La energía solar

La energía solar es la energía de la radiación electromagnética del sol. Se puede transformar en calor, energía química o electricidad, a través de dispositivos de conversión, tanto naturales como artificiales. Constituye la principal fuente de energía de nuestro planeta y es condición indispensable para la vida en la Tierra.

Créditos foto: https://www.nationalgeographic.com.es/

Las plantas y algas transforman la energía solar en energía química mediante el proceso de fotosíntesis. Este sistema de conversión natural es el que ha permitido el desarrollo de la vida en nuestro planeta. Los hidrocarburos como el gas y el petróleo, y la biomasa, tienen su origen en este proceso y, por lo tanto, se los puede considerar como una forma de energía solar almacenada. El viento también deriva de esta fuente, ya que el aire se mueve por la diferencia de temperatura entre distintos puntos de la atmósfera terrestre.

En la antigüedad, el aprovechamiento de la energía solar era principalmente a partir del viento que impulsaba las embarcaciones o movía las aspas de los molinos. También se aprovechó para encender el fuego a partir de la concentración de los rayos solares mediante espejos y lupas. Por otra parte, el desarrollo de la agricultura implicó un modo cada vez más eficiente de aprovechar la energía solar y posibilitó la formación de las sociedades sedentarias.

Tipos de aprovechamiento de la energía solar

En la actualidad, la investigación científica y el desarrollo de dispositivos tecnológicos más sofisticados han posibilitado que esta fuente de energía también se pueda utilizar para generar electricidad y como fuente térmica para diversos usos hogareños.

Energía solar fotovoltaica

La llamada energía solar fotovoltaica convierte la radiación solar (energía lumínica / fotones) en electricidad utilizando paneles formados por celdas fotovoltaicas solares que pueden ser de diferentes materiales. Los más comunes son de silicio mono y policristalino o de tecnología de películas delgadas de telururo de cadmio. Estas celdas funcionan bajo el principio del efecto fotoeléctrico, donde la energía de los fotones genera pares hueco-electrón y al conectarles una carga, se produce un flujo de corriente.

A partir del desarrollo tecnológico en el campo de las celdas solares, se ve un crecimiento de la eficiencia a través de los años. Se observa que las tecnologías tradicionales basadas en silicio (mono juntura, utilizadas en parques solares) han alcanzado una meseta, llegando a valores de 23,3% para celdas policristalinas y 26,1% para monocristalinas. Por otro lado, existen tecnologías emergentes como las peroskitas, con buenos resultados de laboratorio crecientes, que en la actualidad alcanzan 25,5% de eficiencia. Si bien se observa un rápido crecimiento en la eficiencia, aún quedan desafíos en la estabilidad de las celdas para que sen utilizadas comercialmente (Figura 1).

Figura 1- Evolución de la eficiencia de celdas solares para diferentes materiales. *Se hace referencia a las tecnologías resaltadas en amarillo.

Cuando las celdas se integran y forman los módulos solares la eficiencia del conjunto disminuye. En el caso de los módulos solares de silicio monocristalino, la máxima eficiencia alcanzada hasta el momento es de 22,4%, mientras que en los de silicio policristalino es de 20,4%.

Para que la energía solar generada por los módulos fotovoltaicos pueda ser utilizada para consumos tradicionales, se necesita de un sistema llamado inversor que transforma la corriente continua de los módulos en corriente alterna. Además, si se trata de un parque de gran escala, se agregan transformadores elevadores de tensión para poder inyectar la energía en las líneas de transporte que aportan al sistema eléctrico del país. (Figura 3)

Figura 2 – Esquema de una instalación solar fotovoltaica a gran escala conectada a red.

Los sistemas fotovoltaicos pueden estar conectados a la red eléctrica (sistemas on-grid) o por fuera de la red (sistemas off-grid) Los primeros se utilizan para autoconsumo y eventual venta en los sectores de consumo domiciliario, comercial e industrial y en parques solares de gran escala que se dedican a la venta mayorista de energía. En el caso de los sistemas off-grid están diseñados para cubrir pequeños consumos eléctricos aislados. Por ejemplo, aplicaciones rurales, telecomunicaciones, entre otros.

Energía solar térmica

La denominada energía solar térmica se basa en concentrar la radiación solar directa mediante diferentes dispositivos, lo que permite calentar un fluido que, mediante un intercambiador de calor, puede generar vapor para diferentes usos como por ejemplo para mover una turbina acoplada a un generador eléctrico, como ocurre en las centrales nucleares y algunas centrales térmicas. También se puede utilizar como calor de proceso en una industria, como por ejemplo en la industria química.

Para la generación de energía eléctrica, las tecnologías para aprovechar la energía solar térmica se dividen según el tipo de concentración solar que emplean: concentración puntual, concentración lineal y sin concentración (Figura 3). Dentro de los sistemas de concentración de foco puntual se encuentra dos tecnologías. Por un lado, la torre con receptor central, que consta de un campo de espejos llamados heliostatos que concentran los rayos solares en la cima de la torre. Por otro lado, en la tecnología de discos parabólicos y motores Stirling, la energía solar concentrada es la que hace funcionar este motor de combustión externa. También existen tecnologías donde la concentración se realiza en un foco lineal, como los concentradores cilindroparabólicos y los sistemas Fresnel, que concentran la energía solar en un tubo ubicado en el foco óptico de los espejos. Por último, una tecnología menos desarrollada, que no es de concentración, es la llamada chimenea solar, donde la energía solar térmica se utiliza para calentar aire debajo de una membrana y por diferencia de densidad se genera un flujo a través de una chimenea que hace girar una turbina cuando el aire pasa a través de ella.

Figura 3 – Tipos de tecnologías de plantas de generación eléctrica termosolar.

Por último, otra forma de aprovechar la energía solar térmica es la generación de calor para obtener agua caliente para brindar calefacción y cocinar alimentos, a partir de tecnologías más simples. Dentro de estas tecnologías se encuentran los calefones solares, entre otros- placas Entre usos

Particularidades de la energía solar

Desde el punto de vista ambiental, la energía solar es inagotable y en el momento de generación eléctrica no produce gases de efecto invernadero ni contaminación acústica, ya que su generación es silenciosa.

Por otro lado, la tecnología solar fotovoltaica viene experimentando una caída en el costo de generación constante lo que la hace tan competitiva como las energías convencionales.

Sin embrago, pese a sus grandes ventajas, el aprovechamiento de la energía solar también presenta desventajas. Entre ellas, las derivadas de su intermitencia que dependerá de las inclemencias climáticas que implican variaciones en la radiación solar recibida en el planeta entre día y noche, y a lo largo del año.

También hay diferencias producidas por factores geográficos, como la variación en la recepción de los rayos solares en la superficie, cuyo ángulo de incidencia es distinta según la latitud.

Otras desventajas están asociadas a ciertos problemas indirectos del uso de este tipo de energía, como los grandes espacios que requieren los parques solares, esto puede afectar a los sistemas ecológicos que en zonas desérticas (las más propicias para alcanzar mayores resultados) son de gran fragilidad.