المحرك الحراري. كفاءة المحرك الحراري. مبدأ تشغيل المحركات الحرارية. معامل الأداء (الكفاءة) للمحركات الحرارية
تاريخ النشر 28/01/2013 13:48
لا يتم تنفيذ أي إجراء بدون خسائر - فهي موجودة دائمًا. النتيجة التي يتم الحصول عليها تكون دائمًا أقل من الجهد الذي يجب بذله لتحقيقها. يشير معامل الأداء (الكفاءة) إلى حجم الخسائر عند أداء العمل.
ما هو مخفي وراء هذا الاختصار؟ وهو في الأساس عامل كفاءة الآلية أو مؤشر للاستخدام الرشيد للطاقة. لا تحتوي قيمة الكفاءة على أي وحدات قياس، ويتم التعبير عنها كنسبة مئوية. يتم تحديد هذا المعامل على أنه نسبة العمل المفيد للجهاز إلى العمل المنفق على تشغيله. لحساب الكفاءة، ستبدو صيغة الحساب كما يلي:
الكفاءة = 100* (العمل المفيد المنجز/العمل المنفق)
تستخدم الأجهزة المختلفة قيمًا مختلفة لحساب هذه النسبة. بالنسبة للمحركات الكهربائية، ستبدو الكفاءة كنسبة العمل المفيد المنجز إلى الطاقة الكهربائية الواردة من الشبكة. بالنسبة للمحركات الحرارية، سيتم تعريف عامل الكفاءة على أنه نسبة العمل المفيد المنجز إلى كمية الحرارة المستهلكة.
لتحديد الكفاءة، من الضروري أن يتم التعبير عن جميع أنواع الطاقة والشغل المختلفة في نفس الوحدات. ومن ثم سيكون من الممكن مقارنة أي كائنات، مثل محطات الطاقة النووية ومولدات الكهرباء والأشياء البيولوجية، من حيث الكفاءة.
وكما سبق أن أشرنا، ونظراً للخسائر الحتمية أثناء تشغيل الآليات، يكون عامل الكفاءة دائماً أقل من 1. وبذلك تصل كفاءة المحطات الحرارية إلى 90%، وكفاءة محركات الاحتراق الداخلي أقل من 30%، وكفاءة محطات الاحتراق الداخلي أقل من 30%. محول كهربائي 98%. يمكن تطبيق مفهوم الكفاءة على الآلية ككل وعلى مكوناتها الفردية. في التقييم العام لكفاءة الآلية ككل (كفاءتها)، يتم أخذ منتج كفاءة المكونات الفردية لهذا الجهاز.
مشكلة الاستخدام الفعال للوقود لم تظهر اليوم. ومع الارتفاع المستمر في تكلفة موارد الطاقة، تتحول مسألة زيادة كفاءة الآليات من مسألة نظرية بحتة إلى مسألة عملية. إذا كانت كفاءة السيارة العادية لا تتجاوز 30%، فإننا ببساطة نتخلص من 70% من الأموال التي ننفقها على تزويد السيارة بالوقود.
يوضح النظر في كفاءة محرك الاحتراق الداخلي (ICE) أن الخسائر تحدث في جميع مراحل تشغيله. وبالتالي، يتم حرق 75٪ فقط من الوقود الوارد في أسطوانات المحرك، ويتم إطلاق 25٪ في الغلاف الجوي. من بين جميع الوقود المحترق، يتم استخدام 30-35% فقط من الحرارة المنبعثة لأداء عمل مفيد، أما بقية الحرارة فتفقد في غازات العادم أو تبقى في نظام تبريد السيارة. من الطاقة المستلمة، يتم استخدام حوالي 80٪ للعمل المفيد، ويتم إنفاق بقية القوة على التغلب على قوى الاحتكاك وتستخدم بواسطة الآليات المساعدة للسيارة.
وحتى مع مثل هذا المثال البسيط، فإن تحليل كفاءة الآلية يسمح لنا بتحديد الاتجاهات التي ينبغي أن يتم بها العمل لتقليل الخسائر. وبالتالي، فإن أحد المجالات ذات الأولوية هو ضمان الاحتراق الكامل للوقود. يتم تحقيق ذلك من خلال الانحلال الإضافي للوقود وزيادة الضغط، ولهذا السبب أصبحت المحركات ذات الحقن المباشر والشحن التوربيني شائعة جدًا. تُستخدم الحرارة المستخرجة من المحرك لتسخين الوقود من أجل تبخر أفضل، ويتم تقليل الخسائر الميكانيكية من خلال استخدام الدرجات الحديثة من الزيوت الاصطناعية.
World of Tanks هي لعبة كمبيوتر اجتاحت العالم كله. يلعبها لاعبون من جميع أنحاء العالم. إن لعب محاكاة الدبابات يبقي الكثير من الناس مستيقظين أثناء الليل. بعد مرور بعض الوقت على بدء اللعبة، يصبح اللاعب مهتمًا بمدى نجاحه في إنجازاته. الكفاءة سوف تساعد على القيام بذلك. يتساءل العديد من اللاعبين الجدد عن الكفاءة في عالم الدبابات.
ما هي الكفاءة؟
حرفيًا، يشير اختصار الكفاءة إلى معامل الكفاءة. بمعنى آخر، يشير هذا المؤشر إلى مدى فائدة اللاعب لفريقه، وكذلك مدى جودة مهاراته في المعركة.
يتم حساب الكفاءة على أساس البيانات الإحصائية. عند حساب الكفاءة، فإنه يأخذ في الاعتبار عدد الانتصارات والهزائم، والاستيلاء على قاعدة العدو وإسقاط قاعدة الحلفاء، والكشف عن المعارضين وتدميرهم. بالإضافة إلى ذلك، يتأثر مستوى الكفاءة بأسلوب اللاعب. من الأسهل زيادة هذا المؤشر على المركبات عالية المستوى.
لماذا هناك حاجة إلى الكفاءة؟
يفكر المبتدئون أيضًا في سبب الحاجة إلى كفاءة World of Tanks. كل شيء بسيط جدا. هناك تفسيران. الشيء الرئيسي هو أنه بما أن الكفاءة تعكس المهارات والقدرات في المعركة، فمن المؤكد أنهم ينتبهون إليها عند الانضمام إلى العشيرة. من الصعب الانضمام إلى عشيرة جيدة إذا كان هذا المؤشر منخفضًا.
بالإضافة إلى ذلك، تمنح الكفاءة العديد من اللاعبين حافزًا إضافيًا. بعد كل شيء، تريد أن تكون الأفضل بين الآخرين. ونتيجة لذلك، يسعى اللاعب إلى تحسين إحصائياته وكفاءته. زيادة هذا المؤشر سوف ترضي غرور أي لاعب.
كيف تعرف كفاءتك؟
في اللعبة، يمكن اعتبار الكفاءة بمثابة تصنيف شخصي. لكن اللاعبين ذوي الخبرة يزعمون أن حساب عامل الكفاءة داخل اللعبة يتم وفقًا لخوارزمية غير عادلة، ونتيجة لذلك لا تذهب الغارات دائمًا إلى الفائزين. وهذا يعني أن اللاعب يمكن أن يؤدي أداءً جيدًا في المعركة، ولكن في نفس الوقت يزيد من كفاءته بشكل طفيف جدًا.
لمعرفة مدى فائدة اللاعب حقًا لفريقه والمهارات التي يتمتع بها، يتم النظر في الكفاءة من خلال موارد خاصة عبر الإنترنت. للتحقق من المؤشر الشخصي الخاص بك، ما عليك سوى إدخال لقبك والنقر على الزر "تحديد" أو "تنزيل البيانات". أشهر المواقع التي يمكنك من خلالها مشاهدة الكفاءة في عالم الدبابات هي:
- wot-news.com؛
- wot-game.com;
- wot-noobs.ru.
يأتي "Olenemeter" للإنقاذ
مباشرة في اللعبة، يتم تحديد كفاءة اللاعبين من خلال "Olenometer". هذا تعديل خاص تم تثبيته في اللعبة. حصلت على اسمها لأنها تساعد في تحديد خبرة الخصم واكتشاف "الغزلان" أي اللاعبين عديمي الخبرة.
يسلط الوضع الضوء على جميع اللاعبين بلون معين اعتمادًا على إحصائياتهم ومهاراتهم. اللاعبون الحمر لا يعرفون كيف يلعبون على الإطلاق، واللاعبون البرتقاليون أفضل قليلاً من الأولين. اللاعبون ذوو اللون الأصفر يعتبرون متوسطين، واللاعبون ذوو اللون الأخضر يعتبرون جيدين. يتم تسليط الضوء على الحرفيين من الدرجة العالية باللون الأزرق، ويتم تسليط الضوء على اللاعبين الفريدين باللون الأرجواني.
لكن "Olenometer" غالبا ما يكون مخطئا، لذلك عندما ترى فريق العدو، حيث يتم تمييز غالبية اللاعبين باللون الأحمر، يجب ألا تسترخي، لأنه في هذه الحالة يكون خطر الهزيمة مرتفعا للغاية. بالمناسبة، إذا فاتتك ألعاب جيدة عبر الإنترنت، فتأكد من المجيء إلى هنا، ستجد في هذا الموقع الكثير من الترفيه الافتراضي المثير للاهتمام. في بعض الأحيان يكون من المفيد أخذ استراحة من "الدبابات".
كيفية زيادة الكفاءة في عالم الدبابات؟
بمجرد العثور على إجابة السؤال "ما هي الكفاءة في عالم الدبابات؟"، يفكر العديد من اللاعبين في كيفية زيادة هذا المؤشر المهم. الإستراتيجية هنا بسيطة للغاية: تحتاج إلى الحصول على نقاط الالتقاط، وكسر أسر العدو، وتدمير الأعداء ومساعدة فريقك وحلفائك بكل الطرق الممكنة، ولكن في نفس الوقت البقاء على قيد الحياة حتى نهاية المعركة. بالإضافة إلى ذلك، لتحسين الكفاءة، يجب عليك اختيار تقنية لا تقل عن المستوى 8، أو الأفضل من ذلك، أعلى من ذلك.
ربما تساءل الجميع عن كفاءة (معامل الكفاءة) لمحرك الاحتراق الداخلي. بعد كل شيء، كلما ارتفع هذا المؤشر، كلما زادت كفاءة وحدة الطاقة. يعتبر النوع الأكثر كفاءة في الوقت الحالي هو النوع الكهربائي، حيث يمكن أن تصل كفاءته إلى 90 - 95٪، ولكن بالنسبة لمحركات الاحتراق الداخلي، سواء كانت ديزل أو بنزين، فهي، بعبارة ملطفة، بعيدة عن المثالية. ..
لنكون صادقين، تعد خيارات المحركات الحديثة أكثر كفاءة بكثير من نظيراتها التي تم إصدارها قبل 10 سنوات، وهناك أسباب عديدة لذلك. فكر بنفسك من قبل، النسخة 1.6 لتر أنتجت 60 - 70 حصان فقط. والآن يمكن أن تصل هذه القيمة إلى 130 - 150 حصان. وهذا عمل شاق لزيادة الكفاءة، حيث يتم تنفيذ كل "خطوة" عن طريق التجربة والخطأ. ومع ذلك، لنبدأ بالتعريف.
- هذه هي قيمة نسبة الكميتين، الطاقة التي يزود بها العمود المرفقي للمحرك إلى الطاقة التي يتلقاها المكبس، نتيجة لضغط الغازات التي تكونت نتيجة إشعال الوقود.
بعبارات بسيطة، هذا هو تحويل الطاقة الحرارية أو الحرارية التي تظهر أثناء احتراق خليط الوقود (الهواء والبنزين) إلى طاقة ميكانيكية. تجدر الإشارة إلى أن هذا قد حدث بالفعل، على سبيل المثال، مع محطات توليد الطاقة البخارية - كما دفع الوقود مكابس الوحدات تحت تأثير درجة الحرارة. ومع ذلك، كانت المنشآت هناك أكبر بعدة مرات، وكان الوقود نفسه صلبًا (عادةً الفحم أو الحطب)، مما جعل من الصعب نقله وتشغيله، وكان من الضروري دائمًا "إطعامه" في الفرن بالمجارف. تعد محركات الاحتراق الداخلي أكثر إحكاما وأخف وزنا من المحركات "البخارية"، كما أن تخزين الوقود ونقله أسهل بكثير.
المزيد عن الخسائر
وبالنظر إلى المستقبل، يمكننا أن نقول بثقة أن كفاءة محرك البنزين تتراوح من 20 إلى 25٪. وهناك أسباب كثيرة لذلك. إذا أخذنا الوقود الوارد وقمنا بتحويله إلى نسب مئوية، فيبدو أننا حصلنا على "100٪ من الطاقة" التي يتم نقلها إلى المحرك، ومن ثم هناك خسائر:
1)كفاءة الوقود . لا يتم حرق كل الوقود، جزء صغير منه يذهب مع غازات العادم، عند هذا المستوى نفقد بالفعل ما يصل إلى 25٪ من الكفاءة. بالطبع، تتحسن أنظمة الوقود الآن، وقد ظهر الحاقن، لكنه بعيد عن المثالية.
2) والثاني هو الخسائر الحراريةو . يقوم المحرك بتدفئة نفسه والعديد من العناصر الأخرى، مثل المشعاعات وجسمه والسائل الذي يدور فيه. كما أن بعض الحرارة تغادر مع غازات العادم. كل هذا يؤدي إلى فقدان ما يصل إلى 35٪ من الكفاءة.
3) والثالث هو الخسائر الميكانيكية . على جميع أنواع المكابس وقضبان التوصيل والحلقات - في جميع الأماكن التي يوجد بها احتكاك. يمكن أن يشمل ذلك أيضًا الخسائر الناجمة عن حمل المولد، على سبيل المثال، كلما زاد توليد الكهرباء من المولد، زاد تباطؤ دوران العمود المرفقي. بالطبع، حققت مواد التشحيم أيضا تقدما، ولكن مرة أخرى، لم يتمكن أحد من التغلب على الاحتكاك بالكامل - لا تزال الخسائر 20٪.
وبالتالي فإن خلاصة القول هي أن الكفاءة تبلغ حوالي 20٪! وبطبيعة الحال، من بين خيارات البنزين هناك خيارات بارزة يتم فيها زيادة هذا الرقم إلى 25٪، ولكن ليس هناك الكثير منها.
أي إذا كانت سيارتك تستهلك وقود 10 لتر لكل 100 كيلومتر، فإن 2 لتر منها فقط سيذهب للعمل مباشرة، والباقي خسائر!
بالطبع يمكنك زيادة القوة، على سبيل المثال، عن طريق مملة الرأس، ومشاهدة مقطع فيديو قصير.
إذا كنت تتذكر الصيغة، اتضح:
أي محرك لديه أعلى كفاءة؟
الآن أريد أن أتحدث عن خيارات البنزين والديزل، ومعرفة أي منها هو الأكثر كفاءة.
لتوضيح الأمر بلغة بسيطة ودون الدخول في أعشاب المصطلحات الفنية، إذا قارنت بين عاملي الكفاءة، فإن الأكثر كفاءة منهما بالطبع هو الديزل، وإليكم السبب:
1) يحول محرك البنزين 25% فقط من الطاقة إلى طاقة ميكانيكية، بينما يحول محرك الديزل حوالي 40%.
2) إذا قمت بتجهيز نوع الديزل بشاحن توربيني، يمكنك تحقيق كفاءة بنسبة 50-53%، وهذا أمر مهم للغاية.
فلماذا هو فعال جدا؟ الأمر بسيط - على الرغم من نوع العمل المماثل (كلاهما وحدات احتراق داخلي)، فإن الديزل يقوم بعمله بشكل أكثر كفاءة. لديه ضغط أكبر، ويشتعل الوقود باستخدام مبدأ مختلف. تسخن بشكل أقل، مما يعني توفيرًا في التبريد، ولديها عدد أقل من الصمامات (توفير الاحتكاك)، كما أنها لا تحتوي على ملفات الإشعال وشمعات الإشعال المعتادة، مما يعني أنها لا تتطلب تكاليف طاقة إضافية من المولد . إنه يعمل بسرعات أقل، ليست هناك حاجة لتدوير العمود المرفقي بشكل محموم - كل هذا يجعل نسخة الديزل بطلة من حيث الكفاءة.
حول كفاءة وقود الديزل
من قيمة الكفاءة الأعلى، تتبع كفاءة استهلاك الوقود. لذلك، على سبيل المثال، يمكن لمحرك سعة 1.6 لتر أن يستهلك 3-5 لترات فقط في المدينة، على عكس نوع البنزين، حيث يبلغ الاستهلاك 7-12 لترًا. يعتبر الديزل أكثر كفاءة، والمحرك نفسه غالبًا ما يكون أكثر إحكاما وأخف وزنا، كما أصبح مؤخرًا أكثر صداقة للبيئة. كل هذه الجوانب الإيجابية تتحقق بفضل القيمة الأكبر، هناك علاقة مباشرة بين الكفاءة والضغط، انظر اللوحة الصغيرة.
ولكن على الرغم من كل المزايا، إلا أن له أيضًا عيوبًا كثيرة.
كما أصبح واضحًا، فإن كفاءة محرك الاحتراق الداخلي بعيدة كل البعد عن المثالية، لذا من الواضح أن المستقبل ينتمي إلى الخيارات الكهربائية - كل ما تبقى هو العثور على بطاريات فعالة لا تخاف من الصقيع وتحتفظ بالشحن لفترة طويلة.
الكفاءة، حسب التعريف، هي نسبة الطاقة الواردة إلى الطاقة المستهلكة. إذا كان المحرك يحرق البنزين ويتم تحويل ثلث الحرارة الناتجة فقط إلى طاقة دفع للمركبة، فإن الكفاءة تبلغ الثلث أو (تقريبًا إلى أقرب عدد صحيح) 33%. إذا كان المصباح الكهربائي ينتج طاقة ضوئية أقل بخمسين مرة من الطاقة الكهربائية المستهلكة، فإن كفاءته تكون 1/50 أو 2%. ومع ذلك، فإن السؤال الذي يطرح نفسه على الفور: ماذا لو تم بيع المصباح الكهربائي كسخان يعمل بالأشعة تحت الحمراء؟ بعد حظر بيع المصابيح المتوهجة، بدأ بيع الأجهزة التي لها نفس التصميم تمامًا على أنها "سخانات تعمل بالأشعة تحت الحمراء"، حيث يتم تحويل أكثر من 95٪ من الكهرباء إلى حرارة.
(غير) الدفء المفيد
عادة، يتم تسجيل الحرارة المتولدة أثناء تشغيل شيء ما كخسائر. لكن هذا ليس مؤكدا على الإطلاق. على سبيل المثال، تقوم محطة توليد الكهرباء بتحويل حوالي ثلث الحرارة المنبعثة أثناء احتراق الغاز أو الفحم إلى كهرباء، ولكن يمكن استخدام جزء آخر من الطاقة لتسخين المياه. إذا تم تضمين إمدادات الماء الساخن والبطاريات الدافئة أيضًا في النتائج المفيدة لعملية CHP، فستزيد الكفاءة بنسبة 10-15%.
مثال مشابه هو "موقد" السيارة: فهو ينقل جزءًا من الحرارة المتولدة أثناء تشغيل المحرك إلى الداخل. يمكن أن تكون هذه الحرارة مفيدة وضرورية، أو يمكن اعتبارها خسارة: ولهذا السبب، لا تظهر عادةً في حسابات كفاءة محرك السيارة.
الأجهزة مثل المضخات الحرارية تقف منفصلة. إن كفاءتها، إذا حسبناها بنسبة الحرارة الموردة والكهرباء المستهلكة، تزيد عن 100٪، لكن هذا لا يدحض أساسيات الديناميكا الحرارية. تضخ المضخة الحرارية الحرارة من جسم أقل تسخينًا إلى جسم أكثر سخونة وتنفق الطاقة على ذلك، لأنه بدون إنفاق الطاقة، فإن إعادة توزيع الحرارة هذه محظورة بواسطة نفس الديناميكا الحرارية. إذا أخذت مضخة حرارية كيلووات من المخرج وأنتجت خمسة كيلووات من الحرارة، فسيتم أخذ أربعة كيلووات من الهواء أو الماء أو التربة خارج المنزل. سوف تبرد البيئة في المكان الذي يسحب فيه الجهاز الحرارة، وسوف يسخن المنزل. ولكن بعد ذلك، ستظل هذه الحرارة، إلى جانب الطاقة التي تنفقها المضخة، تتبدد في الفضاء.
الدائرة الخارجية للمضخة الحرارية: يتم ضخ السائل عبر هذه الأنابيب البلاستيكية، فتأخذ الحرارة من عمود الماء إلى المبنى المُدفأ. مارك جونسون / ويكيميديا
كثيرا أو فعالة؟
تتمتع بعض الأجهزة بكفاءة عالية جدًا، ولكنها في نفس الوقت - طاقة غير مناسبة.
تصبح المحركات الكهربائية أكثر كفاءة كلما زاد حجمها، لكن وضع محرك قاطرة كهربائي في لعبة أطفال أمر مستحيل فيزيائيا ولا جدوى من الناحية الاقتصادية. ولذلك فإن كفاءة المحركات في القاطرة تتجاوز 95%، وفي السيارة الصغيرة التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو - على الأكثر 80%. علاوة على ذلك، في حالة المحرك الكهربائي، تعتمد كفاءته أيضًا على الحمل: يعمل المحرك الذي يعاني من نقص التحميل أو التحميل الزائد بكفاءة أقل. يمكن أن يعني الاختيار الصحيح للمعدات أكثر من مجرد اختيار جهاز يتمتع بأقصى قدر من الكفاءة المعلنة.
أقوى قاطرة إنتاجية IORE السويدية. المركز الثاني تشغله القاطرة الكهربائية السوفيتية VL-85. كابيليجر / ويكيميديا
إذا تم إنتاج المحركات الكهربائية لمجموعة متنوعة من الأغراض، من الهزازات في الهواتف إلى القاطرات الكهربائية، فإن المحرك الأيوني له مكانة أصغر بكثير. تتميز المحركات الأيونية بالكفاءة والاقتصادية والمتانة (تعمل دون أن تتوقف عن العمل لسنوات)، ولكنها تعمل فقط في الفراغ وتوفر قوة دفع قليلة جدًا. إنها مثالية لإرسال المركبات العلمية إلى الفضاء السحيق، والتي يمكنها الطيران إلى هدف لعدة سنوات والتي يكون توفير الوقود فيها أكثر أهمية من قضاء الوقت.
بالمناسبة، تستهلك المحركات الكهربائية ما يقرب من نصف إجمالي الكهرباء التي تولدها البشرية، لذا فإن اختلاف مائة بالمائة على المستوى العالمي قد يعني الحاجة إلى بناء مفاعل نووي آخر أو وحدة طاقة أخرى لمحطة الطاقة الحرارية .
فعالة أم رخيصة؟
كفاءة الطاقة ليست دائما مطابقة للكفاءة الاقتصادية. ومن الأمثلة الواضحة على ذلك مصابيح LED، التي كانت حتى وقت قريب أدنى من المصابيح المتوهجة ومصابيح الفلورسنت "الموفرة للطاقة". تعقيد تصنيع مصابيح LED البيضاء، والتكلفة العالية للمواد الخام، ومن ناحية أخرى، بساطة المصباح المتوهج، أجبرت على اختيار مصادر إضاءة أقل كفاءة ولكنها أرخص.
بالمناسبة، لاختراع LED الأزرق، والذي بدونه كان من المستحيل صنع مصباح أبيض ساطع، حصل الباحثون اليابانيون على جائزة نوبل في عام 2014. ليست هذه هي المرة الأولى التي تُمنح فيها الجائزة لمساهماته في تطوير الإضاءة: ففي عام 1912، مُنحت الجائزة إلى نيلز داهلين، المخترع الذي قام بتحسين مشاعل الأسيتيلين للمنارات.
هناك حاجة إلى مصابيح LED الزرقاء لإنتاج الضوء الأبيض مع اللون الأحمر والأخضر. تم تعلم كيفية إنتاج هذين اللونين بمصابيح LED ساطعة بدرجة كافية في وقت مبكر جدًا؛ ظلت موسيقى البلوز لفترة طويلة مملة ومكلفة للغاية للاستخدام الجماعي
مثال آخر على الأجهزة الفعالة والمكلفة للغاية هو الخلايا الشمسية المعتمدة على زرنيخيد الغاليوم (شبه موصل له الصيغة GaAs). تصل كفاءتها إلى ما يقرب من 30%، وهي أعلى بمقدار مرة ونصف إلى مرتين من البطاريات المستخدمة على الأرض والتي تعتمد على السيليكون الأكثر شيوعًا. الكفاءة العالية لا تؤتي ثمارها إلا في الفضاء، حيث يمكن أن يكلف تسليم كيلوغرام واحد من البضائع ما يقرب من كيلوغرام من الذهب. ثم سيتم تبرير التوفير في وزن البطارية.
يمكن زيادة كفاءة خطوط الكهرباء عن طريق استبدال النحاس بالفضة ذات التوصيل الأفضل، لكن الكابلات الفضية باهظة الثمن وبالتالي لا تستخدم إلا في حالات معزولة. لكن فكرة بناء خطوط كهرباء فائقة التوصيل من السيراميك الأرضي النادر الباهظ الثمن الذي يتطلب التبريد بالنيتروجين السائل، قد تم طرحها عمليًا عدة مرات في السنوات الأخيرة. على وجه الخصوص، تم بالفعل وضع مثل هذا الكابل وتوصيله في مدينة إيسن الألمانية. وهي مصممة لـ 40 ميجاوات من الطاقة الكهربائية بجهد عشرة كيلو فولت. بالإضافة إلى حقيقة أن خسائر التدفئة يتم تقليلها إلى الصفر (ومع ذلك، في المقابل، من الضروري تشغيل المنشآت المبردة)، فإن هذا الكابل أكثر إحكاما بكثير من المعتاد، ونتيجة لهذا يمكنك توفير المال عند شراء أرض باهظة الثمن في وسط المدينة أو رفض مد أنفاق إضافية.
ليس وفقا للقواعد العامة
يتذكر الكثير من الناس من الدورات المدرسية أن الكفاءة لا يمكن أن تتجاوز 100%، وأنه كلما زاد الفرق في درجة الحرارة بين الثلاجة والسخان، كلما ارتفع. ومع ذلك، فإن هذا ينطبق فقط على ما يسمى بالمحركات الحرارية: المحرك البخاري، ومحرك الاحتراق الداخلي، والمحركات النفاثة والصاروخية، وتوربينات الغاز والبخار.
المحركات الكهربائية وجميع الأجهزة الكهربائية لا تخضع لهذه القاعدة، لأنها ليست محركات حرارية. بالنسبة لهم، الشيء الوحيد الصحيح هو أن الكفاءة لا يمكن أن تتجاوز مائة بالمائة، ويتم تحديد قيود معينة في كل حالة بشكل مختلف.
في حالة البطارية الشمسية، يتم تحديد الخسائر من خلال التأثيرات الكمومية أثناء امتصاص الفوتونات، وكذلك من خلال الخسائر الناجمة عن انعكاس الضوء من سطح البطارية والامتصاص في مرايا التركيز. وأظهرت الحسابات أنه من حيث المبدأ لا يمكن للبطارية الشمسية أن تتجاوز 90%، ولكن من الناحية العملية يمكن تحقيق قيم تبلغ حوالي 60-70%، وحتى تلك التي لديها بنية معقدة للغاية من الخلايا الكهروضوئية.
تتمتع خلايا الوقود بكفاءة ممتازة. تستقبل هذه الأجهزة مواد معينة تتفاعل كيميائيًا مع بعضها البعض وينتج تيارًا كهربائيًا. هذه العملية، مرة أخرى، ليست دورة محرك حراري، وبالتالي فإن الكفاءة مرتفعة للغاية، حوالي 60٪، في حين أن محرك الديزل أو البنزين عادة لا يتجاوز 50٪.
كانت خلايا الوقود التي تم تركيبها على مركبة أبولو الفضائية هي التي طارت إلى القمر، ويمكنها العمل، على سبيل المثال، بالهيدروجين والأكسجين. عيبهم الوحيد هو أن الهيدروجين يجب أن يكون نقيًا تمامًا، علاوة على ذلك، يجب تخزينه في مكان ما ونقله بطريقة ما من المصنع إلى المستهلكين. التقنيات التي تجعل من الممكن استبدال الميثان العادي بالهيدروجين لم يتم استخدامها على نطاق واسع بعد. فقط السيارات التجريبية وعدد قليل من الغواصات تعمل بخلايا الهيدروجين والوقود.
محركات البلازما من سلسلة SPD. وهي مصنوعة من قبل شركة OKB Fakel، ويتم استخدامها للحفاظ على الأقمار الصناعية في مدار معين. يتم إنشاء الدفع بسبب تدفق الأيونات التي تنشأ بعد تأين غاز خامل عن طريق التفريغ الكهربائي. وتصل كفاءة هذه المحركات إلى 60 بالمئة
إن المحركات الأيونية والبلازما موجودة بالفعل، ولكنها تعمل أيضًا في الفراغ فقط. بالإضافة إلى ذلك، فإن قوة دفعها منخفضة للغاية وهي أقل من وزن الجهاز نفسه - ولن تقلع من الأرض حتى في حالة عدم وجود غلاف جوي. ولكن خلال الرحلات الجوية بين الكواكب التي تستمر لعدة أشهر وحتى سنوات، يتم تعويض الدفع الضعيف بالكفاءة والموثوقية.
عامل الكفاءة (الكفاءة) هو مصطلح يمكن تطبيقه على كل نظام وجهاز. حتى الشخص لديه عامل الكفاءة، على الرغم من عدم وجود صيغة موضوعية للعثور عليه حتى الآن. سنشرح في هذه المقالة بالتفصيل ما هي الكفاءة وكيف يمكن حسابها للأنظمة المختلفة.
تعريف الكفاءة
الكفاءة هي مؤشر يميز فعالية النظام من حيث إنتاج الطاقة أو تحويلها. الكفاءة هي كمية لا يمكن قياسها ويتم تمثيلها إما كقيمة عددية في النطاق من 0 إلى 1، أو كنسبة مئوية.
صيغة عامة
يتم الإشارة إلى الكفاءة بالرمز ş.
تتم كتابة الصيغة الرياضية العامة لإيجاد الكفاءة على النحو التالي:
ă=A/Q، حيث A هي الطاقة/الشغل المفيد الذي يؤديه النظام، وQ هي الطاقة التي يستهلكها هذا النظام لتنظيم عملية الحصول على مخرجات مفيدة.
ولسوء الحظ، يكون عامل الكفاءة دائمًا أقل من الوحدة أو يساويها، لأنه وفقًا لقانون حفظ الطاقة، لا يمكننا الحصول على شغل أكثر من الطاقة المستهلكة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الكفاءة، في الواقع، نادرا ما تساوي الوحدة، لأن العمل المفيد يكون دائما مصحوبا بخسائر، على سبيل المثال، لتسخين الآلية.
كفاءة المحرك الحراري
المحرك الحراري هو جهاز يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. في المحرك الحراري، يتم تحديد الشغل من خلال الفرق بين كمية الحرارة الواردة من المدفأة وكمية الحرارة الممنوحة للمبرد، وبالتالي يتم تحديد الكفاءة من خلال الصيغة:
- ş=Qн-Qkh/Qн، حيث Qн هي كمية الحرارة المستلمة من المدفأة، وQx هي كمية الحرارة المقدمة إلى المبرد.
ويعتقد أن أعلى كفاءة توفرها المحركات التي تعمل على دورة كارنو. في هذه الحالة، يتم تحديد الكفاءة بالصيغة:
- Š=T1-T2/T1، حيث T1 هي درجة حرارة الربيع الحار، T2 هي درجة حرارة الربيع البارد.
كفاءة المحرك الكهربائي
المحرك الكهربائي هو جهاز يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، فالكفاءة في هذه الحالة هي نسبة كفاءة الجهاز في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. تبدو صيغة العثور على كفاءة المحرك الكهربائي كما يلي:
- Δ=P2/P1، حيث P1 هي الطاقة الكهربائية الموردة، P2 هي الطاقة الميكانيكية المفيدة التي يولدها المحرك.
تم العثور على الطاقة الكهربائية كمنتج لتيار النظام والجهد (P=UI)، والطاقة الميكانيكية كنسبة العمل لكل وحدة زمنية (P=A/t)
كفاءة المحولات
المحول هو جهاز يقوم بتحويل التيار المتردد لجهد واحد إلى تيار متردد لجهد آخر مع الحفاظ على التردد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمحولات أيضًا تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر.
تم العثور على كفاءة المحول بالصيغة:
- ă=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n)، حيث P0 هي خسارة عدم التحميل، PL هي خسارة الحمل، P2 هي الطاقة النشطة المتوفرة للحمل، n هي الدرجة النسبية من الحمل.
الكفاءة أم لا الكفاءة؟
ومن الجدير بالذكر أنه بالإضافة إلى الكفاءة، هناك عدد من المؤشرات التي تميز كفاءة عمليات الطاقة، وفي بعض الأحيان يمكن أن نصادف أوصاف مثل - كفاءة تصل إلى 130٪، ولكن في هذه الحالة يجب أن نفهم ذلك لم يتم استخدام المصطلح بشكل صحيح تمامًا، وعلى الأرجح، يفهم المؤلف أو الشركة المصنعة أن هذا الاختصار يعني خاصية مختلفة قليلاً.
على سبيل المثال، تتميز المضخات الحرارية بحقيقة أنها يمكن أن تطلق حرارة أكثر مما تستهلك. وبالتالي، يمكن لآلة التبريد إزالة المزيد من الحرارة من الجسم الذي يتم تبريده مما تم إنفاقه في الطاقة المكافئة لتنظيم عملية الإزالة. يسمى مؤشر كفاءة آلة التبريد بمعامل التبريد، ويشار إليه بالحرف Ɛ ويتم تحديده بالصيغة: Ɛ=Qx/A، حيث Qx هي الحرارة المستخرجة من الطرف البارد، A هو العمل المنفق على عملية الإزالة . ومع ذلك، في بعض الأحيان يسمى معامل التبريد أيضًا بكفاءة آلة التبريد.
ومن المثير للاهتمام أيضًا أن كفاءة الغلايات التي تعمل بالوقود العضوي يتم حسابها عادةً على أساس القيمة الحرارية الأقل، ويمكن أن تكون أكبر من الوحدة. ومع ذلك، لا يزال يطلق عليه تقليديا الكفاءة. من الممكن تحديد كفاءة الغلاية من خلال القيمة الحرارية الأعلى، ومن ثم ستكون دائمًا أقل من واحد، ولكن في هذه الحالة سيكون من غير المناسب مقارنة أداء الغلايات بالبيانات الواردة من المنشآت الأخرى.
