La energía solar es cualquier tipo de energía generada por el sol.
La energía solar se crea por fusión nuclear que tiene lugar en el sol. La fusión ocurre cuando los protones de los átomos de hidrógeno chocan violentamente en el núcleo del sol y se fusionan para crear un átomo de helio.
Este proceso, conocido como reacción en cadena PP (protón-protón), emite una enorme cantidad de energía. En su núcleo, el sol fusiona alrededor de 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada segundo. La reacción en cadena PP ocurre en otras estrellas que son del tamaño aproximado de nuestro sol, y les proporciona energía y calor continuos. La temperatura de estas estrellas es de alrededor de 4 millones de grados en la escala Kelvin (alrededor de 4 millones de grados Celsius, 7 millones de grados Fahrenheit).
En estrellas que son aproximadamente 1,3 veces más grandes que el sol, el ciclo CNO impulsa la creación de energía. El ciclo CNO también convierte el hidrógeno en helio, pero depende del carbono, el nitrógeno y el oxígeno (C, N y O) para hacerlo. Actualmente, menos del 2% de la energía del sol es creada por el ciclo CNO.
La fusión nuclear por reacción en cadena PP o ciclo CNO libera enormes cantidades de energía en forma de ondas y partículas. La energía solar fluye constantemente desde el sol y por todo el sistema solar. La energía solar calienta la Tierra, provoca viento y clima, y sostiene la vida vegetal y animal.
La energía, el calor y la luz del sol fluyen en forma de radiación electromagnética (EMR).
El espectro electromagnético existe como ondas de diferentes frecuencias y longitudes de onda. La frecuencia de una onda representa cuántas veces la onda se repite en una determinada unidad de tiempo. Las ondas con longitudes de onda muy cortas se repiten varias veces en una unidad de tiempo dada, por lo que son de alta frecuencia. En contraste, las ondas de baja frecuencia tienen longitudes de onda mucho más largas.
La gran mayoría de las ondas electromagnéticas son invisibles para nosotros. Las ondas de mayor frecuencia emitidas por el sol son los rayos gamma, los rayos X y la radiación ultravioleta (rayos UV). Los rayos UV más dañinos son absorbidos casi por completo por la atmósfera de la Tierra. Los rayos UV menos potentes viajan a través de la atmósfera y pueden causar quemaduras solares.
El sol también emite radiación infrarroja, cuyas ondas son de frecuencia mucho menor. La mayor parte del calor del sol llega como energía infrarroja.
Intercalado entre infrarrojo y UV está el espectro visible, que contiene todos los colores que vemos en la Tierra. El color rojo tiene las longitudes de onda más largas (más cercanas al infrarrojo), y el violeta (más cercano a los rayos UV) el más corto.
Energía Solar natural
Efecto invernadero
Las ondas infrarrojas, visibles y UV que llegan a la Tierra participan en un proceso de calentamiento del planeta y de hacer posible la vida, el llamado «efecto invernadero».»
Alrededor del 30% de la energía solar que llega a la Tierra se refleja en el espacio. El resto es absorbido por la atmósfera de la Tierra. La radiación calienta la superficie de la Tierra, y la superficie irradia parte de la energía en forma de ondas infrarrojas. A medida que se elevan a través de la atmósfera, son interceptados por gases de efecto invernadero, como el vapor de agua y el dióxido de carbono.
Los gases de efecto invernadero atrapan el calor que se refleja de nuevo en la atmósfera. De esta manera, actúan como las paredes de vidrio de un invernadero. Este efecto invernadero mantiene la Tierra lo suficientemente caliente como para sostener la vida.
Fotosíntesis
Casi toda la vida en la Tierra depende de la energía solar para alimentarse, ya sea directa o indirectamente.
Los productores dependen directamente de la energía solar. Absorben la luz solar y la convierten en nutrientes a través de un proceso llamado fotosíntesis. Los productores, también llamados autótrofos, incluyen plantas, algas, bacterias y hongos. Los autótrofos son la base de la red alimentaria.
Los consumidores dependen de los productores para obtener nutrientes. Herbívoros, carnívoros, omnívoros y detritívoros dependen indirectamente de la energía solar. Los herbívoros comen plantas y otros productores. Los carnívoros y omnívoros se alimentan tanto de productores como de herbívoros. Los detritívoros descomponen la materia vegetal y animal al consumirla.
Combustibles fósiles
La fotosíntesis también es responsable de todos los combustibles fósiles en la Tierra. Los científicos estiman que hace unos 3 mil millones de años, los primeros autótrofos evolucionaron en entornos acuáticos. La luz solar permitió que la vida vegetal prosperara y evolucionara. Después de la muerte de los autótrofos, se descompusieron y se adentraron más profundamente en la Tierra, a veces a miles de metros. Este proceso continuó durante millones de años.
Bajo presión intensa y altas temperaturas, estos restos se convirtieron en lo que conocemos como combustibles fósiles. Los microorganismos se convirtieron en petróleo, gas natural y carbón.
Las personas han desarrollado procesos para extraer estos combustibles fósiles y usarlos para obtener energía. Sin embargo, los combustibles fósiles son un recurso no renovable. Tardan millones de años en formarse.
Aprovechar la energía solar
La energía solar es un recurso renovable, y muchas tecnologías pueden cosecharla directamente para su uso en hogares, negocios, escuelas y hospitales. Algunas tecnologías de energía solar incluyen células y paneles fotovoltaicos, energía solar concentrada y arquitectura solar.
Hay diferentes formas de capturar la radiación solar y convertirla en energía utilizable. Los métodos utilizan energía solar activa o energía solar pasiva.
Las tecnologías solares activas utilizan dispositivos eléctricos o mecánicos para convertir activamente la energía solar en otra forma de energía, la mayoría de las veces calor o electricidad. Las tecnologías solares pasivas no utilizan dispositivos externos. En cambio, aprovechan el clima local para calentar las estructuras durante el invierno y reflejan el calor durante el verano.
Energía fotovoltaica
La energía fotovoltaica es una forma de tecnología solar activa que fue descubierta en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, de 19 años de edad. Becquerel descubrió que cuando colocó cloruro de plata en una solución ácida y lo expuso a la luz solar, los electrodos de platino conectados a ella generaron una corriente eléctrica. Este proceso de generación de electricidad directamente a partir de la radiación solar se denomina efecto fotovoltaico o energía fotovoltaica.
Hoy en día, la energía fotovoltaica es probablemente la forma más familiar de aprovechar la energía solar. Los paneles fotovoltaicos suelen incluir paneles solares, una colección de docenas o incluso cientos de células solares.
Cada célula solar contiene un semiconductor, generalmente hecho de silicio. Cuando el semiconductor absorbe la luz solar, suelta electrones. Un campo eléctrico dirige estos electrones sueltos hacia una corriente eléctrica, fluyendo en una dirección. Los contactos metálicos en la parte superior e inferior de una célula solar dirigen esa corriente a un objeto externo. El objeto externo puede ser tan pequeño como una calculadora de energía solar o tan grande como una central eléctrica.
La energía fotovoltaica se utilizó por primera vez en naves espaciales. Muchos satélites, incluida la Estación Espacial Internacional, cuentan con «alas» anchas y reflectantes de paneles solares. La Estación Espacial Internacional tiene dos alas de paneles solares (sierras), cada una de las cuales utiliza unas 33.000 células solares. Estas células fotovoltaicas suministran toda la electricidad a la Estación Espacial Internacional, lo que permite a los astronautas operar la estación, vivir de forma segura en el espacio durante meses y realizar experimentos científicos y de ingeniería.
Se han construido centrales fotovoltaicas en todo el mundo. Las estaciones más grandes se encuentran en Estados Unidos, India y China. Estas centrales eléctricas emiten cientos de megavatios de electricidad, que se utilizan para abastecer hogares, negocios, escuelas y hospitales.
La tecnología fotovoltaica también se puede instalar a menor escala. Los paneles y células solares se pueden fijar a los techos o paredes exteriores de los edificios, suministrando electricidad a la estructura. Se pueden colocar a lo largo de carreteras a carreteras ligeras. Las células solares son lo suficientemente pequeñas como para alimentar dispositivos aún más pequeños, como calculadoras, parquímetros, compactadores de basura y bombas de agua.
Energía solar concentrada
Otro tipo de tecnología solar activa es la energía solar concentrada o la energía solar concentrada (CSP). La tecnología CSP utiliza lentes y espejos para enfocar (concentrar) la luz solar de un área grande a un área mucho más pequeña. Esta intensa área de radiación calienta un fluido, que a su vez genera electricidad o alimenta otro proceso.
Los hornos solares son un ejemplo de energía solar concentrada. Hay muchos tipos diferentes de hornos solares, incluyendo torres de energía solar, canales parabólicos y reflectores de Fresnel. Utilizan el mismo método general para capturar y convertir energía.
Las torres de energía solar utilizan helióstatos, espejos planos que giran para seguir el arco del sol a través del cielo. Los espejos están dispuestos alrededor de una «torre colectora» central y reflejan la luz solar en un rayo de luz concentrado que brilla en un punto focal de la torre.
En diseños anteriores de torres de energía solar, la luz solar concentrada calentaba un recipiente de agua, que producía vapor que alimentaba una turbina. Más recientemente, algunas torres de energía solar utilizan sodio líquido, que tiene una mayor capacidad calorífica y retiene el calor por un período de tiempo más largo. Esto significa que el fluido no solo alcanza temperaturas de 773 a 1,273 K (500 a 1,000° C o 932 a 1,832° F), sino que puede continuar hirviendo agua y generar energía incluso cuando el sol no brilla.
Los canales parabólicos y los reflectores Fresnel también utilizan CSP, pero sus espejos tienen una forma diferente. Los espejos parabólicos son curvados, con una forma similar a una silla de montar. Los reflectores Fresnel utilizan tiras planas y delgadas de espejo para capturar la luz solar y dirigirla a un tubo de líquido. Los reflectores Fresnel tienen más área de superficie que los cilindros parabólicos y pueden concentrar la energía del sol a aproximadamente 30 veces su intensidad normal.
Las plantas de energía solar concentrada se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. La instalación más grande del mundo es una serie de plantas en el desierto de Mojave de California. Este Sistema de Generación de Energía Solar (SEGS) genera más de 650 gigavatios-hora de electricidad cada año. En España y la India se han desarrollado otras plantas grandes y eficaces.
La energía solar concentrada también se puede utilizar a menor escala. Puede generar calor para cocinas solares, por ejemplo. La gente de las aldeas de todo el mundo utiliza cocinas solares para hervir agua para el saneamiento y para cocinar alimentos.
Las cocinas solares ofrecen muchas ventajas sobre las estufas de leña: no son un peligro de incendio, no producen humo, no requieren combustible y reducen la pérdida de hábitat en los bosques donde los árboles se cosecharían como combustible. Las cocinas solares también permiten que los aldeanos dediquen tiempo a la educación, los negocios, la salud o la familia durante el tiempo que antes se usaba para recolectar leña. Las cocinas solares se utilizan en áreas tan diversas como Chad, Israel, India y Perú.
Arquitectura solar
A lo largo de un día, la energía solar es parte del proceso de convección térmica, o el movimiento del calor de un espacio más cálido a uno más frío. Cuando sale el sol, comienza a calentar objetos y material en la Tierra. A lo largo del día, estos materiales absorben el calor de la radiación solar. Por la noche, cuando el sol se pone y la atmósfera se ha enfriado, los materiales liberan su calor de vuelta a la atmósfera.
Las técnicas de energía solar pasiva aprovechan este proceso natural de calentamiento y enfriamiento.
Los hogares y otros edificios utilizan energía solar pasiva para distribuir el calor de manera eficiente y económica. El cálculo de la «masa térmica» de un edificio es un ejemplo de esto. La masa térmica de un edificio es la mayor parte del material calentado durante todo el día. Ejemplos de la masa térmica de un edificio son la madera, el metal, el hormigón, la arcilla, la piedra o el barro. Por la noche, la masa térmica libera su calor de vuelta a la habitación. Los sistemas de ventilación eficaces (pasillos, ventanas y conductos de aire) distribuyen el aire caliente y mantienen una temperatura interior moderada y constante.
La tecnología solar pasiva a menudo está involucrada en el diseño de un edificio. Por ejemplo, en la etapa de planificación de la construcción, el ingeniero o arquitecto puede alinear el edificio con la trayectoria diaria del sol para recibir cantidades deseables de luz solar. Este método tiene en cuenta la latitud, la altitud y la cobertura nubosa típica de un área específica. Además, los edificios se pueden construir o adaptar para tener aislamiento térmico, masa térmica o sombreado adicional.
Otros ejemplos de arquitectura solar pasiva son techos fríos, barreras radiantes y techos verdes. Los techos fríos están pintados de blanco y reflejan la radiación del sol en lugar de absorberla. La superficie blanca reduce la cantidad de calor que llega al interior del edificio, lo que a su vez reduce la cantidad de energía que se necesita para enfriar el edificio.
Las barreras radiantes funcionan de manera similar a los techos fríos. Proporcionan aislamiento con materiales altamente reflectantes, como papel de aluminio. La lámina refleja, en lugar de absorber, el calor y puede reducir los costos de enfriamiento hasta un 10%. Además de techos y áticos, también se pueden instalar barreras radiantes debajo de los pisos.
Los techos verdes son techos completamente cubiertos de vegetación. Requieren tierra y riego para sostener las plantas, y una capa impermeable debajo. Los techos verdes no solo reducen la cantidad de calor que se absorbe o se pierde, sino que también proporcionan vegetación. A través de la fotosíntesis, las plantas de los techos verdes absorben dióxido de carbono y emiten oxígeno. Filtran los contaminantes del agua de lluvia y el aire, y compensan algunos de los efectos del uso de energía en ese espacio.
Los techos verdes han sido una tradición en Escandinavia durante siglos, y recientemente se han vuelto populares en Australia, Europa Occidental, Canadá y los Estados Unidos. Por ejemplo, la Ford Motor Company cubrió 42,000 metros cuadrados (450,000 pies cuadrados) de los techos de su planta de ensamblaje en Dearborn, Michigan, con vegetación. Además de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los techos reducen la escorrentía de aguas pluviales al absorber varios centímetros de lluvia.
Los techos verdes y los techos fríos también pueden contrarrestar el efecto de «isla de calor urbana». En las ciudades concurridas, la temperatura puede ser consistentemente más alta que en las áreas circundantes. Muchos factores contribuyen a esto: Las ciudades están construidas con materiales como asfalto y concreto que absorben calor; los edificios altos bloquean el viento y sus efectos de enfriamiento; y la industria, el tráfico y la alta población generan altas cantidades de calor residual. Usar el espacio disponible en el techo para plantar árboles, o reflejar el calor con techos blancos, puede aliviar parcialmente el aumento de la temperatura local en las áreas urbanas.
Energía solar y Personas
Dado que la luz solar solo brilla durante aproximadamente la mitad del día en la mayor parte del mundo, las tecnologías de energía solar deben incluir métodos para almacenar la energía durante las horas oscuras.
Los sistemas de masa térmica utilizan cera de parafina o varias formas de sal para almacenar la energía en forma de calor. Los sistemas fotovoltaicos pueden enviar el exceso de electricidad a la red eléctrica local o almacenar la energía en baterías recargables.
El uso de energía solar tiene muchos pros y contras.
Ventajas
Una ventaja importante del uso de la energía solar es que es un recurso renovable. Tendremos un suministro constante e ilimitado de luz solar durante otros 5 mil millones de años. En una hora, la atmósfera de la Tierra recibe suficiente luz solar para alimentar las necesidades de electricidad de cada ser humano en la Tierra durante un año.
La energía solar es limpia. Después de construir y poner en marcha el equipo de tecnología solar, la energía solar no necesita combustible para funcionar. Tampoco emite gases de efecto invernadero ni materiales tóxicos. El uso de energía solar puede reducir drásticamente el impacto que tenemos en el medio ambiente.
Hay lugares donde la energía solar es práctica. Las casas y edificios en áreas con altas cantidades de luz solar y baja cubierta de nubes tienen la oportunidad de aprovechar la abundante energía del sol.
Las cocinas solares proporcionan una excelente alternativa a cocinar con estufas de leña, de las que todavía dependen 2 mil millones de personas. Las cocinas solares proporcionan una forma más limpia y segura de desinfectar el agua y cocinar los alimentos.
La energía solar complementa otras fuentes de energía renovables, como la energía eólica o hidroeléctrica.
Los hogares o negocios que instalan paneles solares con éxito pueden producir un exceso de electricidad. Estos propietarios o dueños de negocios pueden vender la energía al proveedor de electricidad, reduciendo o incluso eliminando las facturas de electricidad.
Desventajas
El principal impedimento para el uso de energía solar es el equipo requerido. Los equipos de tecnología solar son caros. Comprar e instalar el equipo puede costar decenas de miles de dólares para hogares individuales. Aunque el gobierno a menudo ofrece impuestos reducidos a las personas y empresas que usan energía solar, y la tecnología puede eliminar las facturas de electricidad, el costo inicial es demasiado elevado para que muchos lo consideren.
El equipo de energía solar también es pesado. Para adaptar o instalar paneles solares en el techo de un edificio, el techo debe ser fuerte, grande y orientado hacia la trayectoria del sol.
La tecnología solar activa y pasiva depende de factores que están fuera de nuestro control, como el clima y la cubierta de nubes. Se deben estudiar las zonas locales para determinar si la energía solar sería eficaz en esas zonas.
La luz solar debe ser abundante y consistente para que la energía solar sea una opción eficiente. En la mayoría de los lugares de la Tierra, la variabilidad de la luz solar hace que sea difícil de implementar como única fuente de energía.