力光学系内で発生する可能性のある損失は考慮しません。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]

白熱電球などのいくつかの光源を除いて、ほとんどの光源は、「壁のコンセント」（電池、直接配線、またはその他のソースを含む電気入力ポイント）と最終的な光出力の間で複数の段階のエネルギー変換があり、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、最初に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、一部のエネルギーはバラストで失われます。同様に、蛍光ランプもバラストを使用して電気を変換します（電子効率）。次に、電気は電気アークによって光エネルギーに変換されます（電極効率と放電効率）。次に、光は適切な波長のみを吸収する蛍光コーティングに転送され、コーティングでの反射と透過によりそれらの波長の一部が失われます（転送効率）。コーティングによって吸収された光子の数は、蛍光として再放射される数と一致しません（量子効率）。最後に、ストークスシフトの現象により、再放出された光子は吸収された光子（蛍光効率）よりも長い波長（したがってエネルギーが低い）になります。非常によく似た方法で、レーザーも壁コンセントと出力開口部の間で多くの変換段階を経ます。したがって、「壁コンセント効率」または「エネルギー変換効率」という用語は、各段階から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、一部のデバイスを動作させるため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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