Energía solar

La energía solar  es la energía del Sol en forma de radiación y luz. Esta energía controla en gran medida el clima y el tiempo, y es la base de la vida. La tecnología que utiliza la energía solar se llama energía solar .

La energía solar y la Tierra

174 PW de radiación solar ( insolación ) ingresa constantemente a las capas superiores de la atmósfera terrestre [1] . Alrededor del 6% de la radiación solar se refleja en la atmósfera , el 16% es absorbido por ella. Las capas medias de la atmósfera, dependiendo de las condiciones meteorológicas (nubes, polvo, contaminación atmosférica), reflejan hasta un 20% de la insolación y absorben un 3%.

La atmósfera no solo reduce la cantidad de energía solar que llega a la superficie de la Tierra, sino que también difunde alrededor del 20% de la que entra y filtra parte de su espectro. Después de atravesar la atmósfera, aproximadamente la mitad de la radiación solar se encuentra en la parte visible del espectro . La segunda mitad está predominantemente en la parte infrarroja del espectro. Sólo una pequeña parte de esta insolación se debe a la radiación ultravioleta [2] [3] .

La radiación solar es absorbida por la superficie terrestre, los océanos (que cubren alrededor del 71% de la superficie terrestre) y la atmósfera. La absorción de la energía solar a través de la convección atmosférica , la evaporación y la condensación del vapor de agua es la fuerza motriz del ciclo del agua e impulsa los vientos. Los rayos del sol, absorbidos por el océano y la tierra, mantienen la temperatura media en la superficie de la Tierra, que ahora es de 14 °C [4] . A través de la fotosíntesis de las plantas , la energía solar se puede convertir en energía química, que se almacena en forma de alimentos, madera y biomasa , que finalmente se convierte en combustibles fósiles [5] .

Perspectivas de uso

La energía solar es una fuente de energía eólica, agua, calor marino, biomasa y también la causa de la formación de turba, carbón pardo, petróleo y gas natural durante milenios , pero esta energía indirecta se ha acumulado durante miles y millones de años . años. La energía solar también se puede utilizar directamente como fuente de electricidad y calor. Para ello, es necesario crear dispositivos que concentren la energía del Sol en pequeñas áreas y en pequeños volúmenes.

La cantidad total de energía solar absorbida por la atmósfera, la superficie terrestre y el océano es de aproximadamente  3 850 000 exajulios (EJ) por año [6] . Esto proporciona más energía en una hora que el mundo entero utilizado en todo el año 2002 [7] [8] . La fotosíntesis consume alrededor de 3.000 EJ por año para la producción de biomasa [9] . La cantidad de energía solar que llega a la superficie terrestre es tan grande que en un año se duplicará aproximadamente toda la energía que potencialmente se puede generar a partir de todas las fuentes no renovables: carbón, petróleo, minerales de uranio [10] .

"'Entrada anual de radiación solar y consumo humano de energía"' 1
Sol	3 850 000	[6]
viento	2250	[once]
Potencial de biomasa	~200	[12]
Consumo mundial de energía 2	539	[13]
Electricidad 2	~67	[catorce]
1 Cantidad de energía en exajulios, 1 EJ = 10 18 J = 278 TWh   2 Consumo al 2010

La cantidad de energía solar que una persona puede usar potencialmente es diferente de la cantidad de energía que está cerca de la superficie de la tierra. Factores como los ciclos día/noche, la nubosidad y la superficie terrestre disponible reducen la cantidad de energía disponible para su uso.

La ubicación geográfica afecta el potencial energético, ya que las áreas más cercanas al ecuador reciben más radiación solar. Sin embargo, el uso de dispositivos fotovoltaicos , que pueden cambiar su orientación de acuerdo con la posición del Sol en el cielo, puede aumentar significativamente el potencial de la energía solar en áreas alejadas del ecuador. [quince]

La disponibilidad de terrenos afecta significativamente la producción potencial de energía, ya que los paneles solares solo pueden instalarse en terrenos aptos para ello y no se utilizan para otros fines. Por ejemplo, los tejados [15] son ​​un lugar adecuado para instalar paneles .

Los sistemas solares se dividen en activos y pasivos, según la forma de absorber la energía solar, procesarla y distribuirla.

Las tecnologías solares activas utilizan energía fotovoltaica, energía solar concentrada colectores solares bombas y ventiladores para convertir la radiación solar en una salida de energía útil Las tecnologías solares pasivas incluyen el uso de materiales con características térmicas favorables, el diseño de habitaciones con circulación de aire natural y la ubicación favorable de los edificios en relación con la posición del sol. Las tecnologías solares activas aumentan el suministro de energía, mientras que las tecnologías solares pasivas reducen la necesidad de fuentes de energía adicionales [16] .

En el año 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 la Energía publicaron una evaluación del potencial de energía solar que la humanidad puede extraer, teniendo en cuenta factores como la insolación, la nubosidad y la tierra disponible. superficie. La evaluación mostró que el potencial global de la energía solar es de 1.575-49.837 EJ por año "(ver la tabla a continuación)" [15] .

Potencial Anual de Energía Solar por Región (EJ) [15]

Región	América del norte	América Latina y el Caribe	Europa Oriental	Europa central y oriental	Países de la antigua Unión Soviética	Oriente Medio y África del Norte	Africa Sub-sahariana	Pacífico asiático	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	7410	3 385	914	154	8 655	11 060	9 528	994	1 339	4 135	2263

En este momento están en funcionamiento aparatos de calefacción que acumulan energía solar, así como prototipos de motores eléctricos y automóviles que utilizan energía solar.

Se cree que la energía solar representará no más del 1% del uso total de energía para finales de siglo. Allá por 1870, se construyó en Chile una planta desalinizadora solar de agua de mar , que producía hasta 30 toneladas de agua dulce por día y funcionó durante más de 40 años. Gracias al uso de heterouniones , la eficiencia de las células solares ya alcanza el 25%. Se ha lanzado la producción de baterías solares en forma de cinta larga de silicio policristalino, que tienen una eficiencia superior al 10%.

Energía térmica

Las tecnologías que utilizan la energía térmica del sol se pueden utilizar para calentar agua, calentar espacios, enfriar espacios y generar calor de proceso [17] .

En 1897, Frank Schumann , un inventor , ingeniero y pionero estadounidense en el uso de la energía solar, construyó un pequeño motor solar de demostración, cuyo principio era que la luz del sol se reflejaba en recipientes cuadrados llenos de éter, que tenía un punto de ebullición más bajo que agua. En el interior, se conducían tubos negros hasta los contenedores, lo que ponía en marcha la máquina de vapor. En 1908, Schumann fundó la Sun Power Company, que debía construir grandes instalaciones utilizando energía solar. Junto con su asesor técnico A. C. E Ackerman y el físico británico Charles Vernon Boys [18] , Schumann desarrolló un sistema mejorado usando un sistema de espejos que reflejaban los rayos del sol en las cajas colectoras solares , aumentando la eficiencia de calefacción a un nivel donde el éter podría utilizarse en lugar de éter, agua. Schuman luego construyó una máquina de vapor a gran escala que funcionaba con agua a baja presión. Esto le dio la oportunidad en 1912 de patentar todo el sistema de energía solar.

Entre 1912 y 1913 Schuman construyó la primera central termosolar del mundo en la ciudad egipcia de Maadi . La central eléctrica de Shumanow utilizó un concentrador cilindroparabólico para impulsar un motor de 45 a 52 kW que bombeaba más de 22 000 litros de agua por minuto desde el río Nilo hasta los campos de algodón cercanos. Aunque la Primera Guerra Mundial y el descubrimiento de petróleo barato en la década de 1930 impidieron un mayor avance de la energía solar, la visión y el diseño básico de Schumann se revivieron en la década de 1970 con una nueva ola de interés en la energía solar térmica [19] . En 1916, la prensa citaba a menudo a Schumann defendiendo el uso de la energía solar:

Hemos probado que el uso de la energía solar puede ser comercialmente viable en los trópicos, y más que eso, hemos probado que después del agotamiento de las reservas de petróleo y carbón, la humanidad recibirá una fuente inagotable de energía en forma de luz solar.

Texto original  (inglés)[ mostrarocultar] Hemos demostrado el beneficio comercial de la energía solar en los trópicos y, más concretamente, hemos demostrado que una vez que se agotan nuestras reservas de petróleo y carbón, la raza humana puede recibir energía ilimitada de los rayos del sol.

40
Frank Schumann
New York Times, 2 de julio de 1916 [20]

Calentamiento de agua

En latitudes geográficas bajas (por debajo de los 40 grados), del 60 al 70 % de toda el agua caliente sanitaria con temperaturas de hasta 60 °C puede ser proporcionada por sistemas solares de calentamiento de agua [21] . Los tipos más comunes de calentadores de agua solares son: colectores de tubo de vacío (44%) y colectores de placa plana (34%), que se utilizan comúnmente para calentar agua caliente sanitaria; así como colectores de plástico transparente (21%), que se utilizan principalmente para calentar piscinas [22] .

A partir de 2007, la capacidad instalada total de los sistemas solares de calentamiento de agua fue de aproximadamente 154 GW térmicos. [23] China es el líder mundial en este campo, habiendo instalado 70 GW de energía térmica a partir de 2006 y con el objetivo de alcanzar los 210 GW de energía térmica para 2020 [24] . Israel y la República de Chipre son los líderes mundiales en el uso de sistemas solares de calentamiento de agua per cápita, con el 90 % de los hogares que los tienen instalados [25] . En los EE. UU., Canadá y Australia, los calentadores solares de agua sirven predominantemente para calentar piscinas, con una capacidad instalada en 2005 de aproximadamente 18 GW térmicos [16] .

Calefacción, refrigeración y ventilación

En los EE. UU., HVAC representa 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 [26] [27] . Los sistemas solares de calefacción, refrigeración y ventilación se pueden utilizar para compensar parte de esta energía.

La masa térmica es cualquier material que se puede utilizar para almacenar calor, particularmente solar. Los materiales que pueden funcionar como una masa térmica incluyen piedra, cemento y agua. A lo largo de la historia, se han utilizado en climas secos o cálidos para mantener frescas las habitaciones, ya que absorben la energía solar durante el día y liberan el calor almacenado durante la noche. Sin embargo, también se pueden usar en regiones frías para mantener el calor. El tamaño y ubicación de la masa térmica depende de varios factores, como el clima, la relación entre el tiempo de exposición al sol y la exposición a la sombra. Si se coloca correctamente, la masa térmica mantiene la temperatura ambiente dentro de un rango cómodo y reduce la necesidad de dispositivos adicionales de calefacción y refrigeración [28] .

Una chimenea solar (o chimenea térmica, en este contexto) es un sistema de ventilación solar pasiva que consiste en un eje vertical que conecta el interior y el exterior de un edificio. Si la chimenea se calienta, el aire del interior también se calienta, provocando unaque empuja el aire a través de la casaSu rendimiento se puede mejorar mediante el uso de materiales opacos y masa térmica [29] de forma que se asemeje a un invernadero.

Las plantas de hoja caduca se han propuesto como una forma de controlar la calefacción y refrigeración solar. Si crecen en el lado sur de un edificio en el hemisferio norte, o en el lado norte de un edificio en el hemisferio sur, sus hojas brindan sombra durante el verano, mientras que los troncos desnudos dejan pasar los rayos del sol sin obstrucciones en el invierno . 30] .

Cocina

Los hornos solares utilizan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar . Se pueden dividir en tres grandes categorías: hornos de cámara ( cocinas de caja inglesa  ), hornos de panel ( cocinas de panel inglesas ) y hornos reflectantes ( cocinas de reflector inglesas ) [31] . El horno solar más simple es el horno de cámara, que fue construido por primera vez por Horace Benedict de Saussure en 1767 [32] . Un horno de cámara simple consta de un recipiente aislado con una tapa transparente. Se puede usar de manera efectiva en cielos parcialmente nublados y, por lo general, alcanza temperaturas de 90 a 150 °C [33] . El horno de panel utiliza un panel reflectante para dirigir los rayos del sol hacia un recipiente aislado y alcanzar una temperatura comparable a la de un horno de cámara. Los hornos reflectores utilizan diferentes geometrías de reflectores (plato, canal, espejos de Fresnel ) para enfocar los haces en un contenedor. Estos hornos alcanzan temperaturas de 315°C, pero requieren un haz directo y deben ser reposicionados a medida que el Sol cambia de posición [34] .   

Proceso de calor

Los sistemas de concentración solar, como los platos parabólicos, los cilindros y los reflectores Scheffler, pueden proporcionar calor de proceso para aplicaciones comerciales e industriales. El primer sistema comercial fue el Proyecto de Energía Solar Total en Shenandoah, Georgia, EE. UU., donde un campo de 114 bandejas parabólicas proporcionó el 50 % del calor de proceso, la ventilación del aire y los requisitos de energía para una fábrica de prendas de vestir. Esta planta de cogeneración conectada a la red proporcionó 400 kW de electricidad y energía térmica en forma de 401 vatios de vapor y 468 kW de agua fría y proporcionó almacenamiento de calor con una carga máxima de un año [35] . Los estanques de evaporación son piscinas poco profundas que concentran los sólidos disueltos en el agua mediante la evaporación . El uso de estanques de evaporación para extraer sal del agua de mar es uno de los usos más antiguos de la energía solar. Las aplicaciones modernas incluyen: aumentar la concentración de sales en la extracción de metales por lixiviación , así como la eliminación de sólidos de las aguas residuales [36] . Con cuerdas , secadora y perchas, la ropa se seca en el proceso de evaporación bajo la influencia del viento y la luz solar sin el consumo de electricidad y gas. Algunas leyes estatales incluso protegen específicamente el "derecho a secar" la ropa . Los colectores transpirados no vidriados ( UTC ) son paredes perforadas ("pared colectora") dirigidas hacia el sol, utilizadas para precalentar el aire de ventilación. UTC puede elevar la temperatura del aire de entrada a 22 °C (40 °F) y proporcionar una temperatura del aire de salida de 45 °C (81 °F) - 60 °C (108 °F) . [38] El breve período de amortización (de 3 a 12 años) hace que los colectores transpirados sean financieramente más rentables que los sistemas de recolección vidriados [38] . A partir de 2003, se instalaron en todo el mundo más de 80 sistemas con un área total de colectores de 35 000 m2, incluido un colector de 860 m2 en Costa Rica para el secado de granos de café y un colector de 1300 m2 en Coimbatore (India) para el secado de caléndulas [39 ] .

Tratamiento de aguas

La desalinización solar se puede utilizar para convertir el agua salada o salobre en agua potable. Por primera vez, los alquimistas árabes del siglo XVI registraron un ejemplo de tal transformación [40] . El primer proyecto de desalinización solar a gran escala se construyó en 1872 en la ciudad minera chilena de Las Salinas [41] . La planta, que contaba con un área de colectores solares de 4700 m2, podía producir hasta 22.700 litros de agua potable y permaneció en funcionamiento durante 40 años [41] . Los diseños personalizados de elementos fijos incluyen pendiente simple, pendiente doble (invernadero o estándar), absorbentes verticales, cónicos, invertidos, multiwick y efectos múltiples. . [40] . Estos potabilizadores pueden operar en modo pasivo, activo e híbrido. Las unidades de doble pendiente son las más rentables para las necesidades domésticas descentralizadas, mientras que las unidades activas de efectos múltiples son más adecuadas para proyectos a gran escala [40] .

Para la desinfección solar , el agua se vierte en botellas de PET transparentes y se coloca a la luz del sol durante varias horas [42] . El tiempo de desinfección depende del clima y las condiciones meteorológicas, al menos de 6 horas a 2 días si el cielo está completamente cubierto de nubes [43] . Este método ha sido recomendado por la Organización Mundial de la Salud como un método asequible para el tratamiento y almacenamiento seguro del agua doméstica [44] . Más de 2 millones de personas en países en desarrollo utilizan este método todos los días para tratar su agua potable [43] .

La energía solar se puede utilizar en estanques de sedimentación para tratar aguas residuales sin el uso de productos químicos y costos de energía. Otro beneficio ambiental es que las algas viven en dichos estanques y consumen dióxido de carbono a través de la fotosíntesis, aunque pueden producir sustancias tóxicas que hacen que el agua no sea apta para el consumo [45] [46] .

Generación de electricidad

La energía solar funciona convirtiendo la luz solar en electricidad . Esto puede suceder directamente, usando energía fotovoltaica , o indirectamente, usando sistemas de energía solar concentrada , en los que lentes y espejos recogen la luz solar de un área grande en un haz delgado, y un mecanismo de seguimiento rastrea la posición del Sol. La energía fotovoltaica convierte la luz en corriente eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico .

Se supone que la energía solar se convertirá en la mayor fuente de electricidad para el año 2050, en el que la fotovoltaica y la energía solar concentrada representarán el 16 y el 11 % de la producción mundial de electricidad, respectivamente [47] .

Las centrales eléctricas comerciales que utilizan energía solar concentrada aparecieron por primera vez en la década de 1980. A partir de 1985, una instalación SEGS este tipo de 354 MW en el desierto de Mojave se convirtió en la mayor planta de energía solar del mundo. Otras plantas solares de este tipo son SPP Solnova (150 MW) y SPP Andasol (100 MW), ambas en España. Entre las plantas de energía solar más grandes : Proyecto Solar Agua Caliente (250 MW) en EE. UU. y Parque Solar Charanka (221 MW) en India . Se están desarrollando proyectos de más de 1 GW, pero la mayoría de las instalaciones solares de hasta 5 kW son pequeñas y se encuentran en la azotea. A partir de 2013, la energía solar representó menos del 1% de la electricidad en la red global [48] .

Arquitectura y urbanismo

La presencia de la luz solar ha influido en el diseño de los edificios desde el comienzo mismo de la historia de la arquitectura [50] . Los métodos avanzados de arquitectura solar y planificación urbana fueron introducidos por primera vez por los antiguos griegos y chinos, quienes orientaron sus casas hacia el sur para proporcionarles luz y calor [51] .

Las características comunes de la arquitectura solar los edificios en relación con el sol, las proporciones compactas (baja relación entre el área superficial y el volumen), el sombreado selectivo (pabellones) masa térmica 50Cuando estas propiedades se adaptan bien al clima local, proporciona una buena iluminación y le permite permanecer dentro de un rango de temperatura agradable. La casa Megaron de Sócrates  es un ejemplo clásico de arquitectura solar pasiva [50] . utilizan simulaciones por computadora que vinculan la iluminación natural así como los sistemas de ventilación y calefacción solar, en un paquete de diseño solar integrado [ 52] Los equipos solares activos como bombas, ventiladores y ventanas intercambiables pueden complementar un diseño pasivo y mejorar el rendimiento del sistema.

Una isla de calor urbana (UHE) es un área urbana donde la temperatura es más alta que en las áreas rurales circundantes. El aumento de la temperatura es consecuencia del uso de materiales como el asfalto y el hormigón, que absorben mejor la radiación solar, porque tienen un albedo menor y una capacidad calorífica mayor que en el ambiente. Para contrarrestar directamente el efecto, los edificios se pintan de blanco y se plantan árboles en las calles. Según el diseño de un programa hipotético de "comunidades frescas" en Los Ángeles , utilizando estos métodos, la temperatura de la ciudad se puede reducir en unos 3 °C. El costo del proyecto se estima en mil millones de dólares estadounidenses y el beneficio anual total podría ser de 530 millones de dólares estadounidenses debido a la reducción de los costos de ventilación y salud [53] .

Agricultura y producción de cultivos

La agricultura y la horticultura están buscando formas de optimizar la absorción de energía solar para aumentar la productividad de las plantas.

El invernadero convierte la luz del sol en calor, lo que permite el cultivo durante todo el año de plantas que no están naturalmente adaptadas a este clima. Los invernaderos más simples se usaban en la época romana para cultivar pepinos durante todo el año para el emperador Tiberio [54] . Moderna En Europa en el siglo XVI aparecieron los invernaderos para el cultivo de plantas traídas de viajes de investigación [55] .

Véase también

• energía solar
• el ahorro de energía
• Auditoría energética
• eficiencia energética
• Casa pasiva
• Energía eólica
• Lampara ahorradora de energia
• Evaluación ambiental

Notas

1. ↑ Sonríe (1991), pág. 240
2. ↑ Régimen de radiación y luz (enlace inaccesible) . Consultado el 6 de abril de 2018. Archivado desde el original el 12 de octubre de 2013. (indefinido) 
3. ↑ Forzamiento natural del sistema climático (enlace no disponible) . Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Consultado el 29 de septiembre de 2007. Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2007. (indefinido) 
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Enlaces

• Denzer, Anthony. La casa solar: pionera en diseño sostenible . - Rizzoli, 2013. - ISBN 978-0-8478-4005-2 .

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En catálogos bibliográficos	BNF : 11931977s TIERRA : 4055572-0 J9U : 987007553391305171 LCCN : sh85124500 NKC : ph116216

Sol
Estructura	Núcleo Zona de transferencia radiante tacoclina zona convectiva
Atmósfera	Fotosfera Atmósfera corona solar
Estructura extendida	heliosfera Hoja de corriente heliosférica límite de onda de choque manto heliosferico heliopausa onda de choque de proa
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Clase espectral : G2