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Energia solar
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La energía solar es la energía radiante originada en el Sol como consecuencia de reacciones nucleares de fusión; Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía denominados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La fuerza de la radiación solar en el borde superficial de la atmósfera, si se contempla que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se conoce como constante solar, y su valor medio es 1,37 × 10 6 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta proporción no es constante, ya que se considera que varía un 0,2% en un espacio de 30 años. La cantidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que provoca la interacción de los fotones con la atmósfera.La intensidad de energía solar disponible en un punto establecido de la Tierra depende, de forma complicada pero imaginable, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la dosis de energía solar que puede utilizarse depende de la orientación del dispositivo receptor. Transformación natural de la energía solar El aporte natural de energía solar se desencadena en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, originan vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas actuales de energía eólica emplean hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se ensamblan a generadores, generan electricidad para usos locales y especializados o para abastecer la red eléctrica de una región o comunidad.Cerca de el 30% de la energía solar que toca el borde exterior de la atmósfera se agota en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que producen estas aguas en movilidad al pasar por las turbinas modernas se denomina energía hidroeléctrica. Gracias al procedimiento de fotosintesis, la energía solar favorece al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico provienen de plantas antiguas, puede ser empleada como combustible. Diferentes combustibles como el alcohol y el metano también pueden obtenerse de la biomasa. De la misma forma, los océanos simbolizan un tipo natural de captación de energía solar. Como efecto de su filtración por los océanos y por las corrientes oceánicas, se generan gradientes de temperatura. En ciertos lugares, estas alteraciones verticales alcanzan 20 °C en recorridos de algunos cientos de metros. Cuando hay considerables masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos auguran que se puede crear un ciclo generador de energía que obtiene energía de la masa con mayor temperatura y llevar una cantidad a la masa con temperatura menor. La diferencia entre estas energías se expresa como energía mecánica (para activar una turbina, por ejemplo), que puede acoplarse a un generador, para generar electricidad. Estas técnicas, llamadas tecnicas de conversión de energía térmica oceánica (CETO), necesitan enormes intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para obtener potencias del orden de megavatios.Recogida directa de energía solar La recogida directa de energía solar precisa dispositivos artificiales citados, colectores solares, creados para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez acumulada, se emplea en procedimientos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procedimientos térmicos, la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se acumula o se distribuye. En los procedimientos fotovoltaicos, la energía solar se transforma en energía eléctrica sin ningún elemento mecánico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración. Colectores de placa plana En los procedimientos térmicos los colectores de placa plana atrapan la radiación solar en una placa de absorción por la que circula el citado fluido portador. Éste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al traspasar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción. La energía transportada por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y mostrada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector. Los colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar disminuir las pérdidas de calor de la placa de absorción en un empeño para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82 °C y conseguir entre el 40 y el 80% de eficiencia.Los colectores de placa plana se han utilizado de manera eficaz para calentar agua y para calefacción. Los métodos típicos para casa-habitación utilizan colectores fijos, colocados sobre el tejado. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de inclinación favorable para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que se usan durante todo el año, como los que elaboran agua caliente, los colectores se inclinan (respecto al plano horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se orientan unos 20° latitud S o 20° de latitud N. Aparte de de los colectores de placa plana, los procedimientos típicos de agua caliente y calefacción están compuestos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para accionar el bombeo y un elemento de acumulación. El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado se utilizan como medio de acumulación de energía. Colectores de concentración Para funciones como el aire acondicionado y la generación central de energía y de calor para afrontar las grandes necesidades industriales, los colectores de placa plana no proporcionan, en términos generales, fluidos con temperaturas suficientemente elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una primera fase, y después el fluido se trata con medios convencionales de calentamiento. Como posibilidad, se pueden emplear colectores de concentración más complejos y costosos. Son aparatos que reflejan y concentran la energía solar incidente sobre un zona receptora pequeña. Como efecto de esta concentración, la intensidad de la energía solar se incrementa y las temperaturas del receptor (llamado ‘blanco’) pueden aproximarse a varios cientos, o incluso miles, de grados Celsius. Los concentradores deben desplazarse para seguir al Sol si se quiere que funcionen con eficacia; los dispositivos utilizados para ello se denominan heliostatos. Hornos solares Los hornos solares son una utilización significativa de los concentradores de alta temperatura. El mas grande, ubicado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m 2 para obtener temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son perfectos para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que demandan temperaturas altas en ambientes libres de contaminantes.Receptores centrales La producción centralizada de electricidad a partir de energía solar está en progreso. En la significación de receptor central, o de torre de potencia, una matriz de reflectores sobrepuestos sobre heliostatos comprobados por computadora reflejan y concentran los rayos del Sol encima de una caldera de agua situada sobre la torre. El vapor originado puede emplearse en los ciclos convencionales de las plantas de energía y producir electricidad. Enfriamiento solar Se puede elaborar frío con la utilización de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción. Uno de los elementos de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, denominado generador, requiere una fuente de calor. Puesto que, en general, se necesitan temperaturas superiores a 150 °C para que los mecanismos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más adecuados que los de placa plana.Electricidad fotovoltaica Las células solares elaboradas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor en estado cristalino, transforman la radiación en electricidad de manera directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de conversión por encima del 30% A través de la conexión de muchas de estas células en módulos, el precio de la electricidad fotovoltaica se ha rebajado mucho. La utilización actual de las células solares se reduce a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves espaciales. Energía solar en el espacio Un proyecto futurista planteado para generar energía a gran escala plantea colocar módulos solares en órbita alrededor de la Tierra. En ellos la energía concentrada de la luz solar se transformaría en microondas que se proyectarían hacia antenas terrestres para su conversión en energía eléctrica. Para generar tanta potencia como cinco plantas grandes de energía nuclear (de mil millones de vatios cada una), tendrían que ser conectados en órbita varios kilómetros cuadrados de colectores, con un peso de más de 4000 t; se precisaría una antena en tierra de 8 m de diámetro. Se conseguirían fabricar sistemas más pequeños para islas remotas, pero la economía de escala supone ventajas para un único sistema de gran capacidad.Dispositivos de almacenamiento de energía solar Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar como fuente energética durante los periodos de baja demanda debe acumularse el sobrante de energía solar para cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente. Además de los procedimientos sencillos de acumulación como el agua y la roca, se pueden utilizar, en particular en las funciones de refrigeración, mecanismos más compactos que se apoyan en los cambios de fase característicos de las sales eutécticas (sales que se disuelven a bajas temperaturas). Los acumuladores pueden valer para acumular el exceso de energía eléctrica generada por componentes eólicos o fotovoltaicos. Un concepto más global es la entrega del sobrante de energía eléctrica a las redes presentes y el uso de las mismas como fuentes adicionales si la disponibilidad solar es escasa. No obstante, la economía y la fiabilidad de este proyecto supone límites a esta alternativa. |