La Física y aspectos sociales de Energía Solar

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Óptica Escuela De Verano 2013 La Física Y Aspectos Sociales De Energía Solar DR. RODGER EVANS INVESTIGADOR PRINCIPAL DE LEARS (LABORATORIO DE ENERGÍA ALTERNA, RENOVABLE, SOSTENIBLE) DET, CICESE JULIO 30 2013 Thursday, August 22, 13

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Este platica fue sobre energía solar para estudiantes de la escuela de verano del departamento de Optica de CICESE en el verano de 2013.

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Page 1: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Óptica Escuela De Verano 2013

La Física Y Aspectos Sociales De Energía Solar

DR . RODGER EVANS

INVES T IGADOR PR INC IPAL DE LEARS

( L ABORAT OR IO DE ENERG ÍA ALTERN A , RENOVABLE , SOS TEN IBLE )

DET, C I CESE

JUL IO 30 2013

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Object ivo

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Page 3: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

1. Aprender Fis ica Básica2. Intender Energía Solar3. Saber Sobre LEARS Y CICESE

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Page 4: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Temas • Termodinámica

• Geometría esférica

• Energia en sociedad

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Leyes De Fisica• ¿Quien es el juez?

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Termodinámica • Calor Q

• Energía interno U*

• Capacidad de calor

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notes pp. 45, internal energy, measure changeHeat capacity, pp 46

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Intensivo : Extensivo• Intensivo

• independiente de extenso de sistema (T, p, µ) (V/m=ν=1/𝜌

volumen especifica )

• Extensivo

• aditivo para independente, no interactando subsistemas (m, V, G)

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Termodinamica• Leyes

• 0: A=B, B=C => A=C

• 1: energía interna de sistema aislado es constante

• 2: calor no puede mover de un lugar frío a caliente. Incremento de entropía, máximo a equilibrio

• 3: cero absoluto, entropía mínimo, todo proceso dejan de funcionar

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Motores De Calor• Conversion de calor a trabajo

• e.g. ciclo Carnot

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draw pics from pp 48Carnot cycle, pp 50

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Conceptos• fuerza

• energía

• acción

• trabajo

• entropiaS = kB logW

�Apath

~ =�S

kB

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action is from Lecture 2 notesrelation of action and entropy Condensed Matter Physics, 2005, Vol. 8, No. 4(44), pp. 655–664 , J. P. Badiali

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Energia En Sociedad

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switch presentations to E&SenenrgiaContempranio.key

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Geomotria Esferica• control de ángulo

• 2 dimensiones

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Geometría Esférica

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cos a = cos b cos c+ sin b sin c cosA• formula coseno

• formula seno

• formula analógica

• formula de cuatro partes

sinA

sina=

sinB

sinb=

sinC

sinc

sin a cosB = cos b sin c� sin b cos c cosA

cos a cosC = sin a cot b � sinC cotB

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EL SOL

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El Sol• fuente de fotones

• vacío

• campo magnético del tierra

• atmósfera

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Radiación De Cuerpo Negro

• Planck's law of black-body radiation

• Wien's displacement law

• Stefan–Boltzmann law

I(⌫, T ) =2h⌫3

c21

eh⌫kT � 1

�max

=b

T

� = 5.67⇥ 10�8Wm�2K�4

j⇤ = �T 4

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Irradiancia Solar• Distancia sol-tierra

• órbita elíptica

• atmósfera

• latitud

• fecha

• actividad solar

• años

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El Sol Y Atmósfera Thursday, August 22, 13

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Mapa De Irradiación Thursday, August 22, 13

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Actividad SolarThursday, August 22, 13

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Actividad SolarThursday, August 22, 13

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Solar

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Convertidores • Foto-térmico

• Foto-voltaico

• Foto-uso

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Foto-termico• Cuerpo negro

• transmisión, absorción, reflexión

• absorción, emisividad

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V IS IBLE Y INFRAROJO

usando la frecuencia de luz

cuerpo gris j⇤ = ✏�T 4

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Temperatura Maximo• equilibrio entre energía entrando y saliendo

• E.g. colector plano

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Temperatura Maximo• equilibrio entre energía entrando y saliendo

• E.g. colector plano

q = �kA

@T

@x

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Temperatura Maximo• equilibrio entre energía entrando y saliendo

• E.g. colector plano

q = �kA

@T

@x

q = �A(T 41 � T 4

2 )

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Temperatura Maximo• equilibrio entre energía entrando y saliendo

• E.g. colector plano

q = �kA

@T

@x

q = hA(T1 � T2)

q = �A(T 41 � T 4

2 )

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Page 35: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Temperatura Maximo• equilibrio entre energía entrando y saliendo

• E.g. colector plano

q = �kA

@T

@x

q = hA(T1 � T2)

q = �A(T 41 � T 4

2 )

conducción

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Page 36: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Temperatura Maximo• equilibrio entre energía entrando y saliendo

• E.g. colector plano

q = �kA

@T

@x

q = hA(T1 � T2)

q = �A(T 41 � T 4

2 )

conducción

radiación

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Temperatura Maximo• equilibrio entre energía entrando y saliendo

• E.g. colector plano

q = �kA

@T

@x

q = hA(T1 � T2)

q = �A(T 41 � T 4

2 )

conducción

radiación

convección

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Usos De Calor

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Cooking with the Sun!

SECO FACT SHEET NO. 23 COOKING WITH THE SUN! P.1

HIGHLIGHTS

! Solar cookers are useful for everyday cooking or solar picnics

! They come in many types and capabilities

! They are easy to build, or can be bought ready-made

! Solar cooking works well, and is easy, fun, and good for the environment

SUMMARY

Although most Texans understandhow it can be hot enough to fry anegg on the pavement, few have seri-ously considered actually cookingwith the sun. Yet in some parts ofthe world, solar cooking is very pop-ular. In Texas it works just as welland is suitable for everything frompicnics to everyday cooking.

SOLAR COOKERBASICS

Solar cookers work because directsunlight carries lots of power: onbright days, about 1,000 watts fallon each square meter of surface thatit strikes (compare this to yourtoaster oven, which is likely to useabout 1,000 watts). In a solar cook-er, sunlight is concentrated into acooking area that gets hot enough to

SECO FACT SHEET NO. 23

cook food. Collecting more sunlightprovides more power; this is bal-anced by heat losses, so solar cookerssometimes feature an insulatedcooking chamber.

SOLAR COOKERDESIGNS

Just as there are many kinds of con-ventional cookers (ovens, stovetops,broilers, microwave ovens), there are

Figure 1 Panel Cooker The “Cookit” panel cooker is simple but effective

SO

UR

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:JU

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conversión

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SECO FACT SHEET NO. 23 COOKING WITH THE SUN! P.2

many kinds of solar cookers. Perhapsthe simplest solar cooker is the“Cookit” shown in Figure 1. It con-sists of a single piece of aluminizedcardboard folded into a reflector. Adark pot placed in a plastic bagserves as the cooking vessel. Thisdesign performs similarly to simplebox cookers.

Figure 2 shows a box cooker, whichis basically an insulated box, blackon the inside (to absorb sunlight)with a transparent cover (commonlyglass), and one or more reflectivepanels to increase the amount ofsunlight that enters the cookingchamber. Food to be cooked isplaced inside, usually in a dark-colored pot to increase energy

absorption. Box cookers behavemuch like conventional ovens oper-ating at medium temperatures.

Parabolic designs, illustrated in fig-ure 3, have a dish reflector with aparabolic shape that reflects sunlight

into a focal region where a cookingvessel, usually dark in color, isplaced. Depending on the size of thereflector, very high temperatures canbe reached. Such designs may have alarge solar collection area and there-fore high power; but they typicallydo not have an insulated cookingchamber, so they are used similarlyto a conventional stovetop.

Some cooker designs combine thehigh concentration of a paraboliccooker with an insulated cookingchamber. Such designs, called con-centrator ovens, can rival a conven-tional oven in performance. Figure 4shows one such unit that is soldcommercially.

As you can see from these examples,solar cooker designers have been

RENEWABLE ENERGYTHE INFINITE POWER

OF TEXAS

Figure 2 Box cooker Box cookers are excellent for slowcooking

Figure 3 ParabolicCooker Parabolic solarcookers produce concen-trated heat

SO

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SECO FACT SHEET NO. 23 COOKING WITH THE SUN! P.2

many kinds of solar cookers. Perhapsthe simplest solar cooker is the“Cookit” shown in Figure 1. It con-sists of a single piece of aluminizedcardboard folded into a reflector. Adark pot placed in a plastic bagserves as the cooking vessel. Thisdesign performs similarly to simplebox cookers.

Figure 2 shows a box cooker, whichis basically an insulated box, blackon the inside (to absorb sunlight)with a transparent cover (commonlyglass), and one or more reflectivepanels to increase the amount ofsunlight that enters the cookingchamber. Food to be cooked isplaced inside, usually in a dark-colored pot to increase energy

absorption. Box cookers behavemuch like conventional ovens oper-ating at medium temperatures.

Parabolic designs, illustrated in fig-ure 3, have a dish reflector with aparabolic shape that reflects sunlight

into a focal region where a cookingvessel, usually dark in color, isplaced. Depending on the size of thereflector, very high temperatures canbe reached. Such designs may have alarge solar collection area and there-fore high power; but they typicallydo not have an insulated cookingchamber, so they are used similarlyto a conventional stovetop.

Some cooker designs combine thehigh concentration of a paraboliccooker with an insulated cookingchamber. Such designs, called con-centrator ovens, can rival a conven-tional oven in performance. Figure 4shows one such unit that is soldcommercially.

As you can see from these examples,solar cooker designers have been

RENEWABLE ENERGYTHE INFINITE POWER

OF TEXAS

Figure 2 Box cooker Box cookers are excellent for slowcooking

Figure 3 ParabolicCooker Parabolic solarcookers produce concen-trated heat

SO

UR

CE

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DY

PE

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El Paso solar pond70 kW

Organic Rankin cycle

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El Paso solar pond; 70 kW Organic Rankin cycleIsreal; Ormat, 150 kW

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El Paso solar pond70 kW

Organic Rankin cycle

Isreal; Ormat, 150 kW

Organic Rankin cycle

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El Paso solar pond; 70 kW Organic Rankin cycleIsreal; Ormat, 150 kW

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Page 46: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

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Page 47: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

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Page 48: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Motor Stirling

Convertador termal-mechanica

alta eficiencia

Dificil a fabricar

Alta pression

conversión

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Page 49: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Sandia Nation Labsstirling engine

conversión

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conversión

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Page 51: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Foto-voltaico• semiconductor tipo N y P

• Circuito equivalente

• Corriente

• Potencia maximo

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Page 52: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

EFECT O DE TEMPERATURA

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Page 53: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Foto-voltaico• usos

• directo, bombas de agua

• pilas, PPPT

• inversor interconectado a red (Grid-Tie)

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Page 54: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

PRAESENT COMMODO CURSUS MAGN A .

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Page 55: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

PRAESENT COMMODO CURSUS MAGN A .

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Page 56: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

RAS TREADOR SOL AR

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Page 57: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

SEGU IMIENT O SOL AR : POS IC IÓN

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Page 58: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Óptica

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Page 59: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Concentración Óptica

ópticia

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Page 60: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Concentración Óptica

ópticia

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Page 61: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

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Page 62: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

Scheffler Reflector; off-axis parábola

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2D optical concentration

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Page 64: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

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Page 65: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

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Page 66: La Física y aspectos sociales de Energía Solar

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HORNO SOL AR

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HORNO SOL AR

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