Hustota povrchového výkonu - Surface power density
v fyzika a inženýrství, hustota povrchového výkonu, nebo někdy jednoduše měrný výkon[1][sporný ] je Napájení za jednotku plocha.
Aplikace
- The intenzita z elektromagnetická radiace lze vyjádřit ve W / m2. Příkladem takového množství je solární konstanta.
- Větrné turbíny jsou často srovnávány pomocí konkrétního měřícího výkonu wattů na metr čtvereční plochy turbíny, což je , kde r je délka čepele. Toto opatření se také běžně používá pro solární panely, alespoň pro typické aplikace.
- Záře je hustota povrchového výkonu na jednotku úhlu tělesa (steradiány) v určitém směru. Spektrální záření je záření na jednotku frekvence (Hertz) při konkrétní frekvenci.
Hustoty povrchového výkonu energetických zdrojů
Hustota povrchového výkonu je důležitým faktorem ve srovnání s průmyslovými zdroji energie.[2] Koncept byl propagován geografem Václav Smil. Termín je v příslušné literatuře obvykle zkrácen na „hustotu výkonu“, což může vést k záměně s homonymní nebo související výrazy.
Měřeno v W / m2 popisuje množství energie získané na jednotku povrchu Země použitého konkrétním energetický systém, včetně veškeré podpůrné infrastruktury, výroby, těžby pohonných hmot (je-li k dispozici) a vyřazení z provozu.[3],[4] Fosilní paliva a jaderná energie se vyznačují vysokou hustotou energie, což znamená, že velkou energii lze čerpat z elektráren zabírajících relativně malou plochu. Obnovitelná energie zdroje mají hustotu energie nejméně o tři řády menší a pro stejný energetický výstup musí zabírat odpovídající větší plochu. Následující tabulka ukazuje střední povrchovou hustotu energie z obnovitelných a neobnovitelných zdrojů energie.[5]
| Zdroj energie | Medián PD [W / m2] |
|---|---|
| Fosilní plyn | 482.10 |
| Jaderná energie | 240.81 |
| Olej | 194.61 |
| Uhlí | 135.10 |
| Solární energie | 6.63 |
| Geotermální | 2.24 |
| Síla větru | 1.84 |
| Vodní síla | 0.14 |
| Biomasa | 0.08 |
Pozadí
Jak elektromagnetická vlna prochází prostorem, energie se přenáší ze zdroje do jiných objektů (přijímačů). Rychlost tohoto přenosu energie závisí na síle složek EM pole. Jednoduše řečeno, rychlost přenosu energie na jednotku plochy (hustota výkonu) je součinem intenzity elektrického pole (E) a síly magnetického pole (H).[6]
- Pd (watt / metr2) = E × H (volty / metr × ampér / metr)
kde
- Pd = hustota výkonu,
- E = intenzita elektrického pole RMS ve voltech na metr,
- H = intenzita magnetického pole RMS v ampérech na metr.[6]
Výše uvedená rovnice poskytuje jednotky W / m2 . V USA jednotky mW / cm2, se častěji používají při provádění průzkumů. Jeden mW / cm2 je stejná hustota výkonu jako 10 W / m2. K přímému získání těchto jednotek lze použít následující rovnici:[6]
- Pd = 0,1 × E × H mW / cm2
Zjednodušené vztahy uvedené výše platí pro vzdálenosti asi dvou nebo více vlnových délek od zdroje záření. Tato vzdálenost může být při nízkých frekvencích vzdálená a nazývá se vzdálené pole. Zde se poměr mezi E a H stává pevnou konstantou (377 Ohmů) a nazývá se charakteristická impedance volného prostoru. Za těchto podmínek můžeme určit hustotu výkonu měřením pouze složky E pole (nebo složky H pole, pokud dáváte přednost) a výpočtem hustoty výkonu z ní.[6]
Tento pevný vztah je užitečný pro měření vysokofrekvenčních nebo mikrovlnných (elektromagnetických) polí. Protože síla je rychlost přenosu energie a druhé mocniny E a H jsou úměrné síle, E2 a H2 jsou úměrné rychlosti přenosu energie a absorpci energie daného materiálu.[6]
Vzdálené pole
Oblast sahající dále než asi 2 vlnové délky od zdroje se nazývá vzdálené pole. Jako zdroj vyzařuje elektromagnetická radiace dané vlnové délky, vzdálené pole elektrická součástka vlny Evzdálené pole magnetická složka H, a hustota výkonu jsou spojeny rovnicemi: E = H × 377 a Pd = E × H.
- Pd = H2 × 377 a Pd = E2 ÷ 377
- kde Pd je hustota výkonu ve wattech na metr čtvereční (jeden W / m2 se rovná 0,1 mW / cm2),
- H2 = druhá mocnina hodnoty magnetického pole v ampérech RMS na druhou na metr čtvereční,
- E2 = druhá mocnina hodnoty elektrického pole ve voltech RMS na druhou na metr čtvereční.[6]
Reference
- ^ Thompson, A .; Taylor, B. N. (2. července 2009). „Special Publication 811: Guide for the Use of the International System of Units (SI)“. NIST.
- ^ „(PDF) Příroda a společnost: Vědecká studie o možnostech, kterým dnes čelí civilizace“. ResearchGate. Citováno 2020-07-23.
- ^ Smil, Václav (květen 2015). „Hustota energie: klíč k pochopení zdrojů a využití energie“. MIT Stiskněte. ISBN 9780262029148. Citováno 2019-09-18.
- ^ Smil, Václav (8. května 2010). „Primer hustoty energie: Porozumění prostorové dimenzi rozvíjejícího se přechodu na výrobu obnovitelné elektřiny (část I - definice)“ (PDF). Master Resource, blog o volné tržní energii. Citováno 18. září 2019.
- ^ van Zalk, John; Behrens, Paul (01.12.2018). „Prostorový rozsah výroby energie z obnovitelných a neobnovitelných zdrojů: přehled a metaanalýza hustot energie a jejich aplikace v USA“ Energetická politika. 123: 83–91. doi:10.1016 / j.enpol.2018.08.023. ISSN 0301-4215.
- ^ A b C d E F OSHA, Cincinnati Technical Center (20. května 1990). „Elektromagnetické záření a jak ovlivňuje vaše přístroje. Jednotky“ (Ministerstvo práce - obsah ve veřejné doméně. Většina obsahu, na který odkazuje tato práce v tomto článku, je zkopírována z dokumentu ve veřejné doméně. Kromě toho je tento dokument odkazovaná práce ). Americké ministerstvo práce. Citováno 2010-05-09.