Diferencia entre revisiones de «Energía solar»
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| + | La [[radiación solar]] que alcanza la [[Tierra]] ha sido aprovechada por el ser humano desde la antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando. Hoy en día, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de diversos captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, pudiendo transformarse en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad. | ||
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| + | La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según informes de la organización ecologista Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. | ||
== Reseña histórica == | == Reseña histórica == | ||
| − | En el año [[ | + | En el año [[1887]] [[Heinrich Hertz]] estudiaba la emisión de ondas electromagnéticas al saltar chispas entre dos electrodos, cuando noto que las cargas saltaban más fácilmente si los electrodos eran iluminados por luz ultravioleta. Luego se comprobó que la luz provocaba la emisión de electrones en los metales. A ese fenómeno se le denomino efecto fotoeléctrico externo. |
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| + | En los semiconductores se descubrió el foto efecto interno, que provoca la aparición de cargas en el material al ser iluminado, separando estas cargas se genera una diferencia de potencia eléctrico que puede usarse para hacer circular corriente eléctrica por un circuito, iluminando una estancia, o haciendo funcionar un equipo eléctrico, etc. y se denomina Efecto Fotovoltaico. | ||
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| + | Este fue observado por primera vez en [[1896]] por Becquerel y en los inicios de la década de los cincuenta los científicos de los Laboratorios Bell Telephone de [[Estados Unidos]], los mismos que desarrollaron el primer transistor, construyeron la primera celda solar de silicio con una eficiencia aprovechable (6 %). | ||
| − | + | Desde [[1975]] se desarrollaron investigación de la energía solar fotovoltaica, los mismos han estado concentrados en el aumento de la eficiencia de conversión de la [[radiación solar]] en eléctrica, el aumento de la estabilidad de las celdas solares para varios tipos de tecnologías y la reducción de sus costos de fabricación y de los módulos solares fotovoltaicos. Prácticamente todas las opciones y tipos de celdas fotovoltaicas han sido investigados. | |
| − | + | == Tecnología y usos de la energía solar == | |
| − | + | Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general: | |
| − | + | *''' Energía solar activa '''. Para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60 °C), se utiliza en casas; de media temperatura, alcanza los 300 °C; y de alta temperatura, llega a alcanzar los 2000 °C. Esta última, se consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van dirigidos a un reflector que lleva a los rayos a un punto concreto. También puede ser por centrales de torre y por espejos parabólicos. | |
| + | *''' Energía solar pasiva. Aprovecha el calor del [[sol]] sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos. | ||
| + | *''' Energía solar térmica '''. Es usada para producir [[agua]] caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefacción. | ||
| + | *''' Energía solar fotovoltaica '''. Es usada para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se alteran con la [[radiación solar]]. | ||
| + | *''' Energía termosolar de concentración '''. Es usada para producir electricidad con un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite térmico). | ||
| + | *''' Energía solar híbrida '''. Combina la energía solar con otra [[energía]]. Según la energía con la que se combine es una hibridación: | ||
| + | **Renovable: biomasa, energía eólica. | ||
| + | **No renovable: Combustible fósil. | ||
| + | *''' Energía eólico solar '''. Funciona con el [[aire]] calentado por el [[sol]], que sube por una chimenea donde están los generadores. | ||
| − | + | == Energía solar pasiva == | |
| − | + | La tecnología solar pasiva es el conjunto de técnicas dirigidas al aprovechamiento de la energía solar de forma directa, sin transformarla en otro tipo de [[energía]], para su utilización inmediata o para su almacenamiento sin la necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo de energía, aunque puede ser complementada por ellos, por ejemplo para su regulación. Incluye sistemas con ganancia directa e indirecta para el calentamiento de espacios, sistemas de calentamiento de [[agua]] basados en termosifón, el uso de masa térmica y de materiales con cambio de fase para suavizar las oscilaciones de la temperatura del aire, cocinas solares, chimeneas solares para mejorar la ventilación natural y el propio abrigo de la tierra. La arquitectura bioclimática es la aplicación de este principio al diseño de edificaciones. La energía no se aprovecha por medio de captadores industrializados, sino que son los propios elementos constructivos los que absorben la energía de día y la redistribuyen por la noche. | |
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== Energía solar térmica == | == Energía solar térmica == | ||
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| + | La energía solar térmica (o energía termosolar) consiste en el aprovechamiento de la [[energía]] del [[Sol]] para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de [[agua]] doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de [[energía mecánica]] y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el [[aire]] de los locales. Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura: | ||
| − | + | *''' Colectores de baja temperatura '''. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de [[agua]] para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor de 60 °C, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc. | |
| + | *''' Colectores de temperatura media '''. Son los dispositivos que concentran la [[radiación solar]] para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 °C. En esta categoría se tiene a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación. | ||
| + | *''' Colectores de alta temperatura '''. Fueron inventadas por Frank Shuman y hoy día existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas superiores a los 500 °C y se usan para generar electricidad (electricidad termosolar) y transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son operados por productores independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de días nublados son remotas o escasas. | ||
| − | + | === Energía solar térmica de baja temperatura === | |
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| − | + | Una instalación solar térmica de baja temperatura está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, vaso de expansión y tuberías. Si el sistema funciona mediante termosifón será la diferencia de densidad por cambio de temperatura la que moverá el fluido. Si el sistema es forzado, entonces será necesario además dotar al sistema de una bomba de circulación y un sistema de control. | |
| − | + | Los captadores solares son los elementos que capturan la [[radiación solar]] y la convierten en energía térmica, en calor. Como captadores solares se conocen los de placa plana, los de tubos de vacío y los captadores absorbedores sin protección ni aislamiento. Los sistemas de captación planes (o de placa plana) con cubierta de [[vidrio]] son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente sanitaria ACS. El vidrio deja pasar los rayos del [[Sol]], estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras calientan más. | |
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| + | El vidrio que cubre el captador no sólo protege la instalación sino que también permite conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador. Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de aluminio, una junta perimetral libre de siliconas, aislante térmico (normalmente lana de [[roca]]), cubierta de vidrio solar de alta transparencia, y finalmente por tubos soldados que conducen el fluido portador de calor hacia el interior y el exterior del captador. | ||
| − | + | Los colectores solares se componen de los siguientes elementos: | |
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| − | + | *''' Cubierta '''. Es transparente, puede estar presente o no. Generalmente es de vidrio aunque también se utilizan de plástico ya que es menos caro y manejable, pero debe ser un plástico especial. Su función es minimizar las pérdidas por convección y radiación y por eso debe tener una transmitancia solar lo más alta posible. | |
| + | *''' Canal de aire '''. Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su espesor se calculará teniendo en cuenta para equilibrar las pérdidas por convección y las altas temperaturas que se pueden producir si es demasiado estrecho. | ||
| + | *''' Placa absorbente '''. La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite al líquido que circula por las tuberías. La principal característica de la placa es que tiene que tener una gran absorción solar y una emisión térmica reducida. Como los materiales comunes no cumplen con este requisito, se utilizan materiales combinados para obtener la mejor relación absorción/emisión. | ||
| + | *''' Tubos o conductos '''. Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el intercambio de [[energía]] sea lo más grande posible. Por los tubos circula el líquido que se calentará e irá hacia el tanque de acumulación. | ||
| + | *''' Capa aislante '''. La finalidad de la capa aislante es recubrir el sistema para evitar y minimizar pérdidas. Para que el aislamiento sea el mejor posible, el material aislante deberá tener una baja conductividad térmica. | ||
| − | == | + | === Energía solar térmica de media temperatura === |
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| − | + | Las instalaciones de temperatura media pueden usar varios diseños, los diseños más comunes son: glicol a presión, drenaje trasero, sistemas de lote y sistemas más nuevos de baja presión tolerantes al congelamiento que usan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Los estándares europeos e internacionales están siendo revisados para incluir las innovaciones en diseño y la operación de colectores de temperatura media. Las innovaciones operacionales incluyen la operación de "colectores permanentemente húmedos". Esta técnica reduce o incluso elimina la ocurrencia de tensiones de no flujo de alta temperatura conocidas como estancamiento, las que reducen la vida esperada de estos colectores. | |
| − | == | + | === Energía solar térmica de alta temperatura === |
| − | + | Las temperaturas inferiores a 95 ºC son suficientes para calefacción de espacios, en ese caso generalmente se usan colectores planos del tipo no concentradores. Debido a las relativamente altas pérdidas de calor a través del cristal, los colectores planos no logran alcanzar mucho más de 200 °C incluso cuando el fluido de transferencia está estancado. Tales temperaturas son demasiado bajas para ser usadas en la conversión eficiente en electricidad. | |
| − | + | La eficiencia de los motores térmicos se incrementa con la temperatura de la fuente de calor. Para lograr esto en las plantas de energía termal, la [[radiación solar]] es concentrada por medio de espejos o lentes para lograr altas temperaturas mediante una tecnología llamada energía termosolar de concentración (en inglés: Concentrated Solar Power, CSP). El efecto práctico de las mayores eficiencias es la reducción del tamaño de los colectores de la planta y del uso de terreno por unidad de energía generada, reduciendo el impacto ambiental de una central de potencia así como su costo. | |
| − | + | A medida de que la temperatura aumenta, diferentes formas de conversión se vuelven prácticas. Hasta 600 °C, las turbinas de vapor, la tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta 41 %, Por sobre los 600 °C, las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas y se necesitan diferentes materiales y técnicas. Uno propuesta para temperaturas muy altas es usar sales de fluoruro líquidas operando a temperaturas de entre 700 °C a 800 °C, que utilizan sistemas de turbinas de etapas múltiples para lograr eficiencias termales de 50 % o más. Las temperaturas más altas de operación le permiten a la planta usar intercambiadores de calor secos de alta temperatura para su escape termal, reduciendo el uso de [[agua]] de la planta, siendo esto crítico para que las centrales ubicadas en desiertos sean prácticas. También las altas temperaturas hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente, ya que se almacenan más watts-horas por unidad de fluido. | |
| − | + | Dado que una planta de energía termosolar de concentración (CSP) primero genera calor, puede almacenar dicho calor antes de convertirlo en electricidad. Con la actual tecnología, el almacenamiento de calor es mucho más barato que el almacenamiento de electricidad. De esta forma, una planta CSP pude producir electricidad durante el día y la noche. Si la ubicación de la planta CSP tiene una radiación solar predecible, entonces la planta se convierte en una central confiable de generación de energía. | |
| − | + | === Acumulación e intercambio de calor === | |
| − | + | El almacenamiento de calor permite que las centrales solares termales puedan producir electricidad durante las horas del día sin luz solar o por la noche. Esto permite el uso de la energía solar en la generación de carga base así como para la generación de potencia de punta, con el potencial de reemplazar a las centrales que usan [[combustibles fósiles]]. Adicionalmente, la utilización de los acumuladores reduce el coste de la electricidad generada con este tipo de centrales solares. | |
| − | + | El calor es transferido a un medio de almacenamiento termal en un depósito aislado durante las horas con luz solar y es recuperado para la generación de electricidad en la noche. Los medios de almacenamiento termal incluyen vapor presurizado, hormigón, una variedad de materiales con cambio de fase, y sales fundidas tales como [[calcio]], [[sodio]] y nitrato de potasio. | |
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| − | == | + | == Energía solar fotovoltaica == |
| − | + | [[imagen:Procesofotovoltaico.jpg|thumb|260px|left|Proceso fotovoltaico]] | |
| − | La | + | La energía solar fotovoltaica consiste en la obtención de electricidad obtenida directamente a partir de la [[radiación solar]] mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o bien mediante una deposición de metales sobre un sustrato denominada célula solar de película fina. |
| − | + | === Paneles solares fotovoltaicos === | |
| − | + | Un panel fotovoltaico consiste en una asociación de células, encapsulada en dos capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre una lámina frontal de vidrio y una capa posterior de un polímero termoplástico (normalmente tedlar). Este conjunto es enmarcado en una estructura de aluminio con el objetivo de aumentar la resistencia mecánica del conjunto y facilitar el anclaje del módulo a las estructuras de soporte. Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de silicio, y se puede dividir en tres subcategorías: | |
| − | + | *Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristal de silicio, normalmente manufacturado mediante el proceso Czochralski. Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme. | |
| + | *Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso. | ||
| + | *Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también menos costoso. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras. | ||
| − | + | El parámetro estandarizado para clasificar la potencia de un panel fotovoltaico se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son: | |
| − | + | *Radiación de 1000 W/m² | |
| + | *Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente). | ||
| − | + | Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica de silicio policristalino oscilan entre el 14 %-20 %. Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15 %-21 %. Los más altos se consiguen con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar un 70 % de rendimiento en la transferencia de energía solar a térmica). | |
| − | + | Los paneles solares fotovoltaicos no producen calor que se pueda reaprovechar -aunque hay líneas de investigación sobre paneles híbridos que permiten generar [[energía eléctrica]] y térmica simultáneamente. Sin embargo, son muy apropiados para proyectos de electrificación rural en zonas que no cuentan con red eléctrica, instalaciones sencillas en azoteas y de autoconsumo fotovoltaico. | |
| − | + | === Desarrollo de la energía solar fotovoltaica en el mundo === | |
| − | + | Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años. La energía solar fotovoltaica se usaba tradicionalmente desde su popularización a finales de los años [[1970]] para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica, pero sobre todo, de forma creciente durante los últimos años, para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución, bien mediante inyección a la red o para autoconsumo doméstico. | |
| − | + | Alemania es, junto a [[Japón]], [[China]] y [[Estados Unidos]], uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso. A finales de [[2015]], se habían instalado en todo el mundo cerca de 230 GW de potencia fotovoltaica, convirtiendo a la fotovoltaica en la tercera fuente de energía renovable más importante en términos de capacidad instalada a nivel global, después de las energías hidroeléctrica y eólica, y supone ya una fracción significativa del mix eléctrico en la [[Unión Europea]], cubriendo de media el 3,5 % de la demanda de electricidad y alcanzando el 7 % en los períodos de mayor producción. | |
| − | + | La considerable potencia instalada en [[Alemania]] (38 GW en 2014) ha protagonizado varios récords durante los últimos años. En [[junio]] de [[2014]], produjo hasta el 50,6% de toda la demanda eléctrica del país durante un solo día, alcanzando una potencia instantánea por encima de 24 GW, lo que equivale a la potencia de generación de casi 25 centrales nucleares trabajando a plena capacidad. | |
| − | + | === Autoconsumo fotovoltaico y paridad de red === | |
| − | + | El autoconsumo fotovoltaico consiste en la producción individual a pequeña escala de electricidad para el propio consumo, a través de los paneles solares. Ello se puede complementar con el balance neto. Este esquema de producción, que permite compensar el consumo eléctrico mediante lo generado por una instalación fotovoltaica en momentos de menor consumo, ya ha sido implantado con éxito en muchos países. Fue propuesto en [[España]] por la asociación fotovoltaica ASIF para promover la electricidad renovable sin necesidad de apoyo económico adicional. El balance neto estuvo en fase de proyecto por el IDAE y ha sido recogido en el Plan de Energías Renovables 2011-2020 y el Real Decreto 1699/2011, del [[18 de noviembre]], por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de [[energía eléctrica]] de pequeña potencia. | |
| − | + | Para incentivar el desarrollo de la tecnología con miras a alcanzar la paridad de red -igualar el precio de obtención de la energía al de otras fuentes más económicas en la actualidad-, existen primas a la producción, que garantizan un precio fijo de compra por parte de la red eléctrica. Es el caso de [[Alemania]], [[Italia]] o [[España]]. Este esquema de incentivos ya ha dado sus frutos, logrando que los costes de la energía fotovoltaica se sitúen por debajo del precio de venta de la electricidad tradicional en un número creciente de regiones. | |
| − | == | + | === La energía del futuro === |
| − | + | Según informes de Greenpeace, la fotovoltaica podrá suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. Y según un estudio publicado en [[2007]] por el Consejo Mundial de Energía, para el año 2100 el 70 % de la energía consumida será de origen solar. Por otro lado, algunos países, como es el caso de Tokelau, un archipiélago ubicado en el [[océano Pacífico]], no cuentan con mix eléctrico, ya que obtienen toda la electricidad que necesitan del [[sol]]. El país lo forman unos 125 islotes que abarcan un área de 10 km² y cuenta con cerca de 1.500 habitantes. La situación geográfica del archipiélago hace que el uso de combustibles fósiles sea comparativamente mucho más caro y difícil de mantener que un sistema fotovoltaico. | |
| − | |||
| − | == | + | == Bibliografías == |
| − | * | + | *Perpiñán Lamigueiro, O. (2012). Energía solar fotovoltaica. "Diseño de Sistemas Fotovoltaicos". Ed Progensa. 160 págs. (ISBN 978-84-95693-72-3) |
| + | *Stolik, D. (1993): «Estado actual y perspectivas de la energía fotovoltaica», Revista Cubana de Física, vol. 13, n.° 1, pp. 5-70. | ||
| + | *Stolik, D. (2012a): «Primera parte de 100 preguntas y respuestas sobre la energía FV», Energía y Tú, n.° 58, abril-junio, pp. 8-15 | ||
| + | *Stolik, D. (2012b): «Segunda parte de 100 preguntas y respuestas sobre la energía FV», Energía y Tú, n.° 59, julio-septiembre, pp. 7-11. | ||
| + | *Bérriz, L. P.: “Las energías renovables en Cuba”. Energía y tú. Energía y tú, (D) RNPS: 2219, (P) RNPS: 0597, No. 22, abril-junio, La Habana, Cuba, 2003. | ||
| + | *Bérriz, L. P.: “Energía Solar: la energía del pasado, presente y futuro”. Energía y tú, (D) RNPS: 2219, (P) RNPS: 0597, No.51, julio-septiembre, La Habana, Cuba, 2010. | ||
| + | *Turrini, Enrico: “Combustibles fósiles”. Capítulo II. El camino energético. El camino del Sol. Eco Solar, ISSN: 1028-6004, pp. 53-66, La Habana, Cuba, 1999. | ||
| + | *Bravo, D. 2015. Energía y desarrollo sostenible en Cuba. Revista Centro Azúcar, 42, pp 14-25. | ||
== Fuentes == | == Fuentes == | ||
| − | *[ | + | *[https://www.significados.com/energia-solar/ Significados.com] |
| − | *[ | + | *[https://www.fundacionaquae.org/energia-solar-ventajas-desventajas/ Fundación Aquae] |
| − | *[ | + | *[https://www.ejemplos.co/ejemplos-de-energia-solar/ Enciclopedia online de ejemplos] |
| − | *[ | + | *[https://www.um.es/web/campussostenible/ambiental/energia/energias-renovables/energia-solar-fotovoltaica/ Universidad de Murcia – España] |
| − | + | *[http://scielo.sld.cu/pdf/caz/v44n1/caz08117.pdf/ SciELO Cuba] | |
| − | *[http:// | + | *[https://www.redalyc.org/pdf/4255/425541210004.pdf/ Sistema de Información Científica Redalyc, Red de Revistas Científicas] |
| − | *[ | + | *[https://revistas.unah.edu.cu/index.php/IAgric/article/view/706/ Revista de Ingeniería Agrícola de la Universidad Agraria de La Habana] |
| − | *[ | + | *[http://repositorio.geotech.cu/jspui/bitstream/1234/4052/1/Energ%C3%ADa%20solar%20fotovoltaica%20independencia%20energ%C3%A9tica%20en%20los%20centros%20educacionales%20del.pdf/ Repositorio de Información de Medio Ambiente de Cuba] |
| − | *[http:// | ||
| − | [[Category:Física]] [[Category: | + | [[Category:Geografía]] |
| + | [[Category:Física]] | ||
| + | [[Category:Energía solar]] | ||
| + | [[Categoría:Artículos certificados]] | ||
última versión al 16:29 13 feb 2021
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Energía solar . Es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol.
La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando. Hoy en día, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de diversos captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, pudiendo transformarse en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad.
La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según informes de la organización ecologista Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.
Sumario
Reseña histórica
En el año 1887 Heinrich Hertz estudiaba la emisión de ondas electromagnéticas al saltar chispas entre dos electrodos, cuando noto que las cargas saltaban más fácilmente si los electrodos eran iluminados por luz ultravioleta. Luego se comprobó que la luz provocaba la emisión de electrones en los metales. A ese fenómeno se le denomino efecto fotoeléctrico externo.
En los semiconductores se descubrió el foto efecto interno, que provoca la aparición de cargas en el material al ser iluminado, separando estas cargas se genera una diferencia de potencia eléctrico que puede usarse para hacer circular corriente eléctrica por un circuito, iluminando una estancia, o haciendo funcionar un equipo eléctrico, etc. y se denomina Efecto Fotovoltaico.
Este fue observado por primera vez en 1896 por Becquerel y en los inicios de la década de los cincuenta los científicos de los Laboratorios Bell Telephone de Estados Unidos, los mismos que desarrollaron el primer transistor, construyeron la primera celda solar de silicio con una eficiencia aprovechable (6 %).
Desde 1975 se desarrollaron investigación de la energía solar fotovoltaica, los mismos han estado concentrados en el aumento de la eficiencia de conversión de la radiación solar en eléctrica, el aumento de la estabilidad de las celdas solares para varios tipos de tecnologías y la reducción de sus costos de fabricación y de los módulos solares fotovoltaicos. Prácticamente todas las opciones y tipos de celdas fotovoltaicas han sido investigados.
Tecnología y usos de la energía solar
Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:
- Energía solar activa . Para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60 °C), se utiliza en casas; de media temperatura, alcanza los 300 °C; y de alta temperatura, llega a alcanzar los 2000 °C. Esta última, se consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van dirigidos a un reflector que lleva a los rayos a un punto concreto. También puede ser por centrales de torre y por espejos parabólicos.
- Energía solar pasiva. Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos.
- Energía solar térmica . Es usada para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefacción.
- Energía solar fotovoltaica . Es usada para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se alteran con la radiación solar.
- Energía termosolar de concentración . Es usada para producir electricidad con un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite térmico).
- Energía solar híbrida . Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con la que se combine es una hibridación:
- Renovable: biomasa, energía eólica.
- No renovable: Combustible fósil.
- Energía eólico solar . Funciona con el aire calentado por el sol, que sube por una chimenea donde están los generadores.
Energía solar pasiva
La tecnología solar pasiva es el conjunto de técnicas dirigidas al aprovechamiento de la energía solar de forma directa, sin transformarla en otro tipo de energía, para su utilización inmediata o para su almacenamiento sin la necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo de energía, aunque puede ser complementada por ellos, por ejemplo para su regulación. Incluye sistemas con ganancia directa e indirecta para el calentamiento de espacios, sistemas de calentamiento de agua basados en termosifón, el uso de masa térmica y de materiales con cambio de fase para suavizar las oscilaciones de la temperatura del aire, cocinas solares, chimeneas solares para mejorar la ventilación natural y el propio abrigo de la tierra. La arquitectura bioclimática es la aplicación de este principio al diseño de edificaciones. La energía no se aprovecha por medio de captadores industrializados, sino que son los propios elementos constructivos los que absorben la energía de día y la redistribuyen por la noche.
Energía solar térmica
La energía solar térmica (o energía termosolar) consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales. Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura:
- Colectores de baja temperatura . Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor de 60 °C, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc.
- Colectores de temperatura media . Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 °C. En esta categoría se tiene a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación.
- Colectores de alta temperatura . Fueron inventadas por Frank Shuman y hoy día existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas superiores a los 500 °C y se usan para generar electricidad (electricidad termosolar) y transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son operados por productores independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de días nublados son remotas o escasas.
Energía solar térmica de baja temperatura
Una instalación solar térmica de baja temperatura está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, vaso de expansión y tuberías. Si el sistema funciona mediante termosifón será la diferencia de densidad por cambio de temperatura la que moverá el fluido. Si el sistema es forzado, entonces será necesario además dotar al sistema de una bomba de circulación y un sistema de control.
Los captadores solares son los elementos que capturan la radiación solar y la convierten en energía térmica, en calor. Como captadores solares se conocen los de placa plana, los de tubos de vacío y los captadores absorbedores sin protección ni aislamiento. Los sistemas de captación planes (o de placa plana) con cubierta de vidrio son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente sanitaria ACS. El vidrio deja pasar los rayos del Sol, estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras calientan más.
El vidrio que cubre el captador no sólo protege la instalación sino que también permite conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador. Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de aluminio, una junta perimetral libre de siliconas, aislante térmico (normalmente lana de roca), cubierta de vidrio solar de alta transparencia, y finalmente por tubos soldados que conducen el fluido portador de calor hacia el interior y el exterior del captador.
Los colectores solares se componen de los siguientes elementos:
- Cubierta . Es transparente, puede estar presente o no. Generalmente es de vidrio aunque también se utilizan de plástico ya que es menos caro y manejable, pero debe ser un plástico especial. Su función es minimizar las pérdidas por convección y radiación y por eso debe tener una transmitancia solar lo más alta posible.
- Canal de aire . Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su espesor se calculará teniendo en cuenta para equilibrar las pérdidas por convección y las altas temperaturas que se pueden producir si es demasiado estrecho.
- Placa absorbente . La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite al líquido que circula por las tuberías. La principal característica de la placa es que tiene que tener una gran absorción solar y una emisión térmica reducida. Como los materiales comunes no cumplen con este requisito, se utilizan materiales combinados para obtener la mejor relación absorción/emisión.
- Tubos o conductos . Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el intercambio de energía sea lo más grande posible. Por los tubos circula el líquido que se calentará e irá hacia el tanque de acumulación.
- Capa aislante . La finalidad de la capa aislante es recubrir el sistema para evitar y minimizar pérdidas. Para que el aislamiento sea el mejor posible, el material aislante deberá tener una baja conductividad térmica.
Energía solar térmica de media temperatura
Las instalaciones de temperatura media pueden usar varios diseños, los diseños más comunes son: glicol a presión, drenaje trasero, sistemas de lote y sistemas más nuevos de baja presión tolerantes al congelamiento que usan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Los estándares europeos e internacionales están siendo revisados para incluir las innovaciones en diseño y la operación de colectores de temperatura media. Las innovaciones operacionales incluyen la operación de "colectores permanentemente húmedos". Esta técnica reduce o incluso elimina la ocurrencia de tensiones de no flujo de alta temperatura conocidas como estancamiento, las que reducen la vida esperada de estos colectores.
Energía solar térmica de alta temperatura
Las temperaturas inferiores a 95 ºC son suficientes para calefacción de espacios, en ese caso generalmente se usan colectores planos del tipo no concentradores. Debido a las relativamente altas pérdidas de calor a través del cristal, los colectores planos no logran alcanzar mucho más de 200 °C incluso cuando el fluido de transferencia está estancado. Tales temperaturas son demasiado bajas para ser usadas en la conversión eficiente en electricidad.
La eficiencia de los motores térmicos se incrementa con la temperatura de la fuente de calor. Para lograr esto en las plantas de energía termal, la radiación solar es concentrada por medio de espejos o lentes para lograr altas temperaturas mediante una tecnología llamada energía termosolar de concentración (en inglés: Concentrated Solar Power, CSP). El efecto práctico de las mayores eficiencias es la reducción del tamaño de los colectores de la planta y del uso de terreno por unidad de energía generada, reduciendo el impacto ambiental de una central de potencia así como su costo.
A medida de que la temperatura aumenta, diferentes formas de conversión se vuelven prácticas. Hasta 600 °C, las turbinas de vapor, la tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta 41 %, Por sobre los 600 °C, las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas y se necesitan diferentes materiales y técnicas. Uno propuesta para temperaturas muy altas es usar sales de fluoruro líquidas operando a temperaturas de entre 700 °C a 800 °C, que utilizan sistemas de turbinas de etapas múltiples para lograr eficiencias termales de 50 % o más. Las temperaturas más altas de operación le permiten a la planta usar intercambiadores de calor secos de alta temperatura para su escape termal, reduciendo el uso de agua de la planta, siendo esto crítico para que las centrales ubicadas en desiertos sean prácticas. También las altas temperaturas hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente, ya que se almacenan más watts-horas por unidad de fluido.
Dado que una planta de energía termosolar de concentración (CSP) primero genera calor, puede almacenar dicho calor antes de convertirlo en electricidad. Con la actual tecnología, el almacenamiento de calor es mucho más barato que el almacenamiento de electricidad. De esta forma, una planta CSP pude producir electricidad durante el día y la noche. Si la ubicación de la planta CSP tiene una radiación solar predecible, entonces la planta se convierte en una central confiable de generación de energía.
Acumulación e intercambio de calor
El almacenamiento de calor permite que las centrales solares termales puedan producir electricidad durante las horas del día sin luz solar o por la noche. Esto permite el uso de la energía solar en la generación de carga base así como para la generación de potencia de punta, con el potencial de reemplazar a las centrales que usan combustibles fósiles. Adicionalmente, la utilización de los acumuladores reduce el coste de la electricidad generada con este tipo de centrales solares.
El calor es transferido a un medio de almacenamiento termal en un depósito aislado durante las horas con luz solar y es recuperado para la generación de electricidad en la noche. Los medios de almacenamiento termal incluyen vapor presurizado, hormigón, una variedad de materiales con cambio de fase, y sales fundidas tales como calcio, sodio y nitrato de potasio.
Energía solar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica consiste en la obtención de electricidad obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o bien mediante una deposición de metales sobre un sustrato denominada célula solar de película fina.
Paneles solares fotovoltaicos
Un panel fotovoltaico consiste en una asociación de células, encapsulada en dos capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre una lámina frontal de vidrio y una capa posterior de un polímero termoplástico (normalmente tedlar). Este conjunto es enmarcado en una estructura de aluminio con el objetivo de aumentar la resistencia mecánica del conjunto y facilitar el anclaje del módulo a las estructuras de soporte. Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de silicio, y se puede dividir en tres subcategorías:
- Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristal de silicio, normalmente manufacturado mediante el proceso Czochralski. Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.
- Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso.
- Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también menos costoso. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras.
El parámetro estandarizado para clasificar la potencia de un panel fotovoltaico se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:
- Radiación de 1000 W/m²
- Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica de silicio policristalino oscilan entre el 14 %-20 %. Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15 %-21 %. Los más altos se consiguen con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar un 70 % de rendimiento en la transferencia de energía solar a térmica).
Los paneles solares fotovoltaicos no producen calor que se pueda reaprovechar -aunque hay líneas de investigación sobre paneles híbridos que permiten generar energía eléctrica y térmica simultáneamente. Sin embargo, son muy apropiados para proyectos de electrificación rural en zonas que no cuentan con red eléctrica, instalaciones sencillas en azoteas y de autoconsumo fotovoltaico.
Desarrollo de la energía solar fotovoltaica en el mundo
Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años. La energía solar fotovoltaica se usaba tradicionalmente desde su popularización a finales de los años 1970 para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica, pero sobre todo, de forma creciente durante los últimos años, para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución, bien mediante inyección a la red o para autoconsumo doméstico.
Alemania es, junto a Japón, China y Estados Unidos, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso. A finales de 2015, se habían instalado en todo el mundo cerca de 230 GW de potencia fotovoltaica, convirtiendo a la fotovoltaica en la tercera fuente de energía renovable más importante en términos de capacidad instalada a nivel global, después de las energías hidroeléctrica y eólica, y supone ya una fracción significativa del mix eléctrico en la Unión Europea, cubriendo de media el 3,5 % de la demanda de electricidad y alcanzando el 7 % en los períodos de mayor producción.
La considerable potencia instalada en Alemania (38 GW en 2014) ha protagonizado varios récords durante los últimos años. En junio de 2014, produjo hasta el 50,6% de toda la demanda eléctrica del país durante un solo día, alcanzando una potencia instantánea por encima de 24 GW, lo que equivale a la potencia de generación de casi 25 centrales nucleares trabajando a plena capacidad.
Autoconsumo fotovoltaico y paridad de red
El autoconsumo fotovoltaico consiste en la producción individual a pequeña escala de electricidad para el propio consumo, a través de los paneles solares. Ello se puede complementar con el balance neto. Este esquema de producción, que permite compensar el consumo eléctrico mediante lo generado por una instalación fotovoltaica en momentos de menor consumo, ya ha sido implantado con éxito en muchos países. Fue propuesto en España por la asociación fotovoltaica ASIF para promover la electricidad renovable sin necesidad de apoyo económico adicional. El balance neto estuvo en fase de proyecto por el IDAE y ha sido recogido en el Plan de Energías Renovables 2011-2020 y el Real Decreto 1699/2011, del 18 de noviembre, por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia.
Para incentivar el desarrollo de la tecnología con miras a alcanzar la paridad de red -igualar el precio de obtención de la energía al de otras fuentes más económicas en la actualidad-, existen primas a la producción, que garantizan un precio fijo de compra por parte de la red eléctrica. Es el caso de Alemania, Italia o España. Este esquema de incentivos ya ha dado sus frutos, logrando que los costes de la energía fotovoltaica se sitúen por debajo del precio de venta de la electricidad tradicional en un número creciente de regiones.
La energía del futuro
Según informes de Greenpeace, la fotovoltaica podrá suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. Y según un estudio publicado en 2007 por el Consejo Mundial de Energía, para el año 2100 el 70 % de la energía consumida será de origen solar. Por otro lado, algunos países, como es el caso de Tokelau, un archipiélago ubicado en el océano Pacífico, no cuentan con mix eléctrico, ya que obtienen toda la electricidad que necesitan del sol. El país lo forman unos 125 islotes que abarcan un área de 10 km² y cuenta con cerca de 1.500 habitantes. La situación geográfica del archipiélago hace que el uso de combustibles fósiles sea comparativamente mucho más caro y difícil de mantener que un sistema fotovoltaico.
Bibliografías
- Perpiñán Lamigueiro, O. (2012). Energía solar fotovoltaica. "Diseño de Sistemas Fotovoltaicos". Ed Progensa. 160 págs. (ISBN 978-84-95693-72-3)
- Stolik, D. (1993): «Estado actual y perspectivas de la energía fotovoltaica», Revista Cubana de Física, vol. 13, n.° 1, pp. 5-70.
- Stolik, D. (2012a): «Primera parte de 100 preguntas y respuestas sobre la energía FV», Energía y Tú, n.° 58, abril-junio, pp. 8-15
- Stolik, D. (2012b): «Segunda parte de 100 preguntas y respuestas sobre la energía FV», Energía y Tú, n.° 59, julio-septiembre, pp. 7-11.
- Bérriz, L. P.: “Las energías renovables en Cuba”. Energía y tú. Energía y tú, (D) RNPS: 2219, (P) RNPS: 0597, No. 22, abril-junio, La Habana, Cuba, 2003.
- Bérriz, L. P.: “Energía Solar: la energía del pasado, presente y futuro”. Energía y tú, (D) RNPS: 2219, (P) RNPS: 0597, No.51, julio-septiembre, La Habana, Cuba, 2010.
- Turrini, Enrico: “Combustibles fósiles”. Capítulo II. El camino energético. El camino del Sol. Eco Solar, ISSN: 1028-6004, pp. 53-66, La Habana, Cuba, 1999.
- Bravo, D. 2015. Energía y desarrollo sostenible en Cuba. Revista Centro Azúcar, 42, pp 14-25.
Fuentes
- Significados.com
- Fundación Aquae
- Enciclopedia online de ejemplos
- Universidad de Murcia – España
- SciELO Cuba
- Sistema de Información Científica Redalyc, Red de Revistas Científicas
- Revista de Ingeniería Agrícola de la Universidad Agraria de La Habana
- Repositorio de Información de Medio Ambiente de Cuba
