19.3: Energía Solar

La energía solar se refiere al calor o a la energía lumínica del sol. La energía solar es, con mucho, el tipo de energía renovable más abundante, entregada a la superficie de la Tierra a una tasa de 120,000 Teravatios (TW) por hora, en comparación con el uso humano global de 19.8 TW en todo el año de 2019. Para poner esto en perspectiva, cubrir 1.2% del desierto del Sahara con paneles solares podría satisfacer las necesidades energéticas de la Tierra. Por supuesto, esto no considera limitaciones en la capacidad de almacenamiento y la capacidad de distribuir esa energía.

Las tecnologías para aprovechar la energía solar pueden ser pasivas o activas. Las tecnologías solares pasivas no requieren equipos complejos y pueden ser tan simples como usar luz natural de una ventana o tragaluz para iluminar una habitación (figura\(\PageIndex{a}\)). De igual manera, los tubos solares están revestidos con material reflectante y pueden concentrar la energía lumínica para iluminar mejor una habitación (figura\(\PageIndex{a}\)). Estos están incrustados en el techo como serían los accesorios de iluminación normales.

Figura\(\PageIndex{a}\): Claraboyas y tubos solares (dispositivos tubulares de alumbrado diurno, TDD). Si bien los tragaluces se asemejan a las ventanas que se instalan en el techo, los tubos solares utilizan lentes y un forro reflectante para concentrar la luz solar, proporcionando una iluminación brillante para las partes más oscuras del hogar. ¿Qué hace que una claraboya sea energéticamente eficiente? Los tragaluces tradicionales son claraboyas que utilizan las mismas tecnologías que las ventanas, pero estas tecnologías son aún más valiosas para los tragaluces, que reciben sol directo en verano y mayores diferenciales de temperatura exterior/interior en invierno. Los dispositivos tubulares de iluminación diurna reúnen la luz solar en el techo y la transmiten a una lente difusora montada en una superficie interior, generalmente un techo. La luz natural de un TDD puede iluminar closets, baños, pasillos u otros espacios que normalmente no tendrían acceso a la luz solar, disminuyendo la necesidad de iluminación eléctrica. Imagen izquierda del Departamento de Energía de Estados Unidos (dominio público) e imagen derecha de Energy Star (dominio público).

La energía solar también se puede utilizar como calor, que se puede maximizar a través de una arquitectura cuidadosa (figura\(\PageIndex{b}\)). En primer lugar, el edificio requiere ventanas orientadas al sur (o puertas de vidrio). A medida que la luz solar pasa por estas áreas, la energía se almacena en la masa térmica del edificio. Esto se refiere a materiales de atrapamiento térmico como roca o tejas. El edificio también está diseñado de tal manera que luego el calor se distribuye por todo el edificio. Finalmente, los aleros de techo o estructuras similares impiden que la luz solar ingrese al hogar durante el verano.

Figura\(\PageIndex{b}\): Este diseño de edificio utiliza el sol para calentar durante el invierno y, por lo tanto, es una tecnología solar pasiva. El voladizo del techo sirve como control, bloqueando el sol de verano más alto al tiempo que permite que la luz solar más baja del invierno pase a través de la ventana (abertura). La energía calorífica del sol se distribuye entonces en el edificio. La masa térmica (como un piso de baldosas o piedra) absorbe y luego libera energía térmica. Imagen del Departamento de Energía de Estados Unidos (dominio público).

Un simple calentador de agua solar es una tecnología pasiva que consiste en una red de tubos que son calentados por el sol (figura\(\PageIndex{c}\)). El agua caliente se transfiere luego a través del plumping de un hogar. (Algunos calentadores solares de agua son más complejos, utilizan bombas, y por lo tanto se consideran tecnologías solares activas).

Figura\(\PageIndex{c}\): Un calentador de agua solar. Imagen de Vijayanarasimha/Pixabay (dominio público).

Las tecnologías solares activas son más complejas. Por ejemplo, los paneles solares utilizan energía lumínica para generar electricidad (figura\(\PageIndex{d}\)). Esto ocurre en las unidades del panel solar, las cuales se denominan células fotovoltaicas (celdas fotovoltaicas; figura\(\PageIndex{e}\)). Cada célula fotovoltaica consta de dos capas de semiconductores, sustancias que solo conducen la electricidad bajo ciertas circunstancias. (En contraste, las conducciones siempre conducen electricidad, y los aislantes no.) Un semiconductor tiene electrones adicionales, pero el otro tiene espacios adicionales para electrones. Cuando la luz brilla sobre la célula fotovoltaica, hace que los electrones se muevan de entre las capas semiconductoras a través del conductor que las conecta (como cables metálicos o placas). Este movimiento da como resultado una corriente eléctrica.

Figura\(\PageIndex{d}\): La instalación solar en la azotea en Douglas Hall de la Universidad de Illinois en Chicago no tiene ningún efecto sobre los recursos terrestres, mientras que produce electricidad con cero emisiones. Fuente: Oficina de Sustentabilidad, UIC

Figura\(\PageIndex{e}\): Diagrama de una célula fotovoltaica compuesta por dos capas de semiconductores. El semiconductor superior (tipo n) tiene electrones adicionales y el semiconductor inferior (tipo p) tiene puntos adicionales (agujeros) para los electrones. Una unión divide estas dos capas. La luz libera los electrones y les permite moverse a través de un cable desde el tipo n para llenar “agujeros de electrones” en el semiconductor tipo p. El movimiento de electrones a través del cable da como resultado una corriente eléctrica. Imagen de la Administración de Información Energética de Estados Unidos (dominio público).

Este video explica cómo las células fotovoltaicas dentro de los paneles solares generan electricidad.

Otro ejemplo de tecnología solar activa es la tecnología solar térmica. Esto implica usar una serie de espejos para concentrar la energía solar, generando finalmente vapor. A partir de ahí, el vapor gira una turbina y alimenta un generador (figura\(\PageIndex{f}\)).

Figura\(\PageIndex{f}\): En la tecnología termosolar, (1) los espejos o reflectores concentran los rayos del sol para calentar un tipo especial de líquido, que absorbe calor. (2) El calor de este líquido hierve agua para crear vapor, facilitado por el intercambiador de calor. (3) El vapor hace girar una turbina que está conectada a un generador, que crea electricidad. (4) El vapor se enfría y se condensa de nuevo en agua, la cual es reciclada, recalentada y convertida nuevamente en vapor. Imagen y subtitulado (modificado) de EPA (dominio público).

No sólo es abundante la energía solar, sino que el uso de paneles solares para la electricidad no genera contaminación del aire ni contribuye al cambio climático. (La fabricación de paneles solares puede generar cierta contaminación, incluidas las emisiones de gases de efecto invernadero, pero esto es mínimo en comparación con el de los combustibles fósiles). Al igual que la energía eólica, las expansiones de la energía solar pueden crear empleos e impulsar las economías. También como el viento, la luz solar es intermitente y el almacenamiento de energía solar está limitado por la capacidad de la batería. Algunas ubicaciones no reciben luz solar directa de manera constante y no son adecuadas para paneles solares. Si bien la energía solar ha sido históricamente la forma más cara de energía renovable, las nuevas tecnologías han bajado su costo.

La colocación de paneles solares determina cómo su impacto ambiental. Los paneles solares a menudo se colocan en techos de edificios o sobre estacionamientos o se integran en la construcción de otras maneras. Sin embargo, se pueden colocar grandes sistemas en tierra y particularmente en desiertos donde esos frágiles ecosistemas podrían dañarse si no se tiene cuidado. Adicionalmente, las granjas solares pueden competir por el espacio agrícola.

Otras desventajas de la energía solar son el consumo de agua (para algunos usos) y la generación de desechos peligrosos. Las grandes redes de espejos y lentes que concentran la energía solar para la generación de electricidad en sistemas solares térmicos o para calefacción pueden necesitar ser limpiadas regularmente con agua. También se necesita agua para enfriar la turbina-generador. El uso de agua de pozos subterráneos puede afectar el ecosistema en algunos lugares áridos. La fabricación de células fotovoltaicas genera algunos desechos peligrosos a partir de los químicos y solventes utilizados en el procesamiento. Algunos sistemas termosolares utilizan fluidos potencialmente peligrosos (para transferir calor) que requieren un manejo y eliminación adecuados. Sin embargo, la energía nuclear supera la energía solar en el consumo de agua y la generación de desechos peligrosos.

Atribución

Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:

• Energía renovable y desafíos e impactos del uso de energía desde la biología ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)