¿Sabías que la energía solar se puede aprovechar de diferentes formas?
El Sol es la estrella más cercana a la Tierra, se encuentra a casi 150 millones de km, dentro de él se produce un fenómeno conocido como fusión nuclear, en el cual, dos átomos de hidrógeno reaccionan creando un nuevo núcleo de helio. Este proceso que lleva ocurriendo alrededor de 4,500 millones de años es el responsable de generar toda la energía, luz y calor que emanan del sol.La luz y la radiación infrarroja son las manifestaciones de energía que podemos percibir en nuestro planeta provenientes del sol. La cantidad de energía que llega a nuestro planeta, en tan sólo una hora, podría satisfacer la demanda energética global de todo un año.
El aprovechamiento de esta fuente puede hacerse de diversas formas, ya sea para producir energía térmica o energía eléctrica.
Energía solar térmica
La energía calorífica es una de las formas más directas de utilizar la energía solar, puede manifestarse principalmente en la calefacción de interiores en casas y edificios, o en el agua que consumen estos inmuebles. Los sistemas de calefacción solar pueden ser pasivos o activos. La calefacción pasiva consiste en permitir que el inmueble o infraestructura absorba directamente la energía solar sin ningún tipo de equipo adicional, solamente un colector que almacena el calor. El ejemplo más significativo de este tipo de calefacción son los invernaderos (fig 1).
Los sistemas de calefacción activos generalmente requieren un colector de radiación solar además del uso de equipo como bombas y ventiladores para dispersar el aire. En general son sistemas más complejos de calefacción. El ejemplo principal de este tipo de sistemas son los calentadores solares (fig. 2) que, en general, están constituidos por una superficie metálica adherida a una tubería por donde circula el líquido que se pretende calentar (agua en la gran mayoría de los casos) con la radiación solar.
La energía térmica también puede utilizarse para producir energía eléctrica con ayuda de dispositivos que concentran la radiación solar para alcanzar altas temperaturas, evaporar agua y con el vapor producir la energía; muy similar a una termoeléctrica, pero sin el uso de combustibles fósiles. Dependiendo del tipo de concentrador, las plantas solares generadoras de energía se clasifican en tres principales categorías: de canales parabólicos, plato o disco parabólico y torre central.
Plantas de canal parabólico: la radiación solar es concentrada mediante espejos alargados en forma de canaleta y con un perfil parabólico. A lo largo del foco parabólico existe un tubo por el cual circula un líquido que se calienta por acción de la energía, pudiendo alcanzar temperaturas de hasta 400°C, generalmente el líquido es un aceite térmico con buena capacidad de retención de calor. Generalmente los colectores tienen la capacidad de girar conforme el sol se mueve para que en todo momento pueda lograrse un buen enfoque. El aceite calentado fluye por toda la tubería hasta llegar a un intercambiador en donde transfiere el calor y genera vapor sobrecalentado que hace funcionar una turbina convencional y posteriormente, energía eléctrica.
Plantas de disco o plato parabólico: un sistema de este tipo consta de dos partes principales: un concentrador solar que, al igual que en los canales parabólicos, sigue el movimiento del sol y concentra la radiación en el punto focal del disco y una unidad de conversión de energía que incluye un receptor térmico y un generador. El coeficiente de concentración de este sistema es más eficiente que el del canal parabólico y puede alcanzar temperaturas de 750°C. En este tipo de plantas no es necesario transportar líquido caliente a través de tuberías, pues su funcionamiento está basado en la transformación de la radiación solar a energía mecánica mediante la compresión de un fluido de trabajo. El fluido se encuentra en temperaturas bajas y al ser calentado se expande, generando fuerza de trabajo que empuja un pistón o mueve una turbina para posteriormente convertirse en energía eléctrica.
Plantas de torre central: este sistema utiliza una gran cantidad de espejos planos llamados heliostatos que se mueven en función del movimiento solar. La luz solar es reflejada y concentrada en una torre de recepción central. Dentro de la torre se calienta un fluido, generalmente sal de nitrato, la cual puede alcanzar hasta 550°C. Posteriormente es almacenada y por transferencia de calor, se genera energía eléctrica.
Energía solar fotovoltaica
En la energía solar fotovoltaica tiene como principio la transformación de la energía solar en energía eléctrica directamente en los dispositivos, específicamente celdas solares. A diferencia de la energía solar térmica, en donde se utiliza un “paso intermedio” antes de generar la electricidad. Esto se logra utilizando el efecto fotoeléctrico (propiedad de los materiales para producir electrones a partir de su contacto con luz) de algunos minerales. Las celdas solares están fabricadas de materiales semiconductores, principalmente de silicio que es uno de los elementos más abundantes en la Tierra.
El uso de las celdas solares fotovoltaicas es muy diverso y muy importante en algunas aplicaciones humanas, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional genera su propia energía con este tipo de celdas (fig 6). También pueden ser utilizadas para generar energía en pequeños dispositivos como cargadores de celulares, calculadoras y relojes. Algunos sistemas más complejos proporcionan electricidad para el bombeo de agua, equipo de comunicación o para demanda de hogares y edificios (fig 7).
La gran mayoría de las celdas solares en la actualidad utilizan el silicio como mineral para su construcción. Hay algunas que se fabrican con otros materiales como el germanio, el arseniuro de galio y el nitruro de galio. Recientemente se trabaja en la fabricación de celdas solares construidas con nanomateriales como los nanotubos de carbono.
Tipos de plantas fotovoltaicas
Existen dos tipos de plantas fotovoltaicas, las que están conectadas a la red principal que suministra energía eléctrica y las que no están conectadas. Las primeras, pueden ser de dos clases: central fotovoltaica (toda la energía producida se vierte en la red) y generador de autoconsumo (el productor ocupa la energía generada para su consumo y el resto lo vierte en la red).
Las plantas fotovoltaicas conectadas a la red cuentan con tres elementos:
- Paneles fotovoltaicos: Grupo de celdas fotovoltaicas que transforman energía solar en energía eléctrica.
- Inversores: Encargados de convertir la corriente continua generada por los paneles, en corriente alterna lista para el consumo.
- Transformadores: Elevan la baja tensión (380-800 W) generada por los paneles solares en tensión media (36 kW).
Las centrales no conectadas a la red eléctrica generalmente se encuentran en lugares remotos como poblaciones rurales o grandes extensiones agrícolas, estos requieren algunos otros elementos como baterías y reguladores para funcionar adecuadamente.
Fuente: Takeuchi, N (2014). Energía y medio ambiente. Manual de innovaciones tecnológicas para su mejor aprovechamiento. Universidad Nacional Autónoma de México; Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. México.