Поверхностная плотность мощности

Мощность на единицу площади

В физике и технике поверхностная плотность мощности — это мощность, отнесенная к единице площади .

Приложения

• Интенсивность электромагнитного излучения можно выразить в Вт/м ² . Примером такой величины является солнечная постоянная .
• Ветровые турбины часто сравнивают, используя удельную мощность, измеряемую в ваттах на квадратный метр площади диска турбины, которая равна , где r — длина лопасти. Эта мера также широко используется для солнечных панелей , по крайней мере, для типичных применений. ${\displaystyle \pi r^{2}}$
• Яркость — это поверхностная плотность мощности на единицу телесного угла (стерадианы) в определенном направлении. Спектральная яркость — это яркость на единицу частоты (герц) на определенной частоте.

Поверхностные плотности мощности источников энергии

Поверхностная плотность мощности является важным фактором при сравнении промышленных источников энергии. ^[1] Эта концепция была популяризирована географом Вацлавом Смилом . Термин обычно сокращается до «плотности мощности» в соответствующей литературе, что может привести к путанице с омонимичными или родственными терминами.

Измеряется в нем, описывает количество энергии, полученной на единицу площади поверхности Земли, используемой конкретной энергетической системой , включая всю вспомогательную инфраструктуру, производство, добычу топлива (если применимо) и вывод из эксплуатации. ^{[2] , [3]} Ископаемое топливо и ядерная энергетика характеризуются высокой плотностью мощности, что означает, что большая мощность может быть получена от электростанций, занимающих относительно небольшую площадь. Возобновляемые источники энергии имеют плотность мощности по крайней мере на три порядка меньше, и для той же выработки энергии им необходимо занимать соответственно большую площадь, что уже было выделено как ограничивающий фактор возобновляемой энергии в немецком Energiewende . ^[4]W/m2

В следующей таблице показана средняя поверхностная плотность мощности возобновляемых и невозобновляемых источников энергии. ^[5]

Фон

При распространении электромагнитной волны в пространстве энергия передается от источника к другим объектам (приемникам). Скорость передачи энергии зависит от силы компонентов электромагнитного поля. Проще говоря, скорость передачи энергии на единицу площади (плотность мощности) является произведением напряженности электрического поля (E) на напряженность магнитного поля (H). ^[6]

Pd (Ватт/метр ² ) = E × H (Вольт/метр × Ампер/метр), где

Pd = плотность мощности,

E = среднеквадратичное значение напряженности электрического поля в вольтах на метр,

H = среднеквадратичное значение напряженности магнитного поля в амперах на метр. ^[6]

Вышеуказанное уравнение дает единицы Вт/м ² . В США единицы мВт/см ² чаще используются при проведении обследований. Один мВт/см ² имеет ту же плотность мощности, что и 10 Вт/м ² . Следующее уравнение можно использовать для непосредственного получения этих единиц: ^[6]

Pd = 0,1 × E × H мВт/см ²

Упрощенные соотношения, указанные выше, применяются на расстояниях около двух или более длин волн от источника излучения. Это расстояние может быть большим на низких частотах и ​​называется дальним полем. Здесь отношение между E и H становится фиксированной константой (377 Ом) и называется характеристическим сопротивлением свободного пространства . При этих условиях мы можем определить плотность мощности, измеряя только компонент поля E (или компонент поля H, если вам так больше нравится) и вычисляя из него плотность мощности. ^[6]

Это фиксированное отношение полезно для измерения радиочастотных или микроволновых (электромагнитных) полей. Поскольку мощность — это скорость передачи энергии, а квадраты E и H пропорциональны мощности, E ² и H ² пропорциональны скорости передачи энергии и поглощению энергии данным материалом. [??? Это означало бы, что при отсутствии поглощения E и H оба равны нулю, т. е. свет или радиоволны не могут распространяться в вакууме. Предполагаемый смысл этого утверждения неясен.] ^[6]

Дальнее поле

Область, простирающаяся дальше, чем на 2 длины волны от источника, называется дальним полем . Поскольку источник испускает электромагнитное излучение заданной длины волны, электрическая составляющая волны в дальнем поле E , магнитная составляющая волны в дальнем поле H и плотность мощности связаны уравнениями: E = H × 377 и Pd = E × H.

Pd = H ² × 377 и Pd = E ² ÷ 377

где Pd — плотность мощности в ваттах на квадратный метр (один Вт/м ² равен 0,1 мВт/см ² ),

H ² = квадрат значения магнитного поля в амперах (среднеквадратичное значение) в квадрате на квадратный метр,

E ² = квадрат значения электрического поля в вольтах RMS в квадрате на метр в квадрате. ^[6]

Ссылки

1. "Природа, энергия и общество: научное исследование возможностей, с которыми сталкивается цивилизация сегодня". ResearchGate . Получено 23 июля 2020 г.
2. Смил, Вацлав (май 2015 г.). Плотность мощности: ключ к пониманию источников и использования энергии. MIT Press. ISBN 9780262029148. Получено 12.09.2023 .
3. Смил, Вацлав (8 мая 2010 г.). «Основы плотности мощности: понимание пространственного измерения разворачивающегося перехода к возобновляемой генерации электроэнергии (часть I – определения)» (PDF) . Главный ресурс, блог о свободной рыночной энергии . Получено 18 сентября 2019 г.
4. "Земля станет "новой валютой" энергетического перехода Германии – исследование". Clean Energy Wire . Получено 2021-10-05 .
5. Ван Залк, Джон; Беренс, Пол (2018-12-01). «Пространственная протяженность возобновляемой и невозобновляемой генерации электроэнергии: обзор и метаанализ плотностей мощности и их применения в США» Энергетическая политика . 123 : 83–91. doi : 10.1016/j.enpol.2018.08.023 . hdl : 1887/64883 . ISSN  0301-4215.
6. OSHA, Технический центр Цинциннати (20 мая 1990 г.). "Электромагнитное излучение и как оно влияет на ваши приборы. Единицы" (Министерство труда — контент, являющийся общественным достоянием. Большая часть контента, на который ссылается эта работа в этой статье, скопирована из документа, являющегося общественным достоянием. Кроме того, эта статья является ссылочной работой) . Министерство труда США . Получено 09.05.2010 . {{cite web}}: Внешняя ссылка в |format=( помощь )