ऊर्जा रूपांतरण दक्षता

ऊर्जा के संदर्भ में ऊर्जा रूपांतरण दक्षता (η) एक ऊर्जा रूपांतरण मशीन के उपयोगी निर्गम और निविष्टि के बीच का अनुपात है। रासायनिक, विद्युत शक्ति, यांत्रिक कार्य, प्रकाश (विकिरण) या गर्मी निविष्टि के साथ ही उपयोगी निर्गम हो सकता है। परिणामी मान, η (ईटीए), 0 और 1 के बीच होता है।

सिंहावलोकन
ऊर्जा रूपांतरण दक्षता निर्गम की उपयोगिता पर निर्भर करती है। किसी ईंधन के जलने से उत्पन्न ऊष्मा का पूरा या कुछ हिस्सा अस्वीकृत अपशिष्ट ऊष्मा बन सकता है, उदाहरण के लिए, काम एक ऊष्मागतिक चक्र से वांछित निर्गम है। ऊर्जा रूपांतरण का एक उदाहरण ऊर्जा परिवर्तक है। उदाहरण के लिए, बिजली का बल्ब ऊर्जा परिवर्तक की श्रेणी में आता है। $$ \eta = \frac{P_\mathrm{out}}{P_\mathrm{in}} $$ भले ही परिभाषा में उपयोगिता की धारणा सम्मलित है, दक्षता को तकनीकी या भौतिक शब्द माना जाता है। प्रभावशीलता और प्रभावकारिता लक्ष्य या मिशन उन्मुख निबंधन में सम्मलित है।

सामान्यतः ऊर्जा रूपांतरण दक्षता 0 और 1.0 या 0% से 100% के बीच आयाम रहित संख्या होती है। दक्षता 100% से अधिक नहीं हो सकती है, उदाहरण के लिए, एक शाश्वत गति मशीन के लिए होती है। चूंकि, अन्य प्रभावशीलता उपाय जो 1.0 से अधिक हो सकते हैं, ताप पंपों और अन्य उपकरणों के लिए उपयोग किए जाते हैं जो गर्मी को परिवर्तित करने के अतिरिक्त स्थानांतरित करते हैं।

ताप इंजन और बिजली स्टेशनों की दक्षता के बारे में बात करते समय अधिवेशन को कहा जाना चाहिए, अर्थात एचएचवी (उर्फ सकल ताप मान, आदि) या एलसीवी (उर्फ शुद्ध ताप मान), और क्या सकल निर्गम (जनरेटर टर्मिनलों पर) या शुद्ध निर्गम (शक्ति स्टेशन बाड़ पर) पर विचार किया जा रहा है। दोनों अलग हैं लेकिन दोनों को बताया जाना चाहिए। ऐसा करने में विफलता अंतहीन भ्रम पैदा करती है।

संबंधित, अधिक विशिष्ट शब्दों में सम्मलित हैं
 * विद्युत दक्षता, उपभोग की गई विद्युत शक्ति के प्रति उपयोगी बिजली निर्गम हैं,
 * यांत्रिक दक्षता, जहां यांत्रिक ऊर्जा का एक रूप (जैसे पानी की संभावित ऊर्जा) यांत्रिक ऊर्जा (कार्य) में परिवर्तित हो जाती है,
 * ऊष्मीय दक्षता या ईंधन दक्षता, उपयोगी गर्मी और/या कार्य (ऊष्मप्रवैगिकी) प्रति निविष्टि ऊर्जा जैसे ईंधन की खपत का कार्य निर्गम हैं,
 * 'कुल दक्षता', उदाहरण के लिए, सह-निर्गम के लिए, उपयोगी विद्युत शक्ति और उपभोग की गई ईंधन ऊर्जा के प्रति ऊष्मा निर्गम हैं। ऊष्मीय दक्षता के समान हैं।
 * उद्दीप्त दक्षता, उत्सर्जित विद्युत चुम्बकीय विकिरण का वह भाग मानव दृष्टि के लिए प्रयोग करने योग्य है।

रासायनिक रूपांतरण दक्षता
गिब्स ऊर्जा का परिवर्तन एक विशेष तापमान पर परिभाषित रासायनिक परिवर्तन को करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की न्यूनतम सैद्धांतिक मात्रा है (यदि अभिकारकों और उत्पादों के बीच गिब्स ऊर्जा में परिवर्तन धनात्मक है) या अधिकतम सैद्धांतिक ऊर्जा जो प्राप्त की जा सकती है उस परिवर्तन से (यदि अभिकारकों और उत्पादों के बीच गिब्स ऊर्जा में परिवर्तन ऋणात्मक है)। रासायनिक परिवर्तन से जुड़ी प्रक्रिया की ऊर्जा दक्षता इन सैद्धांतिक न्यूनतम या उच्चिष्ठ के सापेक्ष व्यक्त की जा सकती है। थैलेपी के परिवर्तन और एक विशेष तापमान पर रासायनिक परिवर्तन की गिब्स ऊर्जा के परिवर्तन के बीच का अंतर आवश्यक गर्मी निविष्टि या गर्मी हटाने को इंगित करता है। (शीतलन) उस तापमान को बनाए रखने के लिए आवश्यक है।

ईंधन सेल को विद्युत् अपघटन का उल्टा माना जा सकता है। उदाहरण के लिए, 25 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर चलने वाला आदर्श ईंधन सेल जिसमें निविष्टि के रूप में गैसीय हाइड्रोजन और गैसीय ऑक्सीजन और निर्गम के रूप में तरल पानी 237.129 किलोजूल (0.06587 किलोवाट-घंटे) प्रति ग्राम मोल (18.0154) की सैद्धांतिक अधिकतम मात्रा में विद्युत ऊर्जा का निर्गम कर सकता है। ग्राम) पानी का निर्गम होता है और उस तापमान को बनाए रखने के लिए सेल से निकाले जाने के लिए 48.701किलोजूल (0.01353 किलोवाट-घंटे) प्रति ग्राम पानी की आवश्यकता होती है, जो ताप ऊर्जा से उत्पन्न होता है।

निविष्टि के रूप में तरल पानी और उत्पादों के रूप में गैसीय हाइड्रोजन और गैसीय ऑक्सीजन वाले 25 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर चलने वाली आदर्श विद्युत् अपघटन इकाई को 237.129 किलोजूल (kJ) (0.06587 किलोवाट-घंटे) प्रति ग्राम मोल (18.0154 ग्राम) की विद्युत ऊर्जा के सैद्धांतिक न्यूनतम निविष्टि की आवश्यकता होगी। पानी की खपत और उस तापमान को बनाए रखने के लिए इकाई में जोड़ने के लिए 48.701किलोजूल (0.01353 किलोवाट-घंटे) प्रति ग्राम मोल पानी की आवश्यकता होगी जो ताप ऊर्जा की खपत करता है। यह 1.24 वोल्ट के सेल वोल्टेज पर काम करेगा।

किसी भी अतिरिक्त ऊष्मा ऊर्जा के निविष्टि के बिना 25 डिग्री सेल्सियस के निरंतर तापमान पर चलने वाली जल विद्युत् अपघटन इकाई के लिए, विद्युत ऊर्जा की आपूर्ति प्रतिक्रिया की ऊष्मा (गर्मी) या 285.830 किलोजूल (0.07940 किलोवाट-घंटे kWh) प्रति ग्राम मोल पानी की खपत के बराबर दर पर की जानी चाहिए। यह 1.48 वोल्ट के सेल वोल्टेज पर काम करेगा। इस सेल का विद्युत ऊर्जा निविष्टि सैद्धांतिक न्यूनतम से 1.20 गुना अधिक है, इसलिए आदर्श सेल की तुलना में ऊर्जा दक्षता 0.83 है।

उच्च वोल्टेज के साथ काम करने वाली जल विद्युत् अपघटन इकाई जो 1.48 वोल्ट और 25 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर स्थिर तापमान बनाए रखने के लिए ऊष्मा ऊर्जा को हटाना होगा और ऊर्जा दक्षता 0.83 से कम होगी।

प्रतिक्रिया की गिब्स ऊर्जा और प्रतिक्रिया की तापीय धारिता (गर्मी) के बीच महत्वपूर्ण अंतर के लिए तरल पानी और गैसीय हाइड्रोजन और गैसीय ऑक्सीजन के बीच बड़ा परिक्षय अंतर है।

ईंधन ताप मान और दक्षता
यूरोप में ईंधन की उपयोग योग्य ऊर्जा सामग्री की गणना सामान्यतः उस ईंधन के निम्न ताप मान (एलएचवी) का उपयोग करके की जाती है, जिसकी परिभाषा यह मानती है कि ईंधन दहन(ऑक्सीकरण) के दौरान उत्पन्न जल वाष्प गैसीय रहता है, और तरल पानी के लिए संघनन नहीं होता है। इसलिए उस पानी के वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा उपयोग करने योग्य नहीं होती है। एलएचवी का उपयोग करके, संघनक बॉयलर 100% से अधिक की ताप दक्षता प्राप्त कर सकता है (यह तब तक ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का उल्लंघन नहीं करता है जब तक एलएचवी अधिवेशन को समझा जाता है, लेकिन भ्रम पैदा करता है)। ऐसा इसलिए है क्योंकि उपकरण वाष्पीकरण की गर्मी का हिस्सा पुनर्प्राप्त करता है, जो कि ईंधन के कम ताप मान की परिभाषा में सम्मलित नहीं है। अमेरिका और अन्य जगहों में, उच्च ताप मान (एचएचवी का उपयोग किया जाता है, जिसमें जल वाष्प को संघनित करने के लिए गुप्त ऊष्मा सम्मलित होती है, और इस प्रकार ऊष्मागतिक अधिकतम 100% दक्षता को पार नहीं किया जा सकता है।

वॉल-प्लग दक्षता, उद्दीप्त दक्षता, और प्रभावकारिता
प्रकाश व्यवस्था और लेसर जैसे प्रकाशिक तंत्र में, ऊर्जा रूपांतरण दक्षता को अधिकांशतः वॉल-प्लग दक्षता कहा जाता है। वॉल-प्लग दक्षता, वाट में कुल निविष्टि विद्युत ऊर्जा प्रति वाट (जूल प्रति सेकंड) में निर्गम विकिरण -ऊर्जा का माप है। निर्गम ऊर्जा को सामान्यतः पूर्ण पैमाने पर विकिरण के रूप में मापा जाता है और वॉल-प्लग दक्षता को कुल निविष्टि ऊर्जा के प्रतिशत के रूप में दिया जाता है, जिसमें व्युत्क्रम प्रतिशत नुकसान का प्रतिनिधित्व करता है।

वॉल-प्लग दक्षता उद्दीप्त दक्षता से भिन्न होती है जिसमें वॉल-प्लग दक्षता ऊर्जा के प्रत्यक्ष निर्गम/निविष्टि रूपांतरण (कार्य की मात्रा (भौतिकी) जो प्रदर्शन की जा सकती है) का वर्णन करती है जबकि उद्दीप्त दक्षता मानव आंखों की अलग-अलग संवेदनशीलता को ध्यान में रखती है विभिन्न तरंग दैर्ध्य (यह कितनी अच्छी तरह जगह को रोशन कर सकता है)। वाट का उपयोग करने के अतिरिक्त, मानव धारणा के आनुपातिक तरंग दैर्ध्य उत्पन्न करने के लिए प्रकाश स्रोत की शक्ति को लुमेन (इकाई) में मापा जाता है। मानव आंख 555  नैनोमीटर (हरे-पीले) के तरंग दैर्ध्य के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील है, लेकिन  गॉसियन प्रोफ़ाइल शक्ति-वक्र के बाद और स्पेक्ट्रम के लाल और बैंगनी सिरों पर शून्य संवेदनशीलता तक गिरने के बाद संवेदनशीलता प्रभावशाली तरीके से इस तरंग दैर्ध्य के दोनों तरफ कम हो जाती है। इसके कारण आंख सामान्यतः किसी विशेष प्रकाश-स्रोत द्वारा उत्सर्जित सभी तरंग दैर्ध्य को नहीं देख पाती है, न ही यह दृश्य स्पेक्ट्रम के भीतर सभी तरंग दैर्ध्य को समान रूप से देख पाती है। उदाहरण के लिए, पीले और हरे रंग, सफेद होने के रूप में आंख की धारणा का 50% से अधिक हिस्सा बनाते हैं, भले ही उज्ज्वल ऊर्जा के संदर्भ में सफेद-प्रकाश सभी रंगों के समान भागों से बना हो (अर्थात: 5 मिलीवाट हरा लेज़र 5 मिलीवाट लाल लेज़र की तुलना में चमकीला दिखाई देता है, फिर भी लाल लेज़र सफ़ेद पृष्ठभूमि में बेहतर दिखाई देता है)। इसलिए, प्रकाश स्रोत की उज्ज्वल तीव्रता इसकी उद्दीप्त तीव्रता से बहुत अधिक हो सकती है, जिसका अर्थ है कि स्रोत आंख की तुलना में अधिक ऊर्जा का उत्सर्जन करता है। इसी तरह, लैंप की वॉल-प्लग दक्षता सामान्यतः इसकी उद्दीप्त दक्षता से अधिक होती है। मानव आंख की संवेदनशीलता के अनुपात में विद्युत ऊर्जा को दृश्यमान प्रकाश की तरंग दैर्ध्य में परिवर्तित करने के लिए प्रकाश स्रोत की प्रभावशीलता को उद्दीप्त प्रभावकारिता के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसे विद्युत निविष्टि-ऊर्जा के लुमेन प्रति वाट (lm/w) की इकाइयों में मापा जाता है।

प्रभावकारिता (प्रभावशीलता) के विपरीत, जो माप की इकाई है, दक्षता इकाई रहित संख्या है जिसे प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है, केवल यह आवश्यक है कि निविष्टि और निर्गम इकाइयाँ एक ही प्रकार की हों। प्रकाश स्रोत की उद्दीप्त दक्षता इस प्रकार एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर सैद्धांतिक अधिकतम प्रभावकारिता प्रति उद्दीप्त प्रभावकारिता का प्रतिशत है। प्रकाश के फोटॉन द्वारा वहन की जाने वाली ऊर्जा की मात्रा उसके तरंग दैर्ध्य द्वारा निर्धारित की जाती है। लुमेन में, यह ऊर्जा चयनित तरंग दैर्ध्य के लिए आंखों की संवेदनशीलता से अंतलंब होती है। उदाहरण के लिए, हरे रंग के लेजर सूचक में समान शक्ति निर्गम के लाल संकेत की स्पष्ट चमक से 30 गुना अधिक हो सकती है। तरंग दैर्ध्य में 555 नैनोमीटर पर, 1 वाट की विकिरण ऊर्जा 685 लुमेन के बराबर होती है, इस प्रकार इस तरंग दैर्ध्य पर एकवर्णी प्रकाश स्रोत, 685 lm/w की उद्दीप्त प्रभावकारिता के साथ, 100% की उद्दीप्त दक्षता होती है। सैद्धांतिक-अधिकतम प्रभावकारिता 555 नैनोमीटर के दोनों तरफ तरंग दैर्ध्य के लिए कम हो जाती है। उदाहरण के लिए, कम दबाव वाले सोडियम लैंप 200 lm/w की उद्दीप्त प्रभावकारिता के साथ 589 नैनोमीटर पर एकवर्णी प्रकाश उत्पन्न करते हैं, जो किसी भी लैंप से उच्चतम है। उस तरंग दैर्ध्य पर सैद्धांतिक-अधिकतम प्रभावकारिता 525 lm/w है, इसलिए दीपक की उद्दीप्त दक्षता 38.1% है। क्योंकि लैम्प एकवर्णी है, उद्दीप्त दक्षता लगभग <40% की वॉल-प्लग दक्षता से मेल खाती है।

उद्दीप्त दक्षता के लिए गणना उन लैंपों के लिए अधिक जटिल हो जाती है जो सफेद फ्लोरोसेंट या वर्णक्रमीय रेखाओं का मिश्रण उत्पन्न करते हैं। फ्लोरोसेंट लैंप में कम दबाव वाले सोडियम लैंप की तुलना में उच्च वॉल-प्लग दक्षता होती है, लेकिन ~ 100 lm/w की केवल आधी उद्दीप्त क्षमता होती है, इस प्रकार फ्लोरोसेंट लैंप की उद्दीप्त दक्षता सोडियम लैंप की तुलना में कम होती है। क्सीनन फ्लैशट्यूब में 50-70% की विशिष्ट वॉल-प्लग दक्षता होती है, जो प्रकाश के अधिकांश अन्य रूपों से अधिक होती है। क्योंकि फ्लैशट्यूब बड़ी मात्रा में इन्फ्रारेड और पराबैंगनी विकिरण उत्सर्जित करता है, आंख द्वारा निर्गम ऊर्जा का केवल एक हिस्सा उपयोग किया जाता है। इसलिए उद्दीप्त प्रभावकारिता सामान्यतः लगभग 50 lm/w है। चूंकि, प्रकाश के सभी अनुप्रयोगों में मानव आंख सम्मलित नहीं होती है और न ही दृश्य तरंग दैर्ध्य तक ही सीमित होती है। लेजर पंपिंग के लिए, प्रभावकारिता मानव आंखों से संबंधित नहीं है, इसलिए इसे उद्दीप्त प्रभावकारिता नहीं कहा जाता है, बल्कि यह केवल प्रभावकारिता है क्योंकि यह लेजर माध्यम की अवशोषण रेखाओं से संबंधित है। क्रिप्टॉन फ्लैशट्यूब को अधिकांशतः एनडी: वाईएजी लेजर पंप करने के लिए चुना जाता है, भले ही उनकी वॉल-प्लग दक्षता सामान्यतः केवल ~ 40% होती है। क्रिप्टन की वर्णक्रमीय रेखाएँ नियोडिमियम- डोपेंट क्रिस्टल की अवशोषण रेखाओं से बेहतर मेल खाती हैं, इस प्रकार इस उद्देश्य के लिए क्रिप्टन की प्रभावकारिता क्सीनन की तुलना में बहुत अधिक है, एक ही विद्युत निविष्टि के लिए दो बार लेजर निर्गम का निर्गम करने में सक्षम है। ये सभी शब्द ऊर्जा और लुमेन की मात्रा को संदर्भित करते हैं क्योंकि वे प्रकाश स्रोत या बाद के निर्गम प्रकाशिकी के भीतर होने वाले किसी भी नुकसान की उपेक्षा करते हुए प्रकाश स्रोत से बाहर निकलते हैं। ल्यूमिनेयर दक्षता, लैंप निर्गम प्रति स्थिरता से कुल लुमेन-निर्गम को संदर्भित करती है।

कुछ प्रकाश स्रोतों के अपवाद के साथ, जैसे तापदीप्त लैम्प, अधिकांश प्रकाश स्रोतों में वॉल-प्लग (विद्युत निविष्टि बिंदु, जिसमें बैटरी, प्रत्यक्ष वायरिंग, या अन्य स्रोत सम्मलित हो सकते हैं) और अंतिम प्रकाश के बीच ऊर्जा रूपांतरण के कई चरण होते हैं- निर्गम, प्रत्येक चरण में नुकसान पैदा करने के साथ होते हैं। कम दबाव वाले सोडियम लैंप शुरू में उचित धारा और वोल्टेज बनाए रखने के लिए वैद्युत बैलास्ट का उपयोग करके विद्युत ऊर्जा को परिवर्तित करते हैं, लेकिन कुछ ऊर्जा स्थिरक में खो जाती है। इसी तरह, फ्लोरोसेंट लैंप भी स्थिरक (इलेक्ट्रॉनिक दक्षता) का उपयोग करके बिजली को परिवर्तित करते हैं। बिजली को तब विद्युत चाप (इलेक्ट्रोड दक्षता और निर्वहन दक्षता) द्वारा प्रकाश ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। प्रकाश को तब फ्लोरोसेंट विलेपन में स्थानांतरित किया जाता है जो केवल उपयुक्त तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करता है, उन तरंग दैर्ध्य के कुछ नुकसान के कारण विलेपन (स्थानांतरण दक्षता) के माध्यम से प्रतिबिंब बंद हो जाता है। विलेपन द्वारा अवशोषित फोटॉन की संख्या प्रतिदीप्ति (क्वांटम उपज) के रूप में पुनः उत्सर्जित संख्या से मेल नहीं खाएगी। अंत में, स्टोक्स शिफ्ट की घटना के कारण, पुनः उत्सर्जित फोटॉनों में अवशोषित फोटॉनों (प्रतिदीप्ति दक्षता) की तुलना में लंबी तरंग दैर्ध्य (इस प्रकार कम ऊर्जा) होगी। इसी तरह, लेज़र भी वॉल-प्लग और निर्गम द्वारक के बीच रूपांतरण के कई चरणों का अनुभव करते हैं। वॉल-प्लग दक्षता या ऊर्जा रूपांतरण दक्षता शब्द का उपयोग ऊर्जा-रूपांतरण उपकरण की समग्र दक्षता को दर्शाने के लिए किया जाता है, प्रत्येक चरण से नुकसान घटाते हुए, चूंकि यह कुछ उपकरणों को संचालित करने के लिए आवश्यक बाहरी घटकों को बाहर कर सकता है, जैसे शीतलक पंप  है।

यह भी देखें

 * स्रोत द्वारा बिजली की लागत
 * [[ ऊर्जा दक्षता (बहुविकल्पी) ]]
 * ऊर्जा निवेशित ऊर्जा पर लौटी
 * व्यायाम दक्षता
 * आकड़ों की योग्यता
 * ज्वलन की ऊष्मा
 * इंटरनेशनल इलेक्ट्रोटेक्नीकल कमीशन
 * अविराम गति
 * संवेदनशीलता (इलेक्ट्रॉनिक्स)
 * सौर सेल दक्षता
 * प्रदर्शन के गुणांक

बाहरी कड़ियाँ

 * Does it make sense to switch to LED?