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La energía solar es la luz radiante y el calor del Sol que se aprovecha mediante una gama de tecnologías en constante evolución, como la calefacción solar , la energía fotovoltaica , la energía solar térmica , la arquitectura solar , las plantas de energía de sales fundidas y la fotosíntesis artificial . [1] [2]
Es una fuente esencial de energía renovable , y sus tecnologías se caracterizan ampliamente como solar pasiva o solar activa, dependiendo de cómo capturan y distribuyen la energía solar o la convierten en energía solar . Las técnicas solares activas incluyen el uso de sistemas fotovoltaicos , energía solar concentrada y calentamiento solar de agua para aprovechar la energía. Las técnicas solares pasivas incluyen orientar un edificio hacia el sol, seleccionar materiales con masa térmica favorable o propiedades de dispersión de la luz y diseñar espacios que hagan circular el aire de forma natural .
La gran cantidad de energía solar disponible la convierte en una fuente de electricidad muy atractiva. El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, en su Evaluación Energética Mundial de 2000, encontró que el potencial anual de la energía solar era de 1.575 a 49.837 exajulios (EJ). Esto es varias veces mayor que el consumo total de energía mundial , que fue de 559,8 EJ en 2012. [3] [4]
En 2011, el Organismo Internacional de Energía dijo que "el desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a más largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países al depender de un recurso autóctono, inagotable y, en su mayoría, independiente de las importaciones. , mejorar la sostenibilidad , reducir la contaminación, reducir los costos de mitigar el calentamiento global y mantener los precios de los combustibles fósiles más bajos que de otra manera. Estas ventajas son globales. Por lo tanto, los costos adicionales de los incentivos para el despliegue temprano deben considerarse inversiones de aprendizaje; deben gastarse sabiamente y necesitan ser compartidos ampliamente ". [1]
Potencial
La Tierra recibe 174 petavatios (PW) de radiación solar entrante ( insolación ) en la atmósfera superior . [5] Aproximadamente el 30% se refleja en el espacio, mientras que el resto es absorbido por las nubes, los océanos y las masas de tierra. El espectro de la luz solar en la superficie de la Tierra se distribuye principalmente en los rangos visible e infrarrojo cercano con una pequeña parte en el ultravioleta cercano . [6] La mayor parte de la población mundial vive en áreas con niveles de insolación de 150 a 300 vatios / m 2 , o de 3,5 a 7,0 kWh / m 2 por día. [7]
La radiación solar es absorbida por la superficie terrestre, los océanos, que cubren aproximadamente el 71% del planeta, y la atmósfera. El aire caliente que contiene agua evaporada de los océanos se eleva, lo que provoca la circulación o convección atmosférica . Cuando el aire alcanza una gran altura, donde la temperatura es baja, el vapor de agua se condensa en nubes, que llueven sobre la superficie de la Tierra, completando el ciclo del agua . El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos atmosféricos como viento, ciclones y anticiclones . [8] La luz solar absorbida por los océanos y las masas de tierra mantiene la superficie a una temperatura media de 14 ° C. [9] Porfotosíntesis , las plantas verdes convierten la energía solar en energía almacenada químicamente, que produce alimentos, madera y la biomasa de la que se derivan los combustibles fósiles. [10]
La energía solar total absorbida por la atmósfera, los océanos y las masas terrestres de la Tierra es de aproximadamente 3.850.000 exajulios (EJ) por año. [11] En 2002, se trataba de más energía en una hora que la que utilizaba el mundo en un año. [12] [13] La fotosíntesis captura aproximadamente 3,000 EJ por año en biomasa. [14] La cantidad de energía solar que llega a la superficie del planeta es tan grande que en un año es aproximadamente el doble de lo que se obtendrá de todos los recursos no renovables de la Tierra de carbón, petróleo, gas natural y uranio extraído combinado, [15]
| Flujos solares anuales y consumo humano 1 | ||
|---|---|---|
| Solar | 3.850.000 | [11] |
| Viento | 2.250 | [dieciséis] |
| Potencial de biomasa | ~ 200 | [17] |
| Uso de energía primaria 2 | 539 | [18] |
| Electricidad 2 | ~ 67 | [19] |
| 1 Energía expresada en exajulios (EJ) = 10 18 J = 278 TWh 2 Consumo al año 2010 | ||
La energía solar potencial que podrían utilizar los humanos difiere de la cantidad de energía solar presente cerca de la superficie del planeta porque factores como la geografía, la variación en el tiempo, la cobertura de nubes y la tierra disponible para los humanos limitan la cantidad de energía solar que usamos. puede adquirir.
La geografía afecta el potencial de energía solar porque las áreas más cercanas al ecuador tienen una mayor cantidad de radiación solar. Sin embargo, el uso de energía fotovoltaica que puede seguir la posición del Sol puede aumentar significativamente el potencial de energía solar en áreas que están más lejos del ecuador. [4] La variación del tiempo afecta el potencial de la energía solar porque durante la noche, hay poca radiación solar en la superficie de la Tierra para que los paneles solares la absorban. Esto limita la cantidad de energía que los paneles solares pueden absorber en un día. La cobertura de nubes puede afectar el potencial de los paneles solares porque las nubes bloquean la luz entrante del Sol y reducen la luz disponible para las células solares.
Además, la disponibilidad de terreno tiene un gran efecto en la energía solar disponible porque los paneles solares solo se pueden instalar en terrenos que de otro modo no se utilizarían y son aptos para paneles solares. Los techos son un lugar adecuado para las células solares, ya que muchas personas han descubierto que pueden recolectar energía directamente de sus hogares de esta manera. Otras áreas que son adecuadas para las células solares son los terrenos que no se están utilizando para negocios donde se pueden establecer plantas solares. [4]
Las tecnologías solares se caracterizan como pasivas o activas según la forma en que capturan, convierten y distribuyen la luz solar y permiten aprovechar la energía solar en diferentes niveles en todo el mundo, principalmente según la distancia desde el ecuador. Aunque la energía solar se refiere principalmente al uso de la radiación solar para fines prácticos, todas las energías renovables, excepto la energía geotérmica y la energía de las mareas , obtienen su energía directa o indirectamente del sol.
Las técnicas solares activas utilizan energía fotovoltaica, energía solar concentrada , colectores solares térmicos , bombas y ventiladores para convertir la luz solar en salidas útiles. Las técnicas solares pasivas incluyen seleccionar materiales con propiedades térmicas favorables, diseñar espacios que hagan circular el aire de forma natural y hacer referencia a la posición de un edificio con respecto al sol. Las tecnologías solares activas aumentan el suministro de energía y se consideran tecnologías del lado de la oferta , mientras que las tecnologías solares pasivas reducen la necesidad de recursos alternativos y generalmente se consideran tecnologías del lado de la demanda. [20]
En 2000, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo , el Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas y el Consejo Mundial de Energía publicaron una estimación de la energía solar potencial que podrían utilizar los seres humanos cada año que tenía en cuenta factores como la insolación, la nubosidad y la tierra que es utilizable por los humanos. La estimación encontró que la energía solar tiene un potencial global de 1.600 a 49.800 exajulios (4,4 × 10 14 a 1,4 × 10 16 kWh) por año (consulte la tabla a continuación) . [4]
| Región | América del norte | América Latina y el caribe | Europa Oriental | Europa central y oriental | Antigua Unión Soviética | Oriente Medio y África del Norte | Africa Sub-sahariana | Pacífico Asia | Asia del Sur | Asia centralmente planificada | Pacífico OCDE |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mínimo | 181.1 | 112,6 | 25,1 | 4.5 | 199,3 | 412,4 | 371,9 | 41,0 | 38,8 | 115,5 | 72,6 |
| Máximo | 7.410 | 3.385 | 914 | 154 | 8.655 | 11,060 | 9.528 | 994 | 1,339 | 4.135 | 2,263 |
Nota:
Relación cuantitativa del potencial solar global frente al consumo de energía primaria mundial :
Fuente: Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo - Evaluación de la energía mundial (2000) [4] | |||||||||||
Energía térmica
Las tecnologías solares térmicas se pueden utilizar para calentar agua, calentar espacios, refrigerar espacios y generar calor en procesos. [21]
Adaptación comercial temprana
En 1878, en la Exposición Universal de París, Augustin Mouchot demostró con éxito una máquina de vapor solar, pero no pudo continuar el desarrollo debido al carbón barato y otros factores.
En 1897, Frank Shuman , un inventor, ingeniero y pionero de la energía solar de EE. UU., Construyó un pequeño motor solar de demostración que funcionaba reflejando la energía solar en cajas cuadradas llenas de éter, que tiene un punto de ebullición más bajo que el agua y estaban provistas internamente de tubos negros que a su vez acciona una máquina de vapor. En 1908, Shuman formó Sun Power Company con la intención de construir plantas de energía solar más grandes. Él, junto con su asesor técnico ASE Ackermann y el físico británico Sir Charles Vernon Boys , [ cita requerida ]desarrolló un sistema mejorado que utiliza espejos para reflejar la energía solar sobre las cajas colectoras, aumentando la capacidad de calefacción hasta el punto de que ahora se puede utilizar agua en lugar de éter. Shuman luego construyó una máquina de vapor a gran escala impulsada por agua a baja presión, lo que le permitió patentar todo el sistema de motor solar en 1912.
Shuman construyó la primera central termosolar del mundo en Maadi , Egipto , entre 1912 y 1913. Su planta utilizaba cilindros parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 CV ) que bombeaba más de 22 000 litros (4 800 imp gal; 5 800 US gal) de agua por minuto desde el río Nilo hasta los campos de algodón adyacentes. Aunque el estallido de la Primera Guerra Mundial y el descubrimiento de petróleo barato en la década de 1930 desalentaron el avance de la energía solar, la visión y el diseño básico de Shuman resucitaron en la década de 1970 con una nueva ola de interés en la energía solar térmica. [22] En 1916, Shuman fue citado en los medios de comunicación defendiendo la utilización de la energía solar, diciendo:
Hemos demostrado el beneficio comercial de la energía solar en los trópicos y hemos demostrado más particularmente que después de que se agoten nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
- Frank Shuman, New York Times, 2 de julio de 1916 [23]
Calentamiento de agua
Los sistemas solares de agua caliente utilizan la luz solar para calentar el agua. En latitudes geográficas medias (entre 40 grados norte y 40 grados sur), del 60 al 70% del uso de agua caliente sanitaria, con temperaturas del agua de hasta 60 ° C (140 ° F), puede ser proporcionado por sistemas de calefacción solar. [24] Los tipos más comunes de calentadores de agua solares son los colectores de tubos de vacío (44%) y los colectores de placa plana vidriada (34%) que se utilizan generalmente para agua caliente sanitaria; y colectores de plástico sin vidriar (21%) utilizados principalmente para calentar piscinas. [25]
En 2007, la capacidad instalada total de los sistemas solares de agua caliente era de aproximadamente 154 gigavatios térmicos (GW th ). [26] China es el líder mundial en su despliegue con 70 GW th instalados en 2006 y un objetivo a largo plazo de 210 GW th para 2020. [27] Israel y Chipre son los líderes per cápita en el uso de agua caliente solar. sistemas con más del 90% de los hogares que los utilizan. [28] En los Estados Unidos, Canadá y Australia, el calentamiento de piscinas es la aplicación predominante de agua caliente solar con una potencia instalada de 18 GW XX a partir de 2005. [20]
Calefacción, refrigeración y ventilación.
En los Estados Unidos, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) representan el 30% (4,65 EJ / año) de la energía utilizada en edificios comerciales y casi el 50% (10,1 EJ / año) de la energía utilizada en edificios residenciales. [29] [30] Se pueden utilizar tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solar para compensar una parte de esta energía.
La masa térmica es cualquier material que se pueda utilizar para almacenar calor, calor del Sol en el caso de la energía solar. Los materiales de masa térmica comunes incluyen piedra, cemento y agua. Históricamente se han utilizado en climas áridos o regiones templadas cálidas para mantener frescos los edificios al absorber energía solar durante el día e irradiar el calor almacenado a la atmósfera más fría durante la noche. Sin embargo, también se pueden usar en áreas templadas frías para mantener el calor. El tamaño y la ubicación de la masa térmica dependen de varios factores, como el clima, la luz del día y las condiciones de sombra. Cuando se incorpora debidamente, la masa térmica mantiene las temperaturas del espacio en un rango confortable y reduce la necesidad de equipos auxiliares de calefacción y refrigeración. [31]
Una chimenea solar (o chimenea térmica, en este contexto) es un sistema de ventilación solar pasivo compuesto por un eje vertical que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire del interior se calienta, lo que provoca una corriente ascendente que empuja el aire a través del edificio. El rendimiento se puede mejorar mediante el uso de materiales acristalados y de masa térmica [32] de una manera que imite los invernaderos.
Se han promovido árboles y plantas de hoja caduca como un medio para controlar la calefacción y refrigeración solar. Cuando se plantan en el lado sur de un edificio en el hemisferio norte o en el lado norte del hemisferio sur, sus hojas brindan sombra durante el verano, mientras que las ramas desnudas permiten el paso de la luz durante el invierno. [33] Dado que los árboles desnudos y sin hojas dan sombra a 1/3 a 1/2 de la radiación solar incidente, existe un equilibrio entre los beneficios de la sombra en verano y la correspondiente pérdida de calefacción en invierno. [34]En climas con cargas de calefacción significativas, los árboles de hoja caduca no deben plantarse en el lado de un edificio que mira hacia el Ecuador porque interferirán con la disponibilidad solar invernal. Sin embargo, se pueden utilizar en los lados este y oeste para proporcionar cierto grado de sombra en verano sin afectar de manera apreciable la ganancia solar invernal . [35]
Cocinando
Las cocinas solares utilizan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar . Se pueden agrupar en tres categorías amplias: cocinas de caja, cocinas de panel y cocinas reflectoras. [36] La cocina solar más simple es la cocina de caja construida por Horace de Saussure en 1767. [37] Una cocina de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Se puede utilizar eficazmente con cielos parcialmente cubiertos y alcanzará típicamente temperaturas de 90–150 ° C (194–302 ° F). [38]Las cocinas de panel utilizan un panel reflectante para dirigir la luz solar sobre un recipiente aislado y alcanzar temperaturas comparables a las de las cocinas de caja. Las cocinas reflectoras utilizan varias geometrías de concentración (plato, artesa, espejos de Fresnel) para enfocar la luz en un recipiente de cocción. Estas cocinas alcanzan temperaturas de 315 ° C (599 ° F) y superiores, pero requieren luz directa para funcionar correctamente y deben reposicionarse para seguir el sol. [39]
Calor de proceso
Las tecnologías de concentración solar como los reflectores de plato parabólico, canal y Scheffler pueden proporcionar calor de proceso para aplicaciones comerciales e industriales. El primer sistema comercial fue el Solar Total Energy Project (STEP) en Shenandoah, Georgia, EE. UU., Donde un campo de 114 platos parabólicos proporcionó el 50% de los requisitos de calefacción, aire acondicionado y electricidad del proceso para una fábrica de ropa. Este sistema de cogeneración conectado a la red proporcionó 400 kW de electricidad más energía térmica en forma de vapor de 401 kW y agua enfriada de 468 kW, y tuvo un almacenamiento térmico de carga máxima de una hora. [40] Los estanques de evaporación son piscinas poco profundas que concentran los sólidos disueltos a través de la evaporación.. El uso de estanques de evaporación para obtener sal del agua de mar es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Los usos modernos incluyen la concentración de soluciones de salmuera utilizadas en la extracción de lixiviación y la eliminación de sólidos disueltos de las corrientes de desechos. [41] Los tendederos , los tendederos y los percheros secan la ropa mediante la evaporación del viento y la luz solar sin consumir electricidad ni gas. En algunos estados de los Estados Unidos, la legislación protege el "derecho a secar" la ropa. [42] Los colectores transpirados no vidriados (UTC) son paredes perforadas orientadas al sol que se utilizan para precalentar el aire de ventilación. Los UTC pueden elevar la temperatura del aire entrante hasta 22 ° C (40 ° F) y ofrecer temperaturas de salida de 45–60 ° C (113–140 ° F). [43]El corto período de amortización de los recolectores transpirados (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable que los sistemas de recolección vidriados. [43] En 2003, se habían instalado más de 80 sistemas con un área colectora combinada de 35.000 metros cuadrados (380.000 pies cuadrados) en todo el mundo, incluido un colector de 860 m 2 (9.300 pies cuadrados) en Costa Rica utilizado para secar granos de café y un Colector de 1.300 m 2 (14.000 pies cuadrados) en Coimbatore , India, utilizado para secar caléndulas. [44]
Tratamiento de aguas
La destilación solar se puede utilizar para hacer potable el agua salina o salobre . El primer caso registrado de esto fue por alquimistas árabes del siglo XVI. [45] Un proyecto de destilación solar a gran escala se construyó por primera vez en 1872 en la ciudad minera chilena de Las Salinas. [46] La planta, que tenía un área de captación solar de 4.700 m 2 (51.000 pies cuadrados), podía producir hasta 22.700 L (5.000 gal imp; 6.000 gal EE.UU.) por día y funcionar durante 40 años. [46] Individual todavíalos diseños incluyen pendiente simple, pendiente doble (o tipo invernadero), absorbedor vertical, cónico, invertido, multimecha y efecto múltiple. Estas imágenes fijas pueden funcionar en modo pasivo, activo o híbrido. Los alambiques de doble pendiente son los más económicos para fines domésticos descentralizados, mientras que las unidades activas de efectos múltiples son más adecuadas para aplicaciones a gran escala. [45]
La desinfección solar del agua (SODIS) implica la exposición de botellas de plástico de tereftalato de polietileno (PET) llenas de agua a la luz solar durante varias horas. [47] Los tiempos de exposición varían según el tiempo y el clima desde un mínimo de seis horas a dos días en condiciones de cielo totalmente nublado. [48] Es recomendado por la Organización Mundial de la Salud como un método viable para el tratamiento y almacenamiento seguro del agua en el hogar. [49] Más de dos millones de personas en los países en desarrollo utilizan este método para beber agua a diario. [48]
La energía solar se puede utilizar en un estanque de estabilización de agua para tratar aguas residuales sin productos químicos ni electricidad. Otra ventaja medioambiental es que las algas crecen en dichos estanques y consumen dióxido de carbono en la fotosíntesis, aunque las algas pueden producir sustancias químicas tóxicas que inutilizan el agua. [50] [51]
Tecnología de sales fundidas
La sal fundida se puede emplear como método de almacenamiento de energía térmica para retener la energía térmica recolectada por una torre solar o un canal solar de una planta de energía solar concentrada para que pueda usarse para generar electricidad con mal tiempo o por la noche. Se demostró en el proyecto Solar Two de 1995 a 1999. Se prevé que el sistema tenga una eficiencia anual del 99%, una referencia a la energía retenida al almacenar calor antes de convertirlo en electricidad, en lugar de convertir el calor directamente en electricidad. [52] [53] [54] Las mezclas de sales fundidas varían. La mezcla más extendida contiene nitrato de sodio , nitrato de potasio.y nitrato de calcio . No es inflamable ni tóxico, y ya se ha utilizado en las industrias química y metalúrgica como fluido de transporte de calor. Por lo tanto, existe experiencia con tales sistemas en aplicaciones no solares.
La sal se derrite a 131 ° C (268 ° F). Se mantiene líquido a 288 ° C (550 ° F) en un tanque de almacenamiento "frío" aislado. La sal líquida se bombea a través de paneles en un colector solar donde la irradiancia enfocada la calienta a 566 ° C (1.051 ° F). Luego se envía a un tanque de almacenamiento caliente. Está tan bien aislado que la energía térmica se puede almacenar de manera útil hasta por una semana. [55]
Cuando se necesita electricidad, la sal caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado para una turbina / generador como se usa en cualquier planta de energía nuclear, de carbón o de petróleo convencional. Una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de aproximadamente 9,1 metros (30 pies) de alto y 24 metros (79 pies) de diámetro para impulsarlo durante cuatro horas con este diseño.
Varias plantas de energía cilindroparabólica en España [56] y el desarrollador de torres de energía solar SolarReserve utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La Central Generadora Solana en Estados Unidos tiene seis horas de almacenamiento mediante sales fundidas. La planta María Elena [57] es un complejo termosolar de 400 MW en la norteña región chilena de Antofagasta que emplea tecnología de sales fundidas.
La producción de electricidad
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La energía solar es la conversión de la luz solar en electricidad , ya sea directamente utilizando energía fotovoltaica (PV) o indirectamente utilizando energía solar concentrada (CSP). Los sistemas CSP utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento para enfocar una gran área de luz solar en un haz pequeño. PV convierte la luz en corriente eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico .
Se prevé que la energía solar se convierta en la fuente de electricidad más grande del mundo para 2050, y que la energía solar fotovoltaica y la energía solar concentrada contribuyan con un 16 y un 11 por ciento del consumo global global, respectivamente. [58] En 2016, después de otro año de rápido crecimiento, la energía solar generó el 1,3% de la energía mundial. [59]
Las plantas comerciales de energía solar concentrada se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. La planta de energía solar Ivanpah de 392 MW , en el desierto de Mojave de California, es la planta de energía solar más grande del mundo. Otras grandes plantas de energía solar concentrada incluyen la Central Solar Solnova de 150 MW y la Central Solar Andasol de 100 MW , ambas en España. El Proyecto Solar Agua Caliente de 250 MW , en Estados Unidos, y el Parque Solar Charanka de 221 MW en India, son las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo. . Se están desarrollando proyectos solares que superan 1 GW, pero la mayoría de los fotovoltaicos desplegados se encuentran en pequeños conjuntos de tejados de menos de 5 kW, que se conectan a la red mediante medición neta o una tarifa de alimentación. [60]
Fotovoltaica
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Crecimiento mundial de la capacidad fotovoltaica agrupada por región en MW (2006-2014)
En las últimas dos décadas, la energía fotovoltaica (PV), también conocida como energía solar fotovoltaica, ha pasado de ser un nicho de mercado puro de aplicaciones a pequeña escala a convertirse en una fuente de electricidad convencional. Una célula solar es un dispositivo que convierte la luz directamente en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico. La primera celda solar fue construida por Charles Fritts en la década de 1880. [61] En 1931, un ingeniero alemán, el Dr. Bruno Lange, desarrolló una fotocélula utilizando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre . [62] Aunque las células prototipo de selenio convirtieron menos del 1% de la luz incidente en electricidad, tanto Ernst Werner von Siemens comoJames Clerk Maxwell reconoció la importancia de este descubrimiento. [63] Siguiendo el trabajo de Russell Ohl en la década de 1940, los investigadores Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin crearon la celda solar de silicio cristalino en 1954. [64] Estas primeras celdas solares costaron 286 dólares por vatio y alcanzaron eficiencias de 4.5 a 6 %. [65] En 2012, las eficiencias disponibles superaron el 20% y la eficiencia máxima de la energía fotovoltaica de investigación superó el 40%. [66]
Energía solar concentrada
Los sistemas de energía solar de concentración (CSP) utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento para enfocar una gran área de luz solar en un rayo pequeño. El calor concentrado se utiliza luego como fuente de calor para una central eléctrica convencional. Existe una amplia gama de tecnologías de concentración; los más desarrollados son el cilindro parabólico, el reflector fresnel lineal concentrador, el plato Stirling y la torre de energía solar. Se utilizan varias técnicas para seguir el sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas, la luz solar concentrada calienta un fluido de trabajo y luego se utiliza para la generación de energía o el almacenamiento de energía. [67] Los diseños deben tener en cuenta el riesgo de una tormenta de polvo , granizo, u otro evento climático extremo que pueda dañar las finas superficies de vidrio de las plantas de energía solar. Las rejillas de metal permitirían que un alto porcentaje de luz solar ingresara a los espejos y paneles solares y al mismo tiempo evitarían la mayoría de los daños.
Arquitectura y urbanismo
La luz del sol ha influido en el diseño de edificios desde el comienzo de la historia de la arquitectura. [69] La arquitectura solar avanzada y los métodos de planificación urbana fueron empleados por primera vez por los griegos y los chinos , quienes orientaron sus edificios hacia el sur para proporcionar luz y calor. [70]
Las características comunes de la arquitectura solar pasiva son la orientación relativa al Sol, la proporción compacta (una proporción baja de superficie a volumen), sombreado selectivo (voladizos) y masa térmica . [69] Cuando estas características se adaptan al clima y el medio ambiente local, pueden producir espacios bien iluminados que se mantienen en un rango de temperatura agradable. La Casa Megaron de Sócrates es un ejemplo clásico de diseño solar pasivo. [69] Los enfoques más recientes para el diseño solar utilizan modelos informáticos que unen sistemas de iluminación , calefacción y ventilación solares en un paquete de diseño solar integrado . [71] Los equipos solares activos , como bombas, ventiladores y ventanas intercambiables, pueden complementar el diseño pasivo y mejorar el rendimiento del sistema.
Las islas de calor urbano (UHI) son áreas metropolitanas con temperaturas más altas que las del entorno circundante. Las temperaturas más altas son el resultado de una mayor absorción de energía solar por materiales urbanos como el asfalto y el hormigón, que tienen albedos más bajos y capacidades caloríficas más altas que los del entorno natural. Un método sencillo para contrarrestar el efecto UHI es pintar edificios y carreteras de blanco y plantar árboles en el área. Utilizando estos métodos, un programa hipotético de "comunidades frescas" en Los Ángeles ha proyectado que las temperaturas urbanas podrían reducirse en aproximadamente 3 ° C a un costo estimado de mil millones de dólares, lo que arrojaría beneficios anuales totales estimados de 530 millones de dólares por la reducción del aire acondicionado. costes y ahorro sanitario. [72]
Agricultura y horticultura
La agricultura y la horticultura buscan optimizar la captación de energía solar para optimizar la productividad de las plantas. Las técnicas como los ciclos de siembra cronometrados, la orientación de las hileras a medida, las alturas escalonadas entre las hileras y la mezcla de variedades de plantas pueden mejorar los rendimientos de los cultivos. [73] [74] Si bien la luz solar generalmente se considera un recurso abundante, las excepciones destacan la importancia de la energía solar para la agricultura. Durante las cortas temporadas de crecimiento de la Pequeña Edad del Hielo , el francés y el ingléslos agricultores emplearon paredes de frutas para maximizar la recolección de energía solar. Estas paredes actuaron como masas térmicas y aceleraron la maduración al mantener las plantas calientes. Los primeros muros de frutas se construyeron perpendiculares al suelo y mirando al sur, pero con el tiempo, se desarrollaron muros inclinados para aprovechar mejor la luz solar. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier incluso sugirió utilizar un mecanismo de seguimiento que pudiera girar para seguir al Sol. [75] Las aplicaciones de la energía solar en la agricultura, además del cultivo de cultivos, incluyen bombear agua, secar cultivos, criar pollitos y secar estiércol de pollo. [44] [76] Más recientemente, los viticultores han adoptado la tecnología., que utilizan la energía generada por paneles solares para alimentar prensas de uva. [77]
Los invernaderos convierten la luz solar en calor, lo que permite la producción durante todo el año y el crecimiento (en entornos cerrados) de cultivos especiales y otras plantas que no se adaptan naturalmente al clima local. Los invernaderos primitivos se utilizaron por primera vez durante la época romana para producir pepinos durante todo el año para el emperador romano Tiberio . [78] Los primeros invernaderos modernos se construyeron en Europa en el siglo XVI para mantener plantas exóticas traídas de exploraciones en el extranjero. [79] Los invernaderos siguen siendo una parte importante de la horticultura en la actualidad. También se han utilizado materiales plásticos transparentes con un efecto similar en túneles de plástico y cubiertas de hileras .
Transporte
El desarrollo de un automóvil con energía solar ha sido un objetivo de ingeniería desde la década de 1980. El World Solar Challenge es una carrera bianual de autos con energía solar, donde equipos de universidades y empresas compiten a lo largo de 3.021 kilómetros (1.877 millas) en el centro de Australia, desde Darwin hasta Adelaide . En 1987, cuando se fundó, la velocidad promedio del ganador era de 67 kilómetros por hora (42 mph) y para 2007 la velocidad promedio del ganador había mejorado a 90,87 kilómetros por hora (56,46 mph). [80] El North American Solar Challenge y el South African Solar Challenge planeado son competiciones comparables que reflejan un interés internacional en la ingeniería y el desarrollo de vehículos de energía solar.[81] [82]
Algunos vehículos utilizan paneles solares como energía auxiliar, como el aire acondicionado, para mantener el interior fresco, reduciendo así el consumo de combustible. [83] [84]
En 1975, se construyó el primer barco solar práctico en Inglaterra. [85] En 1995, empezaron a aparecer barcos de pasajeros que incorporaban paneles fotovoltaicos y ahora se utilizan ampliamente. [86] En 1996, Kenichi Horie hizo el primer cruce del Océano Pacífico con energía solar, y el catamarán Sun21 hizo el primer cruce del Océano Atlántico con energía solar en el invierno de 2006-2007. [87] Había planes para dar la vuelta al mundo en 2010. [88]
En 1974, el avión no tripulado AstroFlight Sunrise realizó el primer vuelo solar. El 29 de abril de 1979, el Solar Riser realizó el primer vuelo en una máquina voladora de energía solar, totalmente controlada y transportada por personas, alcanzando una altitud de 40 pies (12 m). En 1980, el Gossamer Penguin realizó los primeros vuelos piloto propulsados únicamente por energía fotovoltaica. Esto fue seguido rápidamente por el Solar Challenger que cruzó el Canal de la Mancha en julio de 1981. En 1990 Eric Scott Raymond voló en 21 saltos desde California a Carolina del Norte utilizando energía solar. [89] Los desarrollos luego volvieron a los vehículos aéreos no tripulados (UAV) con el Pathfinder.(1997) y diseños posteriores, que culminaron en el Helios, que estableció el récord de altitud para una aeronave sin propulsión por cohete a 29.524 metros (96.864 pies) en 2001. [90] El Zephyr , desarrollado por BAE Systems , es el último de un línea de aviones solares récord, que realizó un vuelo de 54 horas en 2007, y se previeron vuelos de un mes para 2010. [91] A partir de 2016, Solar Impulse , un avión eléctrico , está actualmente dando la vuelta al mundo. Es un avión monoplaza alimentado por células solares y capaz de despegar por sus propios medios. El diseño permite que la aeronave permanezca en el aire durante varios días. [92]
Un globo solar es un globo negro que está lleno de aire ordinario. A medida que la luz del sol incide sobre el globo, el aire del interior se calienta y se expande, provocando una fuerza de flotabilidad hacia arriba , muy parecida a la de un globo de aire caliente calentado artificialmente . Algunos globos solares son lo suficientemente grandes para el vuelo humano, pero el uso generalmente se limita al mercado de los juguetes, ya que la relación entre el área de superficie y la carga útil es relativamente alta. [93]
Producción de combustible
Los procesos químicos solares utilizan la energía solar para impulsar reacciones químicas. Estos procesos compensan la energía que de otro modo provendría de una fuente de combustible fósil y también pueden convertir la energía solar en combustibles almacenables y transportables. Las reacciones químicas inducidas por el sol se pueden dividir en termoquímicas o fotoquímicas . [94] Se puede producir una variedad de combustibles mediante fotosíntesis artificial . [95] La química catalítica multielectrónica involucrada en la fabricación de combustibles a base de carbono (como el metanol ) a partir de la reducción de dióxido de carbono es un desafío; una alternativa factible es el hidrógenoproducción a partir de protones, aunque el uso de agua como fuente de electrones (como hacen las plantas) requiere dominar la oxidación multielectrónica de dos moléculas de agua a oxígeno molecular. [96] Algunos han previsto plantas de combustible solar en funcionamiento en áreas metropolitanas costeras para el año 2050: la división del agua de mar que proporciona hidrógeno para circular a través de plantas de energía eléctrica de pila de combustible adyacentes y el subproducto de agua pura directamente en el sistema de agua municipal. [97] Otra visión involucra a todas las estructuras humanas que cubren la superficie de la Tierra (es decir, carreteras, vehículos y edificios) realizando la fotosíntesis de manera más eficiente que las plantas. [98]
Las tecnologías de producción de hidrógeno han sido un área importante de la investigación química solar desde la década de 1970. Además de la electrólisis impulsada por células fotovoltaicas o fotoquímicas, también se han explorado varios procesos termoquímicos. Una de esas rutas utiliza concentradores para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno a altas temperaturas (2,300–2,600 ° C o 4,200–4,700 ° F). [99] Otro enfoque utiliza el calor de los concentradores solares para impulsar la reforma del vapor de gas natural, aumentando así el rendimiento general de hidrógeno en comparación con los métodos de reformado convencionales. [100] Los ciclos termoquímicos caracterizados por la descomposición y regeneración de reactivos presentan otra vía para la producción de hidrógeno. El proceso Solzinc en desarrollo en elEl Instituto de Ciencias Weizmann utiliza un horno solar de 1 MW para descomponer el óxido de zinc (ZnO) a temperaturas superiores a 1200 ° C (2200 ° F). Esta reacción inicial produce zinc puro, que posteriormente puede reaccionar con agua para producir hidrógeno. [101]
Métodos de almacenamiento de energía
Los sistemas de masa térmica pueden almacenar energía solar en forma de calor a temperaturas domésticas útiles durante períodos diarios o entre estaciones . Los sistemas de almacenamiento térmico generalmente utilizan materiales fácilmente disponibles con altas capacidades caloríficas específicas , como agua, tierra y piedra. Los sistemas bien diseñados pueden reducir la demanda máxima , cambiar el tiempo de uso a las horas de menor actividad y reducir los requisitos generales de calefacción y refrigeración. [102] [103]
Los materiales de cambio de fase, como la cera de parafina y la sal de Glauber, son otro medio de almacenamiento térmico. Estos materiales son económicos, fácilmente disponibles y pueden ofrecer temperaturas útiles a nivel nacional (aproximadamente 64 ° C o 147 ° F). La "Casa Dover" (en Dover, Massachusetts ) fue la primera en utilizar un sistema de calentamiento de sal de Glauber, en 1948. [104] La energía solar también se puede almacenar a altas temperaturas utilizando sales fundidas . Las sales son un medio de almacenamiento eficaz porque son de bajo costo, tienen una alta capacidad calorífica específica y pueden proporcionar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. El proyecto Solar Two utilizó este método de almacenamiento de energía, lo que le permitió almacenar 1,44terajulios (400.000 kWh) en su tanque de almacenamiento de 68 m³ con una eficiencia de almacenamiento anual de alrededor del 99%. [105]
Los sistemas fotovoltaicos fuera de la red han utilizado tradicionalmente baterías recargables para almacenar el exceso de electricidad. Con los sistemas conectados a la red, el exceso de electricidad se puede enviar a la red de transmisión , mientras que la electricidad de la red estándar se puede utilizar para cubrir los déficits. Los programas de medición neta otorgan crédito a los sistemas domésticos por la electricidad que suministran a la red. Esto se maneja "retrocediendo" el medidor cada vez que la casa produce más electricidad de la que consume. Si el uso neto de electricidad es inferior a cero, la empresa de servicios públicos transfiere el crédito de kilovatios-hora al mes siguiente. [106]Otros enfoques implican el uso de dos medidores para medir la electricidad consumida frente a la electricidad producida. Esto es menos común debido al mayor costo de instalación del segundo medidor. La mayoría de los medidores estándar miden con precisión en ambas direcciones, lo que hace innecesario un segundo medidor.
La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo almacena energía en forma de agua bombeada cuando hay energía disponible desde un depósito de menor elevación a uno de mayor elevación. La energía se recupera cuando la demanda es alta liberando el agua, convirtiéndose la bomba en un generador de energía hidroeléctrica. [107]
Desarrollo, despliegue y economía
Comenzando con el aumento en el uso del carbón , que acompañó a la Revolución Industrial , el consumo de energía ha pasado de manera constante de la madera y la biomasa a los combustibles fósiles . El desarrollo inicial de las tecnologías solares a partir de la década de 1860 fue impulsado por la expectativa de que el carbón pronto escasearía. Sin embargo, el desarrollo de las tecnologías solares se estancó a principios del siglo XX ante la creciente disponibilidad, economía y utilidad del carbón y el petróleo . [108]
El embargo de petróleo de 1973 y la crisis energética de 1979 provocaron una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo. Atrajo una renovada atención al desarrollo de tecnologías solares. [109] [110] Estrategias de implementación centradas en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización de Energía Fotovoltaica en los Estados Unidos y el Programa Sunshine en Japón. Otros esfuerzos incluyeron la formación de instalaciones de investigación en los EE. UU. (SERI, ahora NREL ), Japón ( NEDO ) y Alemania ( Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE ). [111]
Los calentadores de agua solares comerciales comenzaron a aparecer en los Estados Unidos en la década de 1890. [112] Estos sistemas vieron un uso creciente hasta la década de 1920, pero fueron reemplazados gradualmente por combustibles de calefacción más baratos y confiables. [113] Al igual que con la energía fotovoltaica, el calentamiento solar de agua atrajo una renovada atención como resultado de la crisis del petróleo en la década de 1970, pero el interés disminuyó en la década de 1980 debido a la caída de los precios del petróleo. El desarrollo en el sector del calentamiento solar de agua progresó de manera constante a lo largo de la década de 1990, y las tasas de crecimiento anual han promediado el 20% desde 1999. [26] Aunque en general se subestima, el calentamiento y enfriamiento solar del agua es, con mucho, la tecnología solar más utilizada con una capacidad estimada de 154 GW en 2007. [26]
La Agencia Internacional de Energía ha dicho que la energía solar puede hacer contribuciones considerables para resolver algunos de los problemas más urgentes que enfrenta el mundo ahora: [1]
El desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países mediante la dependencia de un recurso autóctono, inagotable y en su mayoría independiente de las importaciones, mejorará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, reducirá los costos de mitigar el cambio climático y mantendrá los precios de los combustibles fósiles más bajos que de otra manera. Estas ventajas son globales. Por lo tanto, los costos adicionales de los incentivos para la implementación temprana deben considerarse inversiones en aprendizaje; deben gastarse sabiamente y deben compartirse ampliamente. [1]
En 2011, un informe de la Agencia Internacional de Energía descubrió que las tecnologías de energía solar como la fotovoltaica, el agua caliente solar y la energía solar concentrada podrían proporcionar un tercio de la energía mundial para 2060 si los políticos se comprometen a limitar el cambio climático y hacer la transición a la energía renovable . La energía del Sol podría jugar un papel clave en la descarbonización de la economía global junto con mejoras en la eficiencia energética e imponer costos a los emisores de gases de efecto invernadero . "La fuerza de la energía solar es la increíble variedad y flexibilidad de aplicaciones, desde la pequeña hasta la gran escala". [114]
Hemos probado ... que después de que se agoten nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.
- Frank Shuman , New York Times, 2 de julio de 1916 [23]
Normas ISO
La Organización Internacional de Normalización ha establecido varios estándares relacionados con los equipos de energía solar. Por ejemplo, ISO 9050 se relaciona con el vidrio en el edificio, mientras que ISO 10217 se relaciona con los materiales utilizados en los calentadores de agua solares.
Ver también
- Cobre en energías renovables
- Desertec
- Oscurecimiento global
- Grasa
- Electricidad verde
- Helióstato
- Lista de temas de conservación
- Lista de organizaciones de energía renovable
- Lista de temas de energía solar
- Calor renovable
- Energía renovable por país
- Solarización del suelo
- Decatlón solar
- Servidumbre solar
- Uso de energía solar en las zonas rurales de África
- Torre de corriente ascendente solar
- Satélite de energía solar
- Seguidor solar
- SolarEdge
- Cronología de las células solares
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Otras lecturas
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