Densidad de potencia superficial - Surface power density
En física e ingeniería , la densidad de potencia superficial es potencia por unidad de área .
Aplicaciones
- La intensidad de la radiación electromagnética se puede expresar en W / m 2 . Un ejemplo de tal cantidad es la constante solar .
- Las turbinas eólicas a menudo se comparan utilizando una potencia específica que mide vatios por metro cuadrado de área del disco de la turbina, es decir , donde r es la longitud de una pala. Esta medida también se usa comúnmente para paneles solares , al menos para aplicaciones típicas.
- El resplandor es la densidad de potencia de la superficie por unidad de ángulo sólido (estereorradián) en una dirección específica. La radiancia espectral es la radiancia por unidad de frecuencia (Hertz) a una frecuencia específica.
Densidades de potencia superficial de las fuentes de energía
La densidad de potencia superficial es un factor importante en comparación con las fuentes de energía industriales. El concepto fue popularizado por el geógrafo Vaclav Smil . El término generalmente se abrevia como "densidad de potencia" en la literatura relevante, lo que puede generar confusión con términos homónimos o relacionados .
Medido en él describe la cantidad de energía obtenida por unidad de superficie terrestre utilizada por un sistema energético específico , incluida toda la infraestructura de apoyo, la fabricación, la extracción de combustible (si corresponde) y el desmantelamiento. , Los combustibles fósiles y la energía nuclear se caracterizan por una alta densidad de energía, lo que significa que se puede obtener una gran cantidad de energía de las centrales eléctricas que ocupan un área relativamente pequeña. Las fuentes de energía renovable tienen una densidad de potencia al menos tres órdenes de magnitud menor y para la misma producción de energía deben ocupar un área más grande, lo que ya se ha destacado como un factor limitante de la energía renovable en Energiewende alemana .
W/m2
La siguiente tabla muestra la densidad de potencia superficial media de las fuentes de energía renovables y no renovables.
| Fuente de energía | PD mediana
[W / m 2 ] |
|---|---|
| Gas fósil | 482.10 |
| La energía nuclear | 240,81 |
| Petróleo | 194,61 |
| Carbón | 135,10 |
| Energía solar | 6,63 |
| Geotermia | 2,24 |
| Energía eólica | 1,84 |
| Energía hidroeléctrica | 0,14 |
| Biomasa | 0,08 |
Fondo
A medida que una onda electromagnética viaja por el espacio, la energía se transfiere desde la fuente a otros objetos (receptores). La tasa de esta transferencia de energía depende de la fuerza de los componentes del campo EM. En pocas palabras, la tasa de transferencia de energía por unidad de área (densidad de potencia) es el producto de la intensidad del campo eléctrico (E) por la intensidad del campo magnético (H).
- Pd (Watts / metro 2 ) = E × H (Voltios / metro × Amperios / metro)
dónde
- Pd = la densidad de potencia,
- E = la intensidad del campo eléctrico RMS en voltios por metro,
- H = la intensidad del campo magnético RMS en amperios por metro.
La ecuación anterior produce unidades de W / m 2 . En los EE. UU., Las unidades de mW / cm 2 se utilizan con más frecuencia al realizar levantamientos. Un mW / cm 2 es la misma densidad de potencia que 10 W / m 2 . La siguiente ecuación se puede utilizar para obtener estas unidades directamente:
- Pd = 0,1 × E × H mW / cm 2
Las relaciones simplificadas indicadas anteriormente se aplican a distancias de aproximadamente dos o más longitudes de onda de la fuente radiante. Esta distancia puede ser una distancia lejana a bajas frecuencias y se denomina campo lejano. Aquí, la relación entre E y H se convierte en una constante fija (377 ohmios) y se denomina impedancia característica del espacio libre . En estas condiciones, podemos determinar la densidad de potencia midiendo solo el componente del campo E (o el componente del campo H, si lo prefiere) y calculando la densidad de potencia a partir de él.
Esta relación fija es útil para medir campos de radiofrecuencia o microondas (electromagnéticos). Dado que la potencia es la tasa de transferencia de energía, y los cuadrados de E y H son proporcionales a la potencia, E 2 y H 2 son proporcionales a la tasa de transferencia de energía y la absorción de energía de un material dado.
Campo lejano
La región que se extiende más allá de aproximadamente 2 longitudes de onda de la fuente se llama campo lejano . Como la fuente emite radiación electromagnética de una longitud de onda dada, el componente eléctrico de campo lejano de la onda E , el componente magnético de campo lejano H y la densidad de potencia están relacionados por las ecuaciones: E = H × 377 y Pd = E × H .
- Pd = H 2 × 377 y Pd = E 2 ÷ 377
- donde Pd es la densidad de potencia en vatios por metro cuadrado (un W / m 2 es igual a 0,1 mW / cm 2 ),
- H 2 = el cuadrado del valor del campo magnético en amperios RMS al cuadrado por metro cuadrado,
- E 2 = el cuadrado del valor del campo eléctrico en voltios RMS al cuadrado por metro cuadrado.