Energía solar
Fundamentos físicos de la conversión a
energía eléctrica
Dr. Norman Cruz
Universidad de Santiago
Departamento de Física
La radiación del sol
La radiación que recibimos proviene de la
fotósfera
Esta radiación tiene un
espectro continuo
La temperatura corresponde a la de un
cuerpo
Ondas en la naturaleza
E = hc/
l
Longitud de onda, l
E = Energía
h = Constante
de Plank
c = Velocidad
La radiación de cuerpo negro
A medida que un cuerpo
se calienta emite luz
(radiación
electromagnética)
con mayor intensidad.
El nacimiento de la mecánica
cuántica
Max Planck 1900
Propiedades de la radiación
de un
cuerpo negro.
La energía de la
radiación es emitida
en forma discontinua
RADIACIÓN INCIDENTE EN CUERPOS
EL CUERPO NEGRO
Caso límite
toda la energía
incidente desde el
exterior es absorbida,
y toda la energía
incidente desde el
interior es emitida
.
Construcción de un cuerpo negro
La energía radiante incidente
a través de la abertura, es
absorbida por las paredes en
múltiples reflexiones y
solamente una mínima
proporción escapa (se refleja)
a través de la abertura.
Toda la
energía
es absorbida
Radiación de un cuerpo negro
La radiación de las cavidad es independiente
del material de las paredes de las paredes
.
Las propiedades de la radiación emitida
dependen
La teoría electromagnética clásica
Rayleigh-Jeans (1900)
Los electrones de las paredes se agitan térmicamente y emiten
radiación electromagnética dentro de la cavidad.
En la cavidad se establece y se mantiene un equilibrio térmico
mediante la absorción y re-radiación de la energía por las paredes
.
La radiación dentro de la caja de volumen V consta
de ondas estacionarias con nodos en las paredes.
La Solución de Planck
Modifica el electromagnetismo clásico y reproduce la curva
observada para el espectro de un cuerpo negro
La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con los átomos de las
paredes que se comportan como osciladores armónicos de frecuencia dada
ν . La energía promedio de las ondas estacionarias depende de la frecuencia
Cada oscilador puede absorber o emitir energía de la radiación en una
cantidad proporcional a ν . Cuando un oscilador absorbe o emite radiación
electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad
.
La distribución de Planck
La intensidad (energía por unidad de rea y unidad de tiempo) por unidad de
longitud de onda para la longitud de onda l , de un cuerpo negro a la temperatura absoluta T, viene dada por la expresión
La intensidad total en W·m2, de la radiación emitida por un cuerpo negro, se obtiene integrando la expresión anterior para todas las longitudes de onda (o frecuencias).
0
0
dE
dE
f
E
l
1
1
2
/ 5 2
hc kte
hc
d
dE
l ll
l
4 3 4 5
15
2
T
c
h
k
E
l
La energía emitida por un cuerpo negro por unidad de área y unidad de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T.
W=σT4
σ =5.670·10-8 (Wm-2K-4)
Ley de desplazamiento de Wien
Donde C es una constante 2,897 y T es la temperatura del cuerpo en
Jain P. IR, visible and UV components in the spectral distribution of blackbody radiation.
Phys. Educ. 31 pp. 149-155 (1996).
Temperatura % Infrarrojo %visible %ultravioleta
1000 99.999 7.367·10-4 3.258·10-11
2000 98.593 1.406 7.400·10-4
3000 88.393 11.476 0.131
4000 71.776 26.817 1.407
5000 55.705 39.166 5.129
6000 42.661 45.732 11.607
7000 32.852 47.506 19.641
8000 25.565 46.210 28.224
El efecto fotoeléctrico
Un metal como un contenedor de
electrones
e
Observaciones experimentales
Sólo algunos materiales emiten electrones con luz visible
Cada metal requiere, para que se produzca la extracción, una radiación con una frecuencia mínima (νo). Cualquier otra radiación de menor frecuencia, no será capaz de arrancar electrones.
Por debajo de la frecuencia mínima la intensidad de corriente -"i" (amperios)-será cero. No hay efecto fotoeléctrico. Existe una frecuencia umbral.
La emisión es prácticamente instantánea y no depende de la Intensidad - I- ( watt/m2)de la luz incidente. El tiempo es del orden de 10 –9 s ( 1ns ).
La intensidad de la corriente fotoeléctrica ( reflejo del número
de electrones liberados) que origina una radiación de una determinada longitud de onda que incide sobre una superficie metálica, aumenta si aumentamos la intensidad de radiación "I" (watt/m2).
Predicciones de la teoría electromagnética
clásica
La energía de los electrones debería depender de
la intensidad
,
NO de la frecuencia
Si la intensidad es baja, debería haber un
tiempo
de acumulación
hasta que un electrón logre
El fotón
La energía no se transmite repartida en toda la onda (como se suponía en la teoría clásica), sino agrupada en unos paquetes de energía que llamó CUANTOS DE ENERGÍA (fotones )
(partícula sin masa en reposo, pero con una cantidad de movimiento y energía) que se mueven con la onda.
h
E
Los fotones inciden como partículas sobre
Función Trabajo de un Metal: mínima energía necesaria para
sacar un electrón, Ф
h
e
K
¿Qué comprensión física nos falta?
Sabemos que los electrones son expulsados del
metal, pero:
¿ qué energías poseen los electrones dentro de
un metal, como se distribuyen?
¿ como se entienden las propiedades de la
conductividad eléctrica dentro de los materiales?
La mecánica cuántica debe decirnos algo sobre
Deficiencias del modelo
No permite entender porque ciertas líneas espectrales
son más brillantes que otras. No hay un mecanismo
para calcular las transiciones de probabilidad.
