5.2: Energía Solar
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La energía solar es la fuente de energía definitiva que impulsa la vida en la tierra y muchas actividades humanas. Aunque solo una billonésima parte de la energía que sale del sol (Figura\(\PageIndex{1}\)) llega realmente a la superficie terrestre, esto es más que suficiente para satisfacer las necesidades energéticas del mundo. De hecho, todas las demás fuentes de energía, renovables y no renovables, son en realidad formas almacenadas de energía solar. El proceso de conversión directa de la energía solar en calor o electricidad se considera una fuente de energía renovable. La energía solar representa un suministro esencialmente ilimitado de energía, ya que el sol durará mucho más que la civilización humana en la tierra. Las dificultades radican en el aprovechamiento de la energía. La energía solar se ha utilizado durante siglos para calentar hogares y agua, y la tecnología moderna (células fotovoltaicas) ha proporcionado una manera de producir electricidad a partir de la luz solar. Hay dos formas básicas de colectores de energía solar que son pasivos y activos.
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5.2.1: Energía Solar Pasiva y Activa
La energía solar pasiva utiliza estrategias de calefacción y enfriamiento que se han utilizado históricamente como ventilación natural, ganancia de calor solar, sombreado solar y aislamiento eficiente. La calefacción solar pasiva ocurre cuando el sol brilla a través de las ventanas de un edificio y calienta el interior (Figura\(\PageIndex{2}\)). Los diseños de edificios que optimizan la calefacción solar pasiva suelen tener ventanas orientadas al sur que permiten que el sol brille en paredes o pisos que absorben el calor solar durante el invierno. La energía solar calienta el edificio por radiación natural y convección y el calor es atrapado, absorbido y almacenado por materiales con alta masa térmica (generalmente ladrillos u hormigón) dentro de la casa. El calor se libera por la noche cuando es necesario para calentar el edificio ya que pierde calor al refrigerador al aire libre. Los aleros o cortinas de las ventanas impiden que el sol entre por las ventanas durante el verano para mantener el edificio fresco.
Los sistemas activos de energía solar requieren la entrada de cierta energía para bombear un medio fluido absorbente de calor a través de un colector para almacenar y distribuir la energía. Los ventiladores o bombas hacen circular el aire o los líquidos que absorben el calor a través de los colectores y luego transfieren el fluido calentado directamente a una habitación o a un sistema de almacenamiento de calor. Los colectores solares se concentran o no concentran. En los colectores no concentrados, la superficie que intercepta la radiación solar es la misma que la zona que absorbe la radiación. Los colectores de placa plana son el tipo más común de colectores no concentrados y se utilizan cuando las temperaturas inferiores a 200°F son suficientes. Los colectores absorben y transfieren calor a un fluido (agua o aire) que luego se hace circular para proporcionar calefacción a un edificio. En colectores de concentración la superficie que intercepta la radiación solar es mayor, a veces cientos de veces mayor, que el área absorbente. El colector enfoca o concentra la energía solar en un absorbedor. El colector generalmente se mueve para que mantenga un alto grado de concentración sobre el absorbedor.
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Celdas fotovoltaicas (PV)
Los dispositivos solares fotovoltaicos (PV), o células solares, cambian la luz solar directamente en electricidad. PV utiliza materiales semiconductores como el silicio para producir electricidad a partir de la luz solar: cuando la luz golpea las células, el material produce electrones libres que migran a través de la celda, creando una corriente eléctrica. Las células fotovoltaicas pequeñas pueden alimentar calculadoras, relojes y otros dispositivos electrónicos pequeños. Los arreglos de muchas células solares en paneles fotovoltaicos y los arreglos de múltiples paneles fotovoltaicos en matrices fotovoltaicas pueden producir electricidad para toda una casa (Figura\(\PageIndex{3}\) a). Algunas plantas de energía fotovoltaica tienen grandes matrices que cubren muchos acres para producir electricidad para miles de hogares.
Cientos de miles de casas y edificios alrededor del mundo tienen sistemas fotovoltaicos en sus techos. También se han construido muchas plantas de energía fotovoltaica de varios megavatios. Cubrir 4% de las zonas desérticas del mundo con energía fotovoltaica podría abastecer el equivalente de toda la electricidad del mundo. El Desierto de Gobi por sí solo podría abastecer casi toda la demanda total de electricidad del mundo.
Plantas Solares Térmicas
Las centrales termosolares, como la de la Figura\(\PageIndex{3}\) b, utilizan sistemas colectores solares de concentración para recolectar y concentrar la luz solar para producir el calor de alta temperatura necesario para generar electricidad. Todos los sistemas de energía solar térmica tienen colectores de energía solar con dos componentes principales: reflectores (espejos) que capturan y enfocan la luz solar en un receptor. En la mayoría de los tipos de sistemas, un fluido de transferencia de calor se calienta y circula en el receptor y se utiliza para producir vapor. El vapor se convierte en energía mecánica en una turbina, que alimenta un generador para producir electricidad. Los sistemas de energía solar térmica tienen sistemas de seguimiento que mantienen la luz solar enfocada en el receptor durante todo el día a medida que el sol cambia de posición en el cielo.
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5.2.3: Impactos ambientales de la energía solar
La energía solar tiene un impacto mínimo en el medio ambiente, dependiendo de dónde se coloque. En 2009, el uno por ciento de la energía renovable generada en Estados Unidos fue de energía solar (1646 MW) del ocho por ciento de la generación total de electricidad que fue a partir de fuentes renovables. La fabricación de células fotovoltaicas (PV) genera algunos desechos peligrosos a partir de los productos químicos y solventes utilizados en el procesamiento. A menudo, las matrices solares 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. Algunos sistemas termosolares utilizan fluidos potencialmente peligrosos (para transferir calor) que requieren un manejo y eliminación adecuados. Los sistemas solares concentrados pueden necesitar ser limpiados regularmente con agua, que también es necesaria para enfriar la turbina-generador. El uso de agua de pozos subterráneos puede afectar el ecosistema en algunos lugares áridos.